Foundation Design: Principles and Practices (Donald P. Coduto)

طراحی پی ها: قواعد و اجرا، کتابی است که در ابتدا با قصد ارائه یک واحد درسی برای درس مهندسی پی برای استفاده دانشجویان در سطح کارشناسی و تحصیلات تکمیلی ارائه شد. این کتاب همچنین، به عنوان کتابی مرجع برای مهندسین اجرایی مناسب است. همان طور که از عنوان کتاب بر می آید، این کتاب هم «قواعد»، (مبانی اساسی مهندسی پی) و هم «اجرا» (کاربرد این مبانی در کارهای عملی مهندسی) را پوشش می دهد. خوانندگان باید حتما حداقل یک واحد دانشگاهی از درس مکانیک خاک را گذرانده باشند و حتما شناختی از مهندسی سازه داشته باشند.

برخی ویژگی های کلیدی کتاب شامل موارد زیر می شود:

• ادغام با دیگر کتاب این نویسنده (Geotechnical Engineering: Principles and Practice) شامل نمادگذاری ثابت و مشخص، واژه شناسی، روش های تحلیل و توسعه هماهنگ موضوعات. با این حال، مخاطبانی که از طریق کتاب دیگری قدم در راه مهندسی ژئوتکنیک گذاشته اند، به راحتی با مطالعه مطالب فصل 3 و 4، می توانند از این کتاب نیز استفاده کنند.
• در نظر گرفتن جنبه های ژئوتکنیکی، سازه ای و مهندسی ساخت و ساز در فرآیند طراحی، با تاکید بر مسئولیت هر گرایش و روابط متقابل موجود میان آنها.
• بحث های مکرر بر روی منابع و میزان تقریبی عدم اطمینان، در کنار انجام مقایسه بین رفتار پیش بینی شده و واقعی.
• استفاده از هر دو واحد انگلیسی و استاندارد SI، چرا که مهندسان در شمال آمریکا و بسیاری از بخش های دیگر جهان نیاز  است که با هر دوی آن ها آشنا شوند.
• ادغام صفحات گسترده تازه توسعه یافته بر پایه نرم افزار Excel برای تحلیل و طراحی پی. فایل های این صفحات را می توان از وبگاه Prentice Hall با نشانی www.prenhall.com/coduto دریافت کرد. استفاده از این فایل ها فقط پس از آموختن نحوه انجام تحلیل به وسیله محاسبات دستی، توصیه می شود.
• استفاده گسترده از مثال که بسیاری از آنها در ویرایش جدید به تازگی آورده شده است.
• قرار دادن مسائل و تکالیف به دقت طراحی شده در سراسر فصل، به همراه مسائل جامع در پایان هر فصل. بسیاری از این مسائل جدید و یا تصحیح شده است.
• بحث در مورد پیشرفت های اخیر در مهندسی پی، شامل تست استاتنامیک، طراحی بر اساس ضرایب بار و مقاومت (LRFD) و استفاده از آزمایش نفوذ مخروط (CPT).
• قرار دادن مراجع کتاب شناسی برای افرادی که می خواهند موضوع به خصوصی را با جزئیات بیشتر بررسی کنند.

چه چیزی در ویرایش سوم کتاب طراحی پی ها: قواعد و اجرا جدید است.

این ویرایش جدید، پیشرفت ها در نظریه و اجرا را در طول سیزده سال گذشته، پیشنهادات سازنده دریافت شده از جانب مخاطبان، همین طور تجربیات استفاده از این کتاب در تدریس واحد درسی مهندسی پی در طول دوره کارشناسی و تحصیلات تکمیلی را منعکس می کند. به عنوان بخشی از این به روز رسانی، برخی از فصل ها حذف شده است، برخی دیگر اضافه شده است و اکثر کتاب نیز دوباره سازمان دهی شده است. تقریبا همه صفحات اصلاحاتی را داشته است.

فراگیرترین و بیشترین تغییرات مربوط به افزایش تاکید بر طراحی شرایط حدی و قرار دادن طراحی بر اساس ضرایب بار و مقاومت (LRFD) در هر دو جنبه سازه ای و ژئوتکنیکی فرآیند طراحی و تحلیل می شود. این تغییرات، استفاده گسترده تری از طراحی شرایط حدی در قسمت اجرایی کارهای مهندسی، به عنوان مثال آیین نامه AASHTO در شمال آمریکا و دیگر آیین نامه ها در سراسر جهان را منعکس می کند. طراحی به روش تنش مجاز (ASD) نیز همچنان در کتاب طراحی پی ها: قواعد و اجرا حفظ شده است چرا که کماکان از  این روش به طور گسترده استفاده می شود. دیگر تغییرات قابل بیان شامل موارد زیر می شود:

• فصلی جدید در مورد عدم اطمینان در مهندسی پی.
• روش های طراحی که تاکید بیشتری بر تمایز میان حالت حدی بهره برداری و حالت حدی نهایی قائل می شود.
• افزایش پرداختن به شمع های مارپیچ، با قرار دادن یک فصل جدید در مورد طراحی برای بار محوری، که پیشرفت ها در این تکنولوژی را منعکس می کند.
• یک فصل کاملا اصلاح شده در مورد دینامیک شمع ها با مطالب عمیق تر در مورد تحلیل معادله موج و یک بخش جدید در مورد آزمایش بار ضربه ای.
• ادغام بهتر با نرم افزارهای فراوان موجود. به عنوان مثال، فصلی که مربوط به بارگذاری جانبی شمع است، در حال حاضر بر پایه فرض بر این که مخاطب به نرم افزارهای تحلیل بارگذاری جانبی دسترسی دارد، ارائه شده است.
• یک فصل جدید در مورد حالت حدی بهره برداری در شمع ها.
• فصل های جدید در پی ها بر روی سنگ و مصالح ژئوتکنیکی میانی و بهسازی خاک ارائه شده است.
• تعداد زیادی مثال، مسئله و تکلیف جدید و به روز رسانی شده نیز ارائه شده است.

سازندگان، مدت زیادی است که به اهمیت پی صلب پی برده اند و همچنین این که تمامیت و یکپارچگی یک سازه نمی تواند مهم تر از بی نقصی پی آن باشد. اگر پی یک ساختمان گسیخته شود، سازه روی آن نیز فرو خواهد ریخت. این واقعیت ها مخصوصا در منطقه پالادیو در ونیز عصر رنسانس مشهود است که در این منطقه سازه های بنایی سنگینی بر روی جزیره هایی کوچک در مرداب که لایه های زیرین آن، از خاک نرم تشکیل شده، ساخته شده است. به علاوه، همان طور که در پالادیو نیز مشاهده شد، رفع نقایص موجود در پی ها، پس از ساخت سازه ها بسیار دشوار است. بنابراین، طراحی خوب و اجرای مناسب پی ها، یک بخش ضروری در ساخت موفق سازه هاست.

با این حال، ساخت پی ها می تواند بسیار پر هزینه هم باشد، بنابراین طراحی دست بالای پی ها غیر سودمند است و منجر به هدر رفتن منابع نیز می شود. هدف کتاب طراحی پی ها: قواعد و اجرا، ارائه پی هایی است که به اندازه کافی برای محافظت از سازه محکم باشد و همچنین از هدر رفت هزینه ها در اثر طراحی دست بالا جلوگیری کند. روش های انجام این کار، موضوع این کتاب را شکل می دهد.

دسته بندی پی ها

پی ها، المان های سازه ای هستند که بار را از سازه بالایی به لایه خاک زیرین منتقل می کنند. یک سازه ممکن است بر روی مجموعه ای از پی های تکی و یا یک پی تک بزرگ بنا شود. مهندسان، پی ها را به دو دسته بندی کلی تقسیم می کنند: پی سطحی و پی عمیق.

پی های سطحی، بارهای سازه ای را دقیقا به خاک زیر پی منتقل می کنند که در فصل های 6 تا 11 به آنها پرداخته شده است. نوع معمول این نوع پی، پی نواری (spread footing) است که بار وارده را در یک محوطه بزرگ پخش می کند تا تنش خاک را در یک محدوده قابل تحمل نگه دارد. ساخت پی های نواری ساده و کم هزینه است و معمولا برای سازه های کوچک تا ابعاد متوسط در محل هایی با شرایط خاک خوب اجرا می شوند. به طور معمول، هر ستون بر روی یک پی نواری قرار می گیرد، اگرچه گاهی اوقات چند ستون با فاصله نزدیک به هم، بر روی یک پی ساخته می شود. بنابراین، یک سازه ممکن است تعداد فراوانی پی نواری تک داشته باشد.

نوع دوم پی های سطحی، پی های گسترده (mat foundation, raft foundation) هستند که معمولا تمام سطح زیرین سازه را در بر می گیرند. این نوع پی ها، از نظر پیوستگی سازه ای و صلبیت آن و پخش بار در محوطه وسیع، نسبت به نوع قبلی برتری دارد.

بر خلاف پی های سطحی، پی های عمیق، همه یا بخشی از بار وارده را به لایه های عمیق خاک منتقل می کنند که در فصل های 12 تا 24 در مورد آن ها بحث شده است. شمع ها اعضای سازه ای باریک و بلندی هستند که هم می توانند به صورت قطعات پیش ساخته و به وسیله کوبش و هم به شکل در جا و در محل اجرا شوند. کیسون ها، جعبه های بزرگ پیش ساخته هستند که در محل مورد نظر فرو برده می شوند و به وسیله بتن پر می شوند تا پی مورد نظر را شکل دهند. به طور کلی ظرفیت باربری خاک با حرکت در عمق، افزایش می یابد و پی های عمیق با حجم بسیار بیشتری از خاک درگیر می شوند، بنابراین از این پی ها معمولا برای سازه های بزرگتر و همچنین سنگین تر استفاده می شود به خصوص در شرایطی که پی سطحی جوابگو نیست.

مهندس پی به چه کسی گفته می شود؟

• مهندس پی، به طور کامل در زیر شاخه به خصوصی از زیر شاخه های سنتی مهندسی عمران قرار نمی گیرد. برعکس، مهندسی پی یک تخصص چند شاخه ای است و نیازمند دارا بودن اطلاعات و شناخت هایی در زمینه های زیر است:

• مهندسی سازه: پی یک المان سازه ای است که باید قادر باشد که بار وارده را منتقل کند، بنابراین مهندس پی باید قواعد و کارهای اجرایی مهندسی سازه را بفهمد. به علاوه، پی یک سازه را نگهبانی و محافظت می کند، پس یک مهندس پی منابع و طبیعت بارهای سازه ای و تاب آوری سازه از حرکت پی را باید درک کند.

• مهندسی ژئوتکنیک: تمام پی ها با خاک، اندرکنش می کنند بنابراین طراحی باید ویژگی های مهندسی و رفتار خاک و سنگ مجاور را منعکس کند. بنابراین، مهندس پی باید مهندسی ژئوتکنیک را درک کند. همچنین بسیاری از مهندسان پی، خودشان را یک مهندس ژئوتکنیک در نظر می گیرند.

• مهندسی ساخت: در نهایت، پی ها باید ساخته شوند. اگرچه ساخت و ساز اصلی توسط پیمانکاران و مهندسان ساخت انجام می شود، بسیار مهم است که مهندس طراح درک کاملی از روش ها و تجهیزات ساخت داشته باشد تا طرحی ارائه دهد که از نظر اقتصادی و اجرایی قابل انجام باشد. همچنین داشتن دانش و اطلاعات در این قسمت، پیش زمینه لازم را هنگام حل مشکلاتی که در طول ساخت و ساز ایجاد می شود فراهم می کند.

کتاب طراحی پی ها: قواعد و اجرا در ابتدا بر طراحی پی ها تمرکز می کند، بنابراین بر جنبه های سازه ای و ژئوتکنیکی تاکید می کند. بحث در مورد روش ها و تجهیزات ساخت و ساز به آن جنبه هایی که برای مهندسان طراح مهم است محدود می شود. دیگر جنبه های مهم از ساخت پی ها که در درجه اول مورد علاقه پیمانکاران است، خارج از محدوده این کتاب  است.