تغییر شکل های مشاهده شده و محاسبه شده در روش تاپ دان

روش بالا – پایین (Top-Down) یکی از روش های نوین در زمینه پایدارسازی گود است که در سال های اخیر به مقدار قابل توجهی مورد استقبال کارفرمایان مختلف در پروژه های عمرانی قرار گرفته است. مزیت اصلی این روش در مقایسه با سایر روش ها قابلیت احداث طبقات زیر زمین و طبقات روسازه به صورت هم زمان می باشد. این امر سبب می شود تا زمان پروژه به مقدار قابل توجهی کاهش می یابد. البته یکی از چالش های موجود در روش تاپ دان این است که طراحی و اجرای صحیح آن نیازمند همکاری تنگاتنگ مهندسین سازه و ژئوتکنیک است و عدم دقت در این موضوع می تواند خسارت های قابل توجهی را برای پروژه در پی داشته باشد. در این مقاله به دو مطالعه موردی به نام های بلوک 37 و موزه پارک وست در شیکاگو در زمینه تاپ دان اشاره می شود و تغییر شکل های قائم و افقی رخ داده با مقدار محاسبه شده در روش تاپ دان (ساخت بالا به پایین) توسط نرم افزار مقایسه می شود.

روش های بالا به پایین از دیوارها و سیستم های کف سازی دائمی به عنوان تکیه گاه موقت استفاده می کنند و بنابراین سیستم های پشتیبانی بسیار سخت هستند. با این حال، داده های متناقضی در مورد اینکه آیا حرکات حاصل کوچکتر از حرکات مرتبط با روش‌های پایین به بالا هستند وجود دارد. به عنوان مثال، لانگ (2001) بر اساس بررسی 296 مطالعه موردی هیچ تفاوت قابل توجهی را در عملکرد سیستم های پشتیبانی داخلی، انکراژ یا بالا به پایین مشاهده نکرد. کونگ (2009) نتایج 26 حفاری انجام شده از خاک رس سیلتی را گزارش کرد که نشان داد حداکثر تغییر شکل و انحراف دیواره گود ناشی از روش های ساخت بالا به پایین (تاپ دان) 1/3 برابر بزرگتر از روش های القا شده توسط روش های پایین به بالا بود. در هر یک از این دو پروژه با بهره گیری از ادوات ابزارسنجی پارامترهای مربوط به تغییر شکل در نقاط مختلف اندازه گیری شده است. از داده های به دست آمده می توان دریافت که حرکاتی که در طول چرخه های حفاری و پایدارسازی رخ می‌دهد، کوچک هستند و حدود 40 درصد از این حرکات مربوط به پاسخ های وابسته به زمان دال های بتنی است.

شرایط زیر سطحی

در شکل 1 شرایط خاک دو پروژه از منظر درصد رطوبت طبیعی و مقاومت برشی زهکشی نشده مقایسه شده است. طبق مطالعات ژئوتکنیک اولیه صورت گرفته، لایه سطحی در هر دو پروژه خاک نباتی است که حاوی کمی ماسه می باشد. در زیر این لایه خاک نباتی، خاک رس قرار دارد. دو لایه اول رس های نرم هستند که از نظر کانی شناسی بسیار مشابه هستند، اما به دلیل نوع رسوب ویژگی های ژئوتکنیکی متفاوتی از خود نشان می دهند. در زیر این لایه ها خاک های رسی پیش تحکیم یافته با سختی بیشتر قابل مشاهده است.

حداکثر نشست مشاهده شده در این پروژه در بلوک 37 حدود 36 میلی متر می باشد. در حین گودبرداری توسط پیمانکار تا سطح دال B1، حرکات زمینی قابل توجهی در حین حفاری و اولین بخش حفاری ایجاد شده است. این درحالیست که حسگرهای نصب شده در فواصل 1 و 7 متری از دیواره مقادیر زیر را به عنوان تغییر شکل جانبی در این پروژه ثبت کرده اند.

شکل 2: تغییر شکل جانبی در پروژه بلوک 37

با توجه به شکل 2 می توان دریافت که تغییر شکل جانبی در فاصله 1 متر از دیوار به مراتب بیش از مقادیر ثبت شده در فاصله 7 متری از دیواره است. در پروژه موزه وست پارک مقدار حداکثر نشست، 13 میلی متر اندازه گیری شده است که در مرحله اجرای پایدارسازی تاپ دان رخ داده است.

روند در این داده ها منعکس کننده پاسخ های مورد انتظار برای گودبرداری و پایدارسازی به روش بالا – پایین است. همانگونه که می توان دید، حرکت جانبی بسیار کمی در بالاترین دالی که در سطح زمین ریخته شده است مشاهده می شود. حداکثر حرکات افقی بی بعد شده (عمق گود/حرکت) به ترتیب %0/14 و %0/20 در بخش بلوک 37 و موزه وست پارک می باشد.

پاسخ های وابسته به زمان صفحات کف

دال های بتنی کف در پروژه وست پارک به عنوان مهار جانبی عمل نموده و به عدم تغییر شکل مجموعه در روش تاپ دان کمک می کند. البته با سخت شدن و انقباض بتن، دال ها تحت بار، تغییر شکل خزشی خواهند داشت. در این پروژه تجزیه و تحلیل های لازم برای ارزیابی مقدار این تغییر شکل انجام شده است. در پروژه وست پارک، 88 کرنش سنج در چهار سطح، در پنج نقطه از دال نصب شده است تا این مقدار این تغییر شکل وابسته به زمان اندازه گیری شود. برای نشان دادن تأثیر خواص وابسته به زمان بتن بر روی حرکات جانبی دیوارها، فرآیند اجرای تاپ دان در نرم افزار SAP2000 شبیه سازی شده است. اثرات غیرخطی بتن وابسته به زمان انقباض، خزش و تغییر مدول الاستیسیته با زمان در تحلیل در نظر گرفته شده است. تجزیه و تحلیل به صورت گام به گام و منطبق با ترتیب اجرا روش تاپ دان صورت پذیرفته است. در شکل 4 نمونه ای از مدلسازی انجام شده از زیرزمین اول پروژه وست پارک قابل مشاهده می باشد.

نتایج تجزیه و تحلیل ها در شکل 5 آورده شده است، که در آن تغییر شکل وابسته به زمان محاسبه شده دیوارها در انتهای هر مرحله نصب دال، با کل تغییر شکل جانبی ثبت شده توسط یک شیب سنج در فاصله یک متری از پشت دیوار، مقایسه شده است. بررسی ها نشان می دهد که حدود %40 از حرکات جانبی را می توان به اثرات وابسته به زمان دال های بتنی کف نسبت داد.

نتایج

بر اساس نتایج به دست آمده از داده ها و تجزیه و تحلیل های صورت گرفته، می توان نتایج زیر را در رابطه با این دو پروژه بیان نمود:

1) انتظار می رود پایدارسازی گود به روش ساخت بالا – پایین (تاپ دان) در خاک رس منجر به حرکات افقی بی بعد شده، در حدود 0/15 تا 0/22 درصد شود.

2)  در روش تاپ دان حدود %40 از حرکات جانبی را می توان به اثرات وابسته به زمان دال های بتنی کف نسبت داد.

3) سایر فعالیت های ساختمانی یا روش‌ های مناسب گودبرداری 60 تا 75 درصد از کل تغییر شکل های جانبی را تشکیل می دهد که در طی پیشروی مراحل اجرا نیز افزایش می یاید.

در مجموع پیش بینی می شود که استفاده از روش تاپ دان به دلیل برخورداری از مزایای زیر در سال های آینده به یکی از روش های اصلی در ساخت و ساز تبدیل شود.

• کاهش زمان پروژه به دلیل اجرای همزمان طبقات روسازه و زیرسازه
• ایجاد تغییرمکان ناچیز در ساختمان های همسایه
• عدم وجود محدودیت اجرایی در زمین های با ابعاد و هندسه مختلف
• کاهش حجم عملیات عمرانی و تولید آلودگی کمتر (با توجه به این که بخش عمده ای از کار در فضای زیر سطحی انجام می شود، گرد و خاک و آلودگی صوتی کمتری ایجاد می شود.)
• عدم نیاز به ورود به زمین همسایگان مجاور برای اجرای عملیات پایدارسازی که به تبع کاهش تنش های حقوقی پروژه را به دنبال خواهد داشت.

اهمیت تغییر شکل‌ها در پایداری سازه‌ها در روش تاپ دان

روش تاپ دان (Top-Down) یکی از روش‌های نوین و پرکاربرد در ساخت و سازهای زیرزمینی است که به ویژه در پروژه‌های بزرگ شهری مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش، ساخت سازه از بالا به پایین انجام می‌شود؛ به این معنی که ابتدا طبقات بالایی ساخته شده و سپس به تدریج به سمت طبقات زیرزمینی پیش می‌رود. یکی از چالش‌های اصلی در این روش، کنترل تغییر شکل‌های سازه است که می‌تواند به طور مستقیم بر پایداری کلی سازه تأثیر بگذارد.

اهمیت کنترل تغییر شکل‌ها

تغییر شکل‌های سازه‌ای در پروژه‌های روش تاپ دان به دلایل متعددی اتفاق می‌افتد. این تغییر شکل‌ها ممکن است ناشی از تنش‌های وارد شده بر سازه، نشست خاک، یا تغییرات دما باشد. اگر این تغییر شکل‌ها به درستی پیش‌بینی و کنترل نشوند، ممکن است موجب ایجاد ناپایداری در سازه و حتی آسیب‌های جدی به ساختمان یا سایر سازه‌های مجاور شوند. به همین دلیل، محاسبه و تحلیل دقیق تغییر شکل‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است.

تغییر شکل‌های بیش از حد می‌تواند منجر به ترک خوردگی سازه، نشست‌های غیر مجاز، و کاهش ایمنی کلی ساختمان شود. در پروژه‌های شهری که اغلب با سازه‌های مجاور و محدودیت‌های محیطی همراه است، کنترل این تغییر شکل‌ها اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. در نتیجه، در روش تاپ دان، به‌کارگیری ابزارهای مناسب برای پایش و محاسبه تغییر شکل‌ها نقش حیاتی در پایداری و ایمنی سازه ایفا می‌کند.

ابزارهای محاسبه تغییر شکل‌ها در روش تاپ دان

برای محاسبه و کنترل تغییر شکل‌ها در پروژه‌های تاپ دان، از ابزارها و نرم‌افزارهای مختلفی استفاده می‌شود. این ابزارها به مهندسین کمک می‌کنند تا بتوانند تغییر شکل‌های سازه‌ای را به دقت محاسبه و تحلیل کنند و اقدامات لازم را برای جلوگیری از وقوع تغییر شکل‌های ناخواسته انجام دهند.

1. نرم‌افزارهای تحلیل سازه

نرم‌افزارهای متعددی برای تحلیل و محاسبه تغییر شکل‌ها در پروژه‌های تاپ دان مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخی از این نرم‌افزارها عبارتند از:

• SAP2000: نرم‌افزاری قدرتمند برای تحلیل سازه‌ای که قابلیت تحلیل خطی و غیرخطی تغییر شکل‌ها را دارد.
• ETABS: نرم‌افزار تحلیل و طراحی سازه‌های ساختمانی که می‌تواند برای محاسبه تغییر شکل‌ها در ساختمان‌های بزرگ مورد استفاده قرار گیرد.
• Plaxis: نرم‌افزار plaxis، نرم افزاری تخصصی برای تحلیل ژئوتکنیکی و بررسی تغییر شکل‌های خاک و سازه در پروژه‌های زیرزمینی.

این نرم‌افزارها امکان مدلسازی دقیق رفتار سازه و خاک را فراهم می‌کنند و به مهندسین کمک می‌کنند تا بتوانند پیش‌بینی دقیقی از تغییر شکل‌های احتمالی در طول مراحل مختلف ساخت و ساز داشته باشند.

2. حسگرهای تغییر شکل (Deformation Sensors)

برای پایش تغییر شکل‌های واقعی در طول پروژه، از حسگرهای مختلفی استفاده می‌شود. این حسگرها به صورت مداوم تغییر شکل‌ها را در نقاط مختلف سازه ثبت می‌کنند و اطلاعات دقیقی از تغییرات سازه در طول زمان ارائه می‌دهند.

• اکستنسومترها (Extensometers): این ابزارها تغییر طول یک نقطه مشخص از سازه را اندازه‌گیری می‌کنند و برای اندازه‌گیری تغییر شکل‌های بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• جک‌های هیدرولیکی: این ابزارها به خصوص در پروژه‌های زیرزمینی و حفاری‌ها برای اندازه‌گیری فشارها و تغییر شکل‌های ناشی از آن استفاده می‌شوند.

3. دوربین‌های اپتیکال و لیزری

استفاده از دوربین‌های لیزری و اپتیکال یکی دیگر از روش‌های پیشرفته برای پایش تغییر شکل‌های سازه است. این ابزارها قادرند با دقت بالا تغییرات جزئی در موقعیت سازه را ثبت کنند و به صورت آنی گزارش دهند. همچنین، این سیستم‌ها می‌توانند برای مانیتورینگ سازه در زمان واقعی به کار برده شوند و هرگونه تغییرات غیرطبیعی را به سرعت شناسایی کنند.

.