3171  

طراحی شمع

شمع ها اعضایی از جنس فولاد، بتن، بتن مسلح و چوب می باشند که در صورت مناسب نبودن ظرفیت باربری زمین برای استفاده از شالوده های سطحی، از آنها برای ساخت شالوده های عمیق یا همان شالوده های شمعی استفاده می شود. مخارج احداث شالوده های شمعی خیلی بیشتر از شالوده های سطحی است. علی رغم مخارج بیشتر، در عمل موارد متعددی وجود دارد که برای ایمنی ساختمان در مقابل نشست و عوامل دیگر، از شالوده های شمعی استفاده می شود.در ادامه  برخی از مواردی که ناچار به استفاده از شمع هستیم را بررسی می کنیم. وقتی که لایه یا لایه های فوقانی خاک دارای قابلیت فشردگی زیاد و یا خیلی ضعیف باشند، به طوری که نتوان از شالوده های سطحی برای توزیع بار ساختمان استفاده کرد، شالوده های شمعی برای انتقال بار به لایه های تحتانی محکمتر و یا سنگ بستر مورد استفاده قرار می گیرند. وقتی که بستر سنگی و یا لایه های محکمتر تحتانی در عمق معقولی از سطح زمین قرار نداشته باشد، از شمع برای انتقال تدریجی بار استفاده می شود. در این حالت بیشتر مقاومت شمع از طریق نیروی اصطکاک بین سطح تماس شمع و خاک ( مقاومت جلدی) تامین می شود. اگر شمع ها تحت نیروی افقی قرار گیرند، در حالی که هنوز قابلیت حمل بارهای قائم را دارا هستند، می توانند به وسیله خمش، نیروهای افقی را حمل کنند. این وضعیت اغلب در شالوده سازه های حایل خاک که وظیفه آنها مقاومت در مقابل فشار جانبی خاک است و یا ساختمان های بلند که تحت تاثیر نیروهای باد یا زلزله قرار دارند، پیش می آید. در خیلی از موارد، در منطقه مورد نظر برای احداث ساختمان با خاک قابل تورم و یا فروریزشی روبرو می شویم. این لایه ها ممکن است دارای عمق قابل توجهی باشند. خاکهای قابل تورم در اثر افزایش یا کاهش میزان رطوبت، تورم و یا کاهش حجم پیدا می کنند. فشار تورم چنین خاکهایی ممکن است به طرز قابل توجهی زیاد باشد. اگر در چنین خاکهایی از شالوده های سطحی استفاده شود، ساختمان ممکن است با صدمات جدی روبرو شود. در این حالت شالوده های شمعی که از لایه قابل تورم عبور کرده و وارد لایه پایدار شده اند، می توانند مورد توجه قرار گیرند. خاکهایی نظیر ماسه بادی دارای طبیعت فروریزشی هستند. وقتی که چنین خاکهایی تحت افزایش رطوبت قرار گیرند، اسکلت خاک می تواند دچار شکست گردد. یک کاهش ناگهانی در نسبت تخلخل خاک، باعث نشست زیاد سازه ای می شود که توسط شالوده سطحی حمل می شود. در چنین حالاتی، شالوده شمعی که از لایه سست عبور کرده و وارد لایه پایدار زیر آن شده، می تواند به عنوان راه حل مساله مورد توجه قرار گیرد. شالوده بعضی از سازه ها، نظیر خطوط انتقال برق، اسکله ها، شالوده های گسترده در زیر آب زیرزمینی، تحت تاثیر نیروی برکنش (اپلیفت) قرار دارند. در بعضی مواقع برای مقابله با نیروی برکنش از شالوده های شمعی استفاده می شود. به خاطر وجود مساله آب شستگی و فرسایش در محل پایه های پل، این پایه ها اغلب در روی شالوده های شمعی احداث می شوند. اگرچه در گذشته تحقیقات متعددی به صورت نظری و عملی برای پیش بینی رفتار و ظرفیت باربری شالوده های شمعی در خاکهای چسبنده و دانه ای انجام شده است، لیکن مکانیسم کار هنوز به طور کامل فهمیده نشده و ممکن است هیچوقت هم فهمیده نشود.


 

بر حسب شرایط تحت الارضی، سطح آب زیرزمینی، نوع باری که باید حمل شود، انواع مختلفی از شمع ها در کارهای ساختمانی مورد استفاده قرار می گیرد. شمع ها بر حسب مصالحی که از آن ساخته می شوند، دارای انواع زیر هستند: 1- شمع های فولادی 2- شمع های بتنی 3- شمع های چوبی 4- شمع های مرکب




 

انواع معمول شمع های فولادی، شمع های لوله ای و شمع های H می باشند. شمع های لوله ای نیز در دو حالت انتهای بسته و انتهای باز به زمین کوبیده می شوند. هرچند که از تیرآهن های I و بال پهن نیز می توان برای شمع کوبی استفاده کرد، لیکن تیرآهن ها با نیمرخ H به علت مساوی بودن ضخامت بال و جان معمولا ترجیح داده می شوند. در نیمرخ های بال پهن و نیمرخ های بال پهن و نیمرخ های I، ضخامت جان معمولا کوچکتر از ضخامت بال می باشد. در صورتی که طول مورد نیاز برای شمع بزرگتر از طول یک شاخه شود، شمع های فولادی را به وسیله پیچ و یا پرچ و جوش به یکدیگر وصله می کنند. وقتی که انتظار لایه ای سخت نظیر شن متراکم، شیل و سنگ نرم می رود، در نوک شمع فولادی از کفشک استفاده می شود. در زمین های باتلاقی، خاکهای نباتی، مناطق ساحلی و سایر خاکهای خورنده، املاح خاک و آب می توانند شمع های فولادی را تحت حملات شیمیایی قرار داده و خوردگی ایجاد نمایند. خاکهایی که PH آنها از 7 بزرگتر است، خورنده نیستد. برای جبران کردن کاهش ضخامت به علت خوردگی، علاوه بر ضخامت محاسباتی، معمولا یک ضخامت اضافی در نظر گرفته می شود. برای جلوگیری از خوردگی، در روی شمع ها می توان از یک لایه پوشش اپوکسی استفاده کرد. این پوشش که در کارخانه روی شمع ها زده می شود، در هنگام حمل و نقل کوبیدن شمع، به سختی آسیب پذیر است. گاهی مواقع برای جلوگیری از خوردگی شمع فولادی، از پوشش بتنی استفاده می شود. استفاده از حفاظت کاتودیک روش مطمئنی برای جلوگیری از خوردگی شمع است.
 

در عمل، شمع های بتنی به دو صورت مورد استفاده قرار میگیرند: الف- شمع های پیش ساخته ب- شمع های درجا ریز. شمع های پیش ساخته را می توان با استفاده از میلکردهای معمولی ساخت. مقطع آنها به صورا مربعی یا هشت ضلعی است. میلگردها به منظور مقاوم نمودن شمع در مقابل خمش تولید شده در هنگام حمل و نقل، بلند کردن و اعمال نیروی جانبی به شمع و همچنین افزایش مقاومت فشاری، مورد استفاده قرار می گیرند. شمع های پیش ساخته در طول مورد نظر ساخته شده و تحت شرایط مرطوب به عمل می آیندتا به مقاومت مورد نظر برسند. پس از آن به محل کوبیدن حمل می شوند. شمع های پیش ساخته را می توان با استفاده از کابلهای پیش تنیدگی پرمقاومت، به صورت پیش تنیده در آورد. مقاومت نهایی کابل های پیش تنیدگی در حدود 1800 نیوتون بر میلی متر مربع (مگا پاسکال) (مساوی 18000 کیلوگرم بر سانتی متر مربع) می باشد. برای ساخت شمع های پیش تنیده، کابلها تا تنش 900 تا 1300 نیوتون بر میلیمتر مربع درون قالب کشیده می شوند و سپس درون قالب با بتن پر می شود. بعد از عمل آوردن بتن، کابلهای پیش تنیدگی بریده می شوند که در نتیجه یک نیروی فشاری به مقطع شمع اعمال می شود. شمع های بتنی درجاریز بدین صورت اجرا می شوند که ابتدا چاهی در زمین به وسیله دست با ماشین حفر می شود و سپس قفس آرماتورها درون چاه قرار داده شده و داخل آن با بتن پر می شود. امروزه شمعهای درجا به روش ها و انواع مختلف اجرا می شوند و اکثر آنها در انحصار شرکت خاصی که ابداع کننده اولیه آنها می باشند، قرار دارند.
شمع های درجاریز در دوگروه اصلی جای می گیرند: 1- با غلاف 2- بدون غلاف. هر دو گروه می توانند دارای نوک پهن شده (پداستال) باشند. شمعهای درجاریز غلافدار بدین صورت اجرا می شوند که ابتدا یک لوله فولادی به زمین کوبیده شده و پس از رسیدن به عمق مورد نظر، مصالح داخل آن خالی شده و داخل لوله پر از بتن می شود. لوله را می توان با قرار دادن یک سنبه در داخل آن کوبید و پس از رسیدن به عمق مورد نظر، سنبه را خارج کرد. برای اجرای شمع بدون غلاف، ابتدا در زمین کوبیده شده و سپس همزمان با بتن ریزی در داخل غلاف، غلاف به تدریج به بیرون کشیده می شود.

 

شمع های چوبی تنه های درخت های سالم، صاف و بلند می باشند که شاخ و برگ آن زده شده و سطح آن پس از کندن پوست، به دقت تراشیده شده است. حداکثر طول اغلب شمع های چوبی بین 10 تا 20 متر می باشد. چوبی که از آن به عنوان شمع استفاده می شود باید مستقیم، بدون درز و ترک و سالم باشد. انجمن آمریکایی مهندسان عمران در دستورالعمل اجرایی شماره 17 (1959)، شمعهای چوبی را به سه کلاس زیر تقسیم بندی می کند:
1- شمعهای کلاس A : این شمع ها بارهای سنگین را حمل می کنند. حداقل قطر سر چنین شمعهایی 350 میلیمتر می باشد.
2- شمعهای کلاسB : این شمع ها بارهای متوسط را حمل می کنند. حداقل قطر چنین شمع هایی بین 305 تا 330 میلیمتر می باشد.
شمع های کلای C : این شمع ها برای کارگاهی ساختمانی موقت استفاده می شود. وقتی که تمام طول شمع در داخل سفره آب زیرزمینی قرار داشته باشد، از این شمع ها می توان برای حمل بارهای دائمی استفاده کرد. حداقل قطر سر این شمع ها 305 میلیمتر می باشد.
در هیچ حالتی قطر سر شمع نباید کمتر از 150 میلیمتر باشد.
شمع های چوبی نمی توانند تنش های حاصل از کوبیده شدن در لایه های سفت را تحمل کنند. بنابراین ظرفیت آنها معمولا به 200 تا 270 کیلونیوتن محدود می شود. برای اینکه در حین کوبیدن نوک شمع صدمه نبیند، می توان از کفشک های فولادی استفاده کرد. در حین کوبیدن، بالای شمع نیز ممکن است آسیب ببیند. خرد شدن الیاف چوبی به علت ضربه چکش، برومینگ نامیده می شود. برای جلوگیری از آسیب رسیدن به بالای شمع، می توان از سرپوش های فولادی استفاده کرد. از وصله شمع های چوبی باید اجتناب کرد. به خصوص وقتی که شمع نیروی کششی یا جانبی حمل کند. در صورتی که وصله شمع چوبی اجتناب ناپذیر باشد، می توان با استفاده از غلاف های فولادی و تسمه های فولادی انجام داد. طول غلاف فولادی حداقل باید 5 برابر قطر شمع باشد. در محل وصله، انتهای شمع ها باید به صورت گونیا بریده شود تا تماس حاصل بین دو قطعه تامین شود. محل وصله باید به دقت تراشیده شود به طوری که به صورت محکم و کیپ در غلاف فولادی جای بگیرد. همچنین سطوح جانبی در محل وصله نیز باید به قدری تخت شود تا تسمه کاملا به چوب بچسبد. اگر شمع چوبی در خاک کاملا اشباع کوبیده شود، عمر آن تقریبا بی نهایت خواهد بود. لیکن در آب و هوای دریایی، شمع های چوبی تحت حملات ارگانیسمهای مختلف قرار گرفته وظرف چند ماه صدمات جدی در آنها ظاهر می شود. شمع چوبی در بالای سطح آب زیر زمینی، تحت حملات حشرات قرار می گیرند. با انجام بعضی اصلاحات، مثلا محافطت آنها توسط روغن کروزوت می توان عمر آنها را افزایش داد.
 

در شمع های مرکب، قسمتهای فوقانی و تحتانی شمع از دو مصالح مختلف ساخته می شوند. به عنوان مثال، شمع های مرکب ممکن است از فولاد و بتن ویا چوب و بتن ساخته شوند. شمع های مختلط فولاد و بتن مرکب از قسمت تحتانی فولاد و قسمت فوقانی بتن درجا می باشند. این نوع شمع وقتی مورد استفاده قرار می گیرد که طول شمع لازم برای تامین ظرفیت باربری از ظرفیت شمع بتنی درجای ساده تجاوز کند. شمع های مختلط چوب و بتن دارای قسمت تحتانی چوبی می باشند. که به طور دائم در سفره آب زیرزمینی قرار دارد و قسمت فوقانی آنها از بتن است. در هر صورت ایجاد وصله در محل تلاقی دو مصالح مشکل بوده و به همین علت است که شمع های مختلط دارای کاربرد وسیعی نمی باشد.
 

انتخاب نوع شمع و تخمین طول لازم برای آن کار نسبتا مشکلی است و احتیاج به قضاوت مهندسی قوی دارد. علاوه بر طبقه بندی بخش قبل، برحسب طول و مکانیسم انتقال بار به خاک، شمع ها را می توان به سه گروه عمده تقسیم کرد. این گروه ها عبارتند از: (الف) شمع اتکایی، (ب) شمع اصطکاکی، (پ) شمع تراکمی
 

اگر بستر سنگی و یا لایه شبیه سنگ (خیلی متراکم) در عمق منطقی قرار داشته باشد، شمع را می توان تا آن لایه ادامه داد. در این حالت ظرفیت باربری شمع کاملا بستگی به ظرفیت باربری بستر سنگی در مقابل نوک شمع خواهد داشت. به همین علت به این شمع ها، اتکایی می گویند. در چنین حالتی با توجه به معلوم بودن عمق بستر سنگی از روی گمانه های حفر شده، تعیین طول شمع کار چندان مشکلی نخواهد داشت. اگر به جای بستر سنگی، یک لایه سخت و نسبتا متراکم در عمق منطقی قرار داشته باشد، شمع را می توان چند متر در لایه سخت ادامه دارد.
 

در صورتیکه عمق بستر سنگی یا لایه شبیه به سنگ زیاد باشد، طول لازم برای شمع اتکایی غیراقتصادی خواهد شد. در چنین شرایطی شمع به عمق مناسبی در لایه نرم فوقانی بدون اینکه به لایه سخت برسد، کوبیده می شود. انتخاب نام اصطکاکی برای این شمع ها، از آنجا ناشی می شود که اکثرا مقاومت آنها به وسیله اصطکاک جدار تامین می شود. البته این اسم بعضی مواقع می تواند گمراه کننده باشد، زیرا مقاومت شمع هایی که در لایه رسی کوبیده می شوند، بستگی به چسبندگی بین جدار شمع و رس دارد. طول لازم برای شمع اصطکاکی بستکی به مقاومت برشی خاک، بار وارده و اندازه شمع دارد. برای تعیین طول لازم برای شمع احتیاج به درک خوبی از اندرکنش خاک شمع، قضاوت مهندسی، و تجربه است.
 

در بعضی موارد خاص، شمع ها بدین منظور در لایه های دانه ای کوبیده می شوند که تراکم خوبی در لایه سطحی خاک به وجود آید. این شمع ها به شمع های تراکمی موسوم هستند. طول شمع های تراکمی به عوامل زیر بستگی دارد:
الف- تراکم نسبی خاک قبل از تراکم    ب- تراکم نسبی مورد نیاز بعد از تراکم    پ- عمق لازم برای تراکم