اجرای سازه نگهبان
سازه نگهبان و انواع آن + مزایا و محدودیت ها
شرکت سازه آفرینان
سازه نگهبان، همانطور که از نام آن پیداست سازه ای است برای محافظت و جلوگیری از رانش خاک در ساختمان. سازه نگهبان انواع مختلفی دارد و در سال های اخیر در اجرای عملیات گودبرداری، مهار کردن دیوارهای مجاور سازه روشی رایج برای ایمن کردن گود رواج یافته است.
خدمات سازه نگهبان ساختمان
سازه نگهبان ساختمان، روشی مطمئن برای ایمن سازی دیوارهای گود و حفظ جان افراد داخل ساختمان است.
سازه نگهبان چیست؟
سازه نگهبان، مجموعه‌ای از اجزای فلزی و غیر فلزی دائم و یا موقتی است که برای پایدارسازی خاک در اطراف گودبرداری استفاده می شود. در برخی موارد از سازه نگهبان به عنوان دیوار حائل یا Retaining Wall یاد می شود. این در حالی است که دیوار حائل، یکی از انواع گوناگون سازه های نگهبان است. اصولاً در اکثر پروژه های ساخت و ساز، زمین به گونه ای گودبرداری می شود که دیوارهای گود، قائم باشند. فشارهایی که بر دیوار گود وارد می شوند عبارتند از:
- رانش خاک
- سرباره های ناشی از ساختمان همسایه
- معابر مجاور
- خاک لبه گود
سازه نگهبان به انگلیسی
سازه نگهبان به انگلیسی (Retaining Structures) گفته می شود که برای جلوگیری از این خطرات احتمالی است که ساختمان را در برابر ریزش خاک مقاوم می کند. به منظور جلوگیری از ریزش ترانشه و تبعات منفی احتمالی ناشی از خاکبرداری ساختمان، سازه‌های موقتی را برای مهار ترانشه اجرا می‌کنند که به آن سازه نگهبان ساختمان می گویند. نکته ی مهمی که باید آن را در نظر داشت این است که علاوه بر مهار کردن دیوارهای مجاور، باید برای نگه داشتن خاک زیر سازه های مجاور گود هم پیش بینی داشته باشید. با اجرای انواع سازه نگهبان ساختمان و با استفاده از روش های مختلف، می توان گود را ایمن کرد.
هدف از استفاده از سازه نگهبان
سازه نگهبان با سه هدف اصلی در ساختمان‌ها مورد استفاده قرار میگیرد:
- حفاظت از جان انسانهای داخل و خارج گود
- حفاظت تجهیزات و اموال داخل و خارج گود
- ایجاد شرایط ایمن به هنگام کار
گودبرداری و سازه نگهبان چه ارتباطی دارند؟
گودبرداری به روند حفاری، برداشت و ایجاد گودال درون زمین گفته می شود. گود برداری به منظور استخراج مواد پرکننده برای خاکریز، حفر ترانشه یا شالوده برای فونداسیون، ساخت زیرزمین، آماده‌سازی محل پی سد، آماده‌سازی پی یا تکیه‌گاه‌های پل و غیره مورد استفاده قرار میگیرد.
سازه نگهبان در گودبرداری
سازه نگهبان، دیوار حائلی است که برای حفظ زمین قبل از گودبرداری ساخته می شود. دیوار با ساختن شمع های اولیه و ثانویه متناوب شکل می گیرد که در آن شمع های ثانویه تا حدی به دو طرف شمع های اولیه بریده می شوند تا یک ساختار غیرقابل نفوذ پیوسته را تشکیل دهند.
طراحی سازه نگهبان
طراحی مناسب دیوار حائل مستلزم ارزیابی موارد زیر است:
- محل سازه نگهبان را انتخاب کنید. حفاری و خاکریزی را به حداقل برسانید.
- ارتفاع و هندسه سازه را تعیین کنید. ارتفاع سازه را در بلندترین موقعیت آن محاسبه کنید.
- الزامات ساختاری را ارزیابی کنید.
- کل ساختار دیوار را محاسبه کنید.
نحوه ی اجرای صحیح انواع سازه نگهبان
اجرای سازه نگهبان در ساختمان ها، باید تحت نظارت مهندسین اجرایی صورت گیرد و تمام عوامل موثر بر آن ها بررسی و ارزیابی شوند. نحوه اجرای این فرآیند گوناگون است. در ادامه به معرفی انواع سازه نگهبان و روش های اجرایی هر کدام از آنها می پردازیم.
در این قسمت به بررسی 5 نمونه رایج از سازه نگهبان می پردازیم. سازه نگهبان بر اساس مصالح و شکل چینش اجزای آن، انواع بسیار متنوعی دارد که هر کدام از آنها، بسته به ویژگی‌های خود، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
1.سازه نگهبان خرپایی (truss retaining structures)
رایجترین سازه نگهبان در گودبرداری های کم عمق سازه نگهبان خرپایی است. تکمیل سازه نگهبان خرپایی، بصورت مرحله ای انجام می شود. به این منظور بایستی ابتدا چاه های کوچکی در محل اعضای قائم خرپا، در مجاورت جداره گود حفر شود. عمق این چاه ها از عمق گود کمی بیشتر است. چرا که برای اجرای شمع انتهای عضو قائم خرپا باید فضایی را در نظر گرفت. پس از آذماتوربندی شمع انتهایی، عضو قائم خرپا درون شمع قرار گرفته و بتن ریزی اجرا می شود.
پس از قرار دادن عضو مایل باید امتداد دیوار گود با یک شیب مطمئن خاک برداری شود. این کار جهت تعبیه فونداسیون عضو مایل انجام میگیرد. در نهایت صفحه ای به نام بیس پلیت (base plate) در محل خاک برداری تعبیه می شود. حال عضو مایل به گونه ای قرار میگیرد که یک سر بروی صفحه و سر دیگر به عضو قائم تکیه کند.
مراحل اجرای سازه نگهبان خرپایی
1) حفر چاه عمودی
2) اجرای عمودی سازه نگهدارنده خرپا
3) اجرای شیبدار سازه نگهدارنده خرپا
4) تکمیل سازه نگهدارنده خرپایی و اجرای توری فولادی و شاتکریت
5) اتصال سازه های نگهدارنده خرپایی توسط مهاربندی
نکتـــــــه:
- سازه نگهبان خرپایی نباید هیچ گونه فاصله ای با خاک داشته باشد چراکه اگر فاصله ای بین خاک و سازه نگهبان خرپایی وجود داشته باشد باعث بی فایده بودن و عدم عملکرد این روش می شود.
- در صورتی که خاک در اثر بارندگی اشباع شود، عملا خاک جاری می شود و سازه نگهبان خرپایی ما عملا تاثیری قابل توجه در پایدارسازی گود نخواهد داشت.
مزایای سازه نگهبان خرپایی
- مناسب برای اکثر گودهای واقع در مناطق شهری
- انعطاف‌پذیری بالا در اجرا
- امکان استفاده مجدد از خرپاها
- سادگی و عدم نیاز به دستگاه‌های مخصوص
معایب سازه نگهبان خرپایی
- سرعت کم‌تر نسبت به روش‌های جدید
- اشغال فضای گود توسط خرپاها
- احتمال نیاز به برداشت دستی بخش از خاک
2.سازه نگهبان سپرکوپی (Sheet Pile Retaining Wall)
یکی از روش‌های پایدارسازی گود با استفاده از مقاطع فولادی، چوبی یا بتن مسلح است. در این روش که به سازه نگهبان سپرکوبی یا سپرگونه معروف است، لبه‌های مقاطع با یکدیگر جفت می‌شوند و سطح لازم برای نگهداری از خاک و دیوارهای گودبرداری را فراهم می‌کنند. از کاربردهای سپرکوبی می‌توان به ساخت دیوارهای حائل، بهسازی خاک، سازه‌های زیرزمینی مثل پارکینگ، و حتی سازه‌های دریایی و غیره اشاره کرد. عملکرد سپرکوبی به پارامترهایی نظیر دائمی یا موقتی بودن سازه نگهبان، شرایط محل اجرا، عمق نفوذ شمع (سپر)، گشتاور خشمی، ماهیت سازه و نوع پایداری مورد نیاز بستگی دارد.
نکتـــــــه:
عملکرد سپرکوبی به پارامترهای زیر بستگی دارد:
- دائمی یا موقتی بودن سازه نگهبان
- شرایط محل اجرا، عمق نفوذ شمع (سپر)
- گشتاور خشمی
- ماهیت سازه و نوع پایداری
مزایای سپرکوبی
- سرعت اجرای بالا به دلیل سبک بودن پروفیل‌ها
- ایمنی مناسب
- انعطاف‌پذیری بالا برای طراحی در طول‌های مختلف
- امکان استفاده مجدد از سپرها
- گزینه مناسب برای اجرای کانال‌هایی با طول زیاد
- نیاز به نگهداری کم در حضور آب
معایب سپرکوبی
- نیاز به تجهیزات مخصوص
- نیاز به نیروی کار ماهر
- مناسب نبودن برای عرض‌های زیاد
- دشوار بودن جانمایی پروفیل‌ها در محیط‌های سنگی یا دارای بولدر
- ایجاد آلودگی صوتی در صورت استفاده از چکش‌های لرزشی
- هزینه‌بر بودن برداشتن پروفیل‌ها به دلیل استفاده از آنها به عنوان سازه‌های نگهبان غیر دائمی
3. سازه نگهبان مهار متقابل (Reciprocal Support یا Braced Cut Support)
برای جلوگیری از تغییر مکان جانبی در گودهایی با عرض کم و در محیط های شهری از سازه نگهبان مهار متقابل که روش پشت بندهای افقی و مایل است، استفاده می شود. در این روش چاه هایی با فاصله مشخص در دو طرف گود حفر می شوند. سپس درون آن ها پروفیل های فولادی H نصب می گردد.
انتهای فوقانی پروفیل ها بالاتر از تراز بالایی گود قرار می گیرد، سپس بخش فوقانی پروفیل قائم با استفاده از تیرها بهم وصل می شود. با این کار دو پروفیل منجر به پایداری یکدیگر می شوند. پس از اجرای این مراحل می توان عملیات گودبرداری را انجام داد. این روش را می‌توان به عنوان ترکیبی از روش سپرکوبی و خرپا در نظر گرفت.
نکتـــــــه:
- این روش را می‌توان به عنوان ترکیبی از روش سپرکوبی و خرپا در نظر گرفت.
- مهار متقابل باید در جهت عمود بر تیر یا خرپاهای متصل شده نیز به صورت مناسب اجرا شود.
مزایای مهار متقابل
- سرعت بالا، هزینه پایین و فضای مورد نیاز کم برای اجرا در گودبرداری‌های کم عرض
- عملکرد مناسب در اجرای کانال‌ها
- موقتی بودن المان‌ها و امکان استفاده مجدد از آنها در گودبرداری‌های دیگر
- امکان اجرای پیوسته عملیات‌های حفاری، نصب المان‌ها و پر کردن فضای پشتی
- عدم تاثیر ریزش‌های موضعی بر روی تمام فرآیندهای گودبرداری
معایب مهار متقابل
- دشوار شدن مهاربندی‌های عرضی یا طولی در گودهایی با طول بیش از 10 متر و عمق زیاد
- نیاز به استفاده از المان‌های بیشتر در خاک‌های سست
4.سازه نگهبان نیلینگ یا میخکوبی (Nailing)
پیاده سازی سازه نگهبان نیلینگ بر مبنای مسلح کردن خاک با استفاده از المان های فولادی انجام می شود. به این ترتیب که ابتدا خاک را تا عمق پایداری که به نوع خاک و موارد دیگری بستگی دارد (بین ۲ تا ۴ متر) به صورت مرحله ای بر می دارند، سپس با استفاده از ماشین حفاری دریل واگن سوراخ های افقی و مایل با شیب حدود ۱۵-۱۰ درصد و با قطر حدود ۱۵-۱۰ سانتی متر در سطح گود به فاصله های ۲ تا ۱ متری به وجود می آورند.
در مرحله ی بعد میلگردهای فولادی از نوع AIII به قطر معمولا ۴۰-۳۲ و یا ۲۸ میلی متر با طول های مشخص در نقشه های اجرایی آماده می شود و انتهای این میلگردها را رزوه می کنند. بعد از نصب اسپیسر (برای قرار گرفتن میخ در سوراخ) و لوله های تزریق از جنس PVC، نیل ها را درون سوراخ ها قرار می دهند. معمولا ۲ عدد لوله ی تزریق روی نیل ها نصب می کنند. یکی از این لوله ها برای تزریق دوغاب و یکی هم برای خالی شدن هوا از داخل سوراخ ها و همچنین برای مشخص کردن، پر شدن داخل نیل ها از دوغاب استفاده می کنند.
نکتـــــــه:
- استفاده از سازه نگهبان نیلینگ، طی دو دهه اخیر در اکثر کشورهای پیشرفته و در حال توسعه به دلیل اقتصادی بودن و مزایای منحصربفرد خود، جهت پایدارسـازی گودبرداری‌ها و همچنین پایدارسازی شیب‌های طبیعی کاربرد وسیعی پیدا کرده است.
- از این روش برای پایدارسازی شیب‌های طبیعی و یا ترانشه‌های مجاور را‌ها، تعریض راه‌ها، گودبرداری در مجاورت سازه‌های موجود، پایدارسازی و مقاوم‌سازی سازه‌های نگهبان قدیمی و … استفاده می شود.
مزایای نیلینگ
- مناسب برای فضاهای محدود با دسترسی دشوار
- کم بودن مصالح مورد نیاز
- کم بودن آلودگی صوتی و اثرات مخرب زیست‌محیطی
- انعطاف‌پذیری و سرعت اجرای بالا
- عدم وجود محدودیت اجرا با توجه به ارتفاع دیواره
- صرفه‌جویی در هزینه، زمان و نیروی کار
معایب نیلینگ
- نامناسب برای زمین‌هایی با سطح آب زیرزمینی بالا
- کاربری کوتاه مدت و غیر دائمی برای خاک‌های حساس و متورم
- احتمال خوردگی میخ‌های فلزی
- نیاز به نیروی کار متخصص و ماهر
5.سازه نگهبان انکراژ (Anchorage)
یکی از روش های بسیار موثر در میان انواع سازه نگهبان در پایدارسازی گودهای عمیق، سازه نگهبان انکراژ نام دارد. این روش که مراحل اجرایی اش تا حدود بسیار زیادی شبیه روش نیلینگ است، با نام های دیگری از جمله دوخت به پشت، میل مهار و استرند نیز شناخته می شود. روش اجرایی این سازه نگهبان به این صورت است که ابتدا به عمق گودبرداری به علاوه عمق نفوذ شمع بتنی انتهای تحتانی، چاه یا گمانه در حاشیه محدوده گودبرداری حفر میشود. سپس به عمق گودبرداری به علاوه عمق نفوذ شمع بتنی انتهای تحتانی، پروفیل‌های H یا I شکل قرارداده می شوند.
پس از آرماتوربندی و شروع عملیات گودبرداری، چاه های مایل در بدنه گودبرداری با قطر 10 تا 15 سانتی‌متر و عمق 5 تا 10 متر حفر میشود. و در انتها قطعات بتن پیش ساخته بین پروفیل‌های قائم قرار می گیرند. و این مراحل برای هرمرحله از گودبرداری تکرار می شود.
مزایای روش انکراژ
- بهبود مشخصات مکانیکی و کاهش رانش خاک
- اشغال فضای بسیار کم داخل گود
- استفاده از خاک موجود برای مهار دیواره‌ها
معایب روش انکراژ
- محدودیت استفاده از این روش در مجاورت ساختمان‌ها، تاسیسات و معابر شهری به دلیل لزوم به کارگیری بدنه خاک مجاور دیواره گود
- زمان‌بر بودن اجرا در پروژه‌های کوچک به دلیل فرآیند مرحله‌ای
- اقتصادی نبودن روش در پروژه‌های کوچک
- نیاز به تجهیزات خاص برای حفر، تزریق، حمل پنل و غیره
- نیاز به نیروی کار ماهر
عوامل موثر بر انتخاب سازه نگهبان موقت
انتخاب نوع سازه نگهبان به پارامترهای مختلفی بستگی دارد که چندتای آن عبارتند از:
- پایداری و زاویه شیب طبیعی (
- نزدیکی گود به سازه‌های مجاور (جاده، تاسیسات، ساختمان)
- سطح آب زیرزمینی
- نوع خاک
- عمق گودبرداری
- زمان خودنگهداری دیواره‌های گود
- فصل اجرا و شرایط جوی
زمان برداشتن سازه نگهبان موقت؟
سازه نگهبان موقت را زمانی می توان برداشت که بخشی از سازه در دست احداث بتواند وزن و رانش خاک را تحمل کند. سازه می تواند دیوار حائل، تمام یا بخشی از قاب ساختمان باشد. باید توجه داشت که در هنگام طراحی ساختمان قاب را برای بارهای مزبور نیز طراحی کنیم.
نقش مهندس ناظر در اجرای سازه نگهبان و گودبرداری
شناسایی ترک های به وجود آمده در خاک و کنترل افزایش عرض ترک ها، از جمله وظایف مهم مهندس ناظر در اجرای سازه نگهبان است. باید توجه داشت که خاک، ناگهان و یکباره گسیخته نمیشود، به همین دلیل باید به نشانه های فرار خاک از زیرسازه که منجر به گسیختگی خاک می شود، توجه داشت. منظور از گسیختگی خاک، ایجاد ترک ها و افزایش عرض آن ها به همراه پوسته پوسته شدن خاک است.