پایگاه علمی سعید سان دانلود رایگان مقالات علمی کنفرانس و ژورنال
انواع شمع و سپر
استعمال شمع جهت انتقال بار ساختمان به زمین احتیاج به تجربیات و اطلاعات فنی کافی در مورد طرز تهیه و کوبیدن شمع‌ها یا ساختن شمع در محل از طرف مسئولین طرح و اجراکنندگان دارد. مهندس طراحی و محاسب باید از خواص انواع شمع و سپر، طرز اجرای آنها و نحوه انتقال بار هر نوع شمع به زمین‌های مختلف و غیره اطلاعات کافی دارا باشد. و با در نظر گرفتن تمامی جوانب فنی و اقتصادی برای هر ساختمان یک راه حل مناسب جهت انتخاب انواع شمع و سپر پیشنهاد نماید.
انواع شمع‌ها
شمع‌ها بر سحب طرز تهیه و کار گذاشتن در محل مورد نظر به سه دسته تقسیم می‌شوند.
شمع‌های پیش ساخته
این شمع‌ها در تمام طول شمع یا قسمتی از طول شمع قبلاً ساخته شده و بعداً به کمک ضربه زدن، لرزاندن، فشار دادن یا چرخاندن در زمین کوبیده می‌شوند و در سوراخ‌هایی که قبلاً تعیبه شده‌اند قرار می‌گیرند.
شمع‌های ساخته شده در محل
این شمع‌ها در سوراخ‌های یا چاه‌هایی که در محل شمع به وسیله کوبیدن یک لوله فلزی یا به وسیله حفاری ایجاد می‌شوند ساخته و با ریختن تدریجی شمع لوله بیرون کشیده شده یا آنکه با شمع در زمین باقی می‌ماند.
نوع مختلط
این شمع‌ها ترکیبی از دو نوع شمع اول و دوم هستند. مصالح ساختمانی شمع‌ها عبارتند از چوب، فولاد، بتن، بتن فولادی و بتن پیش تنیده است. شمع‌ها از نظر طرز انتقال بار وارده بر شمع به زمین به دو دسته تقسیم می‌شوند.
شمع‌های ایستایی
این شمع‌ها قسمت اصلی بار را به وسیله فشار وارده از پای شمع به زمین منتقل مینمایند و اصطکاک بدنه شمع با زمین تاثیر زیادی در انتقال بار به زمین ندارد.
شمع های اصطکاکی
این شمع ها قسمت عمده بار را به وسیله اصطکاک محیط خارجی بدنه شمع با زمین به قشرهای مختلف زمین منتقل مینمایند.
شمع‌های پیش ساخته
این شمع‌ها از چوب فولاد بتن فولادی و بتن پیش تنیده ساخته می‌شوند.
شمع‌های چوبی
جنس چوب بایستی سالم و بدون زائده‌های مضر باشد. شمع باید مستقیم بوده و تغییرات قطر آن در طول شمع تدریجی یعنی حدود یک سانتیمتر در متر طول باشد. قطر متوسط شمع بایستی متناسب با طول شمع باشد. سر شمع باید به وسیله سرپوش یا حلقه حفاظت شود که در موقع کوبیدن شمع شکاف نخورد. در صورتیکه سر شمع در موقع کوبیدن شکاف بخورد بایستی قسمت شکاف خورده را قطع نمود، شمع‌هایی که در تمام طول شکاف خورده‌اند قابل استفاده نیستند. در مورد ساختمان‌های غیر موقت فقط در صورتی میتوان شمع چوبی استعمال نمود که امکان تاثیر آفات چوب در محل شمع کوبی موجود نباشد و شمع در تمام طول خود همواره در آب قرار گیرد. در غیر این صورت باید حفاظت لازم به عمل آید. در محل‌هایی که سطح آب در زمین متغیر باشد دوام شمع‌های چوبی محدود است و باید برای دوام بیشتر چوب را به وسیله مواد مناسبی که تا عمق چوب تاثیر داشته باشند حفاظت نمود. سر شمع چوبی معمولاً باید نوک تیز تراشیده شود.
شمع‌های فلزی
این شمع‌ها از پروفیل‌های فلزی یا لوله‌های فلزی هستند. ضمناً از ترکیب و جوش کردن پروفیل‌های فلزی با یکدیگر شمع‌های فلزی را به صورت صندوقه‌ای هم میتوان به کار برد. نوع فولاد شمع‌های معمولاً فولاد ۳۷ است. شمع‌های فلزی تا حد امکان باید در تمام طول یکپارچه باشد. در صورتیکه طول شمع کافی نباشد باید دو قطعه شمع کاملاً در امتداد همدیگر و محور هر دو قطعه دقیقاً روی یک خط قرار گیرد و محل اتصال باید طوری به هم جوش یا وصله شود که مقاومت قسمت وصله شده از مقاومت قسمت‌های دیگر شمع کمتر نباشد. بعضی اوقات برای انتقال بهتر بار شمع به زمین قطعات تقویتی به پروفیل‌های فلزی جوش میشود. این قطعات باید به طور متقارن نسبت به محور پروفیل قرار گیرند جوش آنها ممتد باشد.
در مورد شمع‌های فلزی خطر زنگ زدن موجود است. بنابراین در محل‌هایی که خطر زنگ زدن شمع‌ها موجود است باید آنها ار حفاظت نمود. پوشاندن سطوح خارجی شمع به وسیله رنگ و غیره فقط در صورتی موثر است که در اثر کوبیدن، حمل و غیره صدمه نبیند. در مورد شمع‌های اصطکامی باید دقت نمود که رنگ یا حفاظت‌های دیگر سطحی (که اصطکاک شمع‌ها را با زمین تقلیل می‌دهد) استعمال نشود.
شمع بتن مسلح
شمع‌های بتن مسلح با مقطع مربع، مربع مستطیل یا پروفیل‌های دیگر است و برای شمع‌های طویل با مقاطع بزرگ شکل دایره‌ای با مقطع توخالی هم ساخته میشود. طول قسمت نوک تیز پای شمع باید حدود ۱/۳ برابر قطر شمع باشد. این شمع‌ها باید برای مراحل مختلف زیر محاسبه شود.
- وضع شمع در موقع انبار کردن و روی هم چیدن آنها
- در موقع حمل از انبار به محل شمع کوبی
- در موقع بلند کردن شمع در محل شمع کوبی
- موقع کوبیدن شمع
- انتقال بار ساختمان روی شمع به زمین
شمع بتن پیش تنیده
این شمع‌ها دارای مقاطعی نظیر شمع‌های بتن مسلح بوده و میتوانند در کارخانه یا در کارگاه ساخته شوند. فشار روی بتن می‌تواند قبل یا بعد از گرفتن بتن انجام شود. علاوه بر فولاد جهت فشردن بتن، فولاد معمولی هم باید در دو سر شمع به کار رود. فشردن بتن نباید باعث شود که هیچ گونه شکاف مویی دائمی در تبن باقی بماند.
کوبیدن شمع
برای کوبیدن شمع‌های پیش ساخته یا لوله‌ها که برای شمع ریزی در محل مورد استفاده قرار می‌گیرد باید نکات زیر رعایت شود.
- محل شمع کوب و چوب بست آن باید ثابت و محکم باشد در مورد شمع کوب روی سکوهای شناور این موضع ممکن نیست بنابراین باید از استعمال آنها به استثنای مواردیکه راه حل دیگری موجود نباشد خودداری نمود.
- شمع کوب می‌تواند از نوع با وزنه سقوط آزاد،ضربه با موتور انفجاری یا چکش اترعاشی اتوماتیک باشد.
- شمع کوب باید طوری ساخته شده باشد که بتواند بدون آنکه شمع صدمه برساند آنرا تا عمق لازم در زمین بکوبد.
- ضربه باید همواره ذر امتداد محور شمع وارد شود.
- محل شمع و شمع کوب در تمام مدت کوبیدن باید مرتباً بررسی شود.
- در صورتی که شمع در حین کوبیدن به مانعی برخورد نماید باید یک شمع دیگری به جای آن شمع کوبید. تنها در صورتیکه شمع تقریباً نزدیک به طول لازم فرو رفته و ضمناً صدمه به آن نخورده باشد میتوان آنرا به عنوان یک شمع قبول نمود.
شمع‌های ساخته شده در محل
این نوع شمع به این طریق ساخته میشود که ابتدا یک لوله سربسته به کمک شمع کوب در زمین تا عمق مورد نظر کوبیده میشود. سپس آرماتور شمع در داخل لوله قرار داده و به تدریج با ریختن بتن لوله از زمین بیرون کشیده میشود. بتن را میتوان با فشار وارد لوله نمود و یا در لوله کوبید. جنس لوله می‌تواند فلزی یا بتنی باشد. در موقع بیرون کشیدن لوله میتوان به وسیله کوبیدن یا با وارد آوردن فشار به بتن پای شمع را پهن تر نمود. که با این وسیله قدرت باربری شمع اضافه شود. کوبیدن لوله در زمین باید مواظبت نمود که به بتن شمع‌های ساخته شده در مجاورت آن صدمه‌ای وارد نیاید یعنی بتن شمع مجاور با اندازه کافی مقاوم شده باشد یا فاصله آن از محل کوبیدن لوله شمع مجاور زیاد باشد.
ساختن شمع به طریق حفاری
این شمع‌ها به وسیله حفر کردن محل شمع در زمین با لوله یا بدون لوله و ریختن شمع بتنی در سوراخ یا چاه ایجاد شده ساخته میشود. در صورتی که حفاری بدون لوله انجام شود باید به وسیله بنتونیت که در زمین ریخته میشود از ریزش بدنه سوراخ یاچاه حفر شده جلوگیری نمود. در صورتیکه حفاری با لوله انجام شود باید لوله را به کمک ماشین‌هایی در زمین فرو کرده و در عین حال به کمک پمپ‌های مکنده یا قاشقک و مته و غیره خاک‌ها را از داخل لوله خارج نمود. پس از آنکه عمل حفاری تا عمق مورد نظر به پایان رسید آرماتور لازم جهت شمع در محل قرار داده و بتن ریزی میشود.
بار مجاز شمع‌ها
- ظرفیت باربری یک شمع بستگی دارد به نوع زمین و وضع آب زیرزمینی، شکل، جنس و ابعاد و طول شمع، طرز ساختن یا ریختن و کوبیدن شمع، فواصل و تمایل شمع‌ها نسبت به قائم و غیره.
- در زمین‌های شن و ماسه‌ای برای شمع‌هایی که کوبه می‌شوند و فقط به فشار کار میکنند میتوان از روی انرژی مضری برای کوبیدن شمع به خصوص در چند ضربه نهایی یا مقدار فرور فتن شمع در چند ضربه نهایی فرمول‌هایی به دست آورد که رابطه انرژی یا مقدار فرو رفتن مذکور را با بار مجاز شمع بیان می‌کند.
- بار باید کاملاً د رمحور طولی شمع وارد شود و در تمام مدت آزمایش هم در عمین حالت باقی بماند.
- بارگزاری نباید بلافاصله بعد از کوبیدن شمع انجام گیرد. در زمین‌های شن و ماسه‌ای حداقل ۵ روز و در زمین‌های خاکی و سایر زمین‌های دارای چسبندگی حداقل سه هفته بعد از کوبیدن شمع میتوان آنرا بارگزاری نمود.
- تعداد شمع‌های مورد آزمایش که بارگزاری می‌شوند باید حداقل ۲ عدد باشد در صورتی که جنس زمین مرتباً تغییر نماید به همان نسبت باید تعدا شمع‌های آزمایشی اضافه شود.
سپرها و مهارها
سپرها اجزا ساختمانی هستند که باید هر قسمت از آن به تنهایی قادر باشد نیروهای وارده به آن را که عبارتست از رانش خاک و فشار آب تحمل نماید و در موارد استثنایی حتی نیروهای قائم را با هم باید بتوانند به زمین منتقل نماید.
موارد استعمال عمده سپرها
برای حفاظت در مورد گودبرداری‌ها با دیواره قائم جهت جلوگیری از ریزش خاک و ورود آب به داخل گودال و همچنین جهت حفاظات خاکریزی‌های با دیواره قائم و بالاخره در مورد پی سازی با هوای متارکم و غیره.
به صورت قسمتی از ساختمان که در زمین باقی می‌ماند جهت تحمل رانش خاک و فشار یا جلوگیری از شسته شدن زیر پی‌ها و غیره.
سپرهای چوبی
سپرها یچوبی باید در زمین‌هایی به کار رود که کوبیدن آنها د راثر تراکم و سختی زمین باشکال برخورد ننماید در صورتی که پس برای مدت طولانی یا برای همیشه در زمین بتقی بماند بایستی خطر فاسد شدن چوب موجود نباشد. و آفات چوب در زمین موجود نباشد. عرض سپرهای چوبی معمولاً حدود ۲۰ سانتیمتر و طول آنها حداکثر ۱۵ متر است.
سپرهای فلزی
سپرهای فلزی از مهمترین نوع سپرها بوده و بیش از انواع سپرهای دیگر استعمال میشود و در تمام موارد میتوان به کرا برد به استثنای مواقعی که مواد مضر برای فولاد در خاک یا آب محل سپرکوبی موجود باشد.
در صورتی که عمق گود برداری زیاد نباشد و ورود آب به داخل محل گودبرداری هم موجود نباشد میتوان سپرهای فلزی را بدون قفل (نر و ماده) به کار برد. در صورتی که در پشت سپر فشار آب موجود باشد باید سپرها را با قفل (نر و ماده) به کار برد.
در مواردی که عمق گودبرداری زیاد نباشد و در نیتجه سپر بتواند بتن‌هایی فشار خاک و آب را تحمل نماید میتوان سپر را بدون تکیه گاه در زمین کوبید. در تمامی موارد دیگر باید سپرها را به تیرهای کمربندی تکیه داد که این تیرهای کمربندی هم به نوبه خود بار وارده را به وسیله پشت بندها به زمین یا به سمت مقابل منتقل مینمایند. این پشت بندها را بر حسب مقدار نیروی وارده از چوب یا فلز میتوان انتخاب نمود.
سپرهای مرکب از فولاد و چوب
در این طریقه تیر آهن‌ها به فواصل ۱/۵ تا ۲/۵ متر در زمین کوبیده میشود و سپس با پیشرفت گودبرداری در بین تیر آهن‌ها تخته‌هایی به طور افقی نصب مینمایند و تیرهای فولادی را به وسیله تیرهای افقی در جلو به یکدیگر تکیه داده یا از عقب در خاک مهار مینمایند. تیرهای فولادی بستگی به مقدار رانش خاک در پشت آنها دارد. این تیرها باید حداقل تا حدود ۳ متر در زیر کف گودبرداری کوبیده شود تخته‌هایی که به طور افقی بین تیرهای فولادی نصب می‌شوند دارای ضخامت ۵ تا ۱۰ سانتیمتر است استفاده از این تخته‌ها برای قالب خارجی بتن مجاز است. این تخته‌ها می‌تواند در زمین باقی بماند یا با پیشرفت ساختمان آنها ار از زمین خارج نمود.
تیرهای فولادی معمولاً به وسیله پشت بندهای چوبی یا فلزی به یکدیگر تکیه میکنند. این تیرهای چوبی یا فلزی باید برای نیروی وارده از رانش خاک به دقت محاسبه شوند. به خصوص کمانش این تیرها به دقت مورد بررسی قرار گیرد. در صورتی که فاصله بین تیرها فولادی در دو طرف گودبرداری خیلی زیاد باشد باید از لحاظ اقتصادی در وسط محل گود برداری هم پایه‌هایی جهت تکیه گاه پشت بندها ساخته شود.
سپرهای بتن فولادی
سپرهای بتن فولادی باید از بتن نسبتاً سفت تهیه شود و تاب فشاری بتن سپر در موقع کوبیدن نباید از ۴۵۰ کیلوگرم بر سانتیمتر مربع کمتر باشد.
ضخامت سپرها بستگی دارد به احتیاجات ساختمانی و استاتیکی و شرایط کوبیدن سپر ولی حداقل ضخامت باید از ۱۲ سانتیمتر کمتر نباشد. ضمناً برای اینکه وزن سپر هم زیاده از حد سنگین نشود حداکثر ضخامت معمولاً نباید از ۴۰ سانتیمتر زیادتر باشد.
عرض سپرها معمولاً ۵۰ سانتیمتر انتخای میشود. طول سپرها معمولاً تا ۱۵ متر و در موارد استثنایی تا ۲۰ متر انتخاب میشود.
این سپرها باید برای بارهای وارد در موارد زیر محاسبه شوند.
- در موقع انبار کردن و روی هم چیدن
- در موقع حمل ونقل از محل انبار یا کراگاه به عمل کوبیدن
- در موقع بلند کردن در محل سپر کوبی
- برای بار وارده در حین سپر کوبی
- برای نیروهای وارده در اثر رانش خاک و فشار آب و احیاناً بار قائم
سپرهای مرکب از تیر فولادی و بتن
در این طریق ابتدا ریل‌های راه آهن یا تیرهای فولادی به فواصل حدود یک متر در زین کوبیده می‌شوند و سپس یک متر تا ۱/۵ متر به طور قائم بتن ریل‌ها و تیرهای فولادی گودبرداری شده و قالب بندی انجام و بتن ریزی میشود و در صورت لزوم در بتن هم فولاد گذاشته میشود. و سپس گودبراری را ادامه داده و مجداً بتن ریزی شده و به همین ترتیب تا عمق لازم جهت گود برداری عمل را ادامه میدهند. ضمناً در ارتفاعات لازم تیرهای کمربندی نصب و به وسیله پشت بندهایی از تیرهای چوب گرد و یا ترهای فولادی انها را به یکدیگر یا به زمین تکیه میدهند.
سپر مرکب از یک ردیف شمع
این نوع سپر معمولاً به سه طریق اجرا می‌شوند.
- یک سری شمع در کنار یکدیگر در یک خط ساخته میشود فاصله بین این شمع‌ها حدود ۵ سانتیمتر است. این نوع سپرها فقط برای رانش خاک مناسب بوده و در صورتی که آب موجود باشد باید قبلاً آب را از حدود گودال به خارج هدایت نمود.
- ابتدا شمع‌های ۱،۳، ۵،….ساخته می‌شوند که فاصله بین آنها حدود سه چهارم قطر شمع است. این شمع‌ها معمولاً از بتن بدون فولاد ساخته می‌شوند سپس در بین شمع‌ها سری شمع‌های ۲، ۴، ۶،….از بتن مسلح ساخته می‌شوند. به این ترتیب شمع‌ها یکدیگر را قطع نموده و یک دیوار ممتد به وجود می‌آورد.
- شمع‌ها به فاصله یک متر الی ۱/۵ متر از یکدیگر ساخته می‌شوند. و در بین شمع‌ها همراه با گودبرداری قوس‌های افقی از سنگ‌های فیلتر ساخته میشود.
سپر به طریق دیوار شیاری
ابتدا در طولی که سپر باید ساخته شود شیاری در زمین به عرض حدود یک متر و به عمق ۱/۵ متر گودبرداری میشود و دو طرف این شیار را با یک قش بتن فولادی به ضخامت ۱۵ الی ۲۰ سانتیمتر می‌پوشانند. سپس این گودال را پر از یک مایع تیکسوتروپ کرده و بقیه گودبرداری را تا عنق لازم انجام میدهند. این مایع که از ریزش بدنه گودبرداری جلوگیری می‌کند باید دائماً در گودال ریخته شود که پر باشد. پس از آنکه گودبرداری تمام شد لیکن شیار موجود رابه وسیله لوله‌هایی که در فواصل معینی در شیار قرار داده میشود باید به چندین قسمت تقسیم نمود. عرض هر قسمت حدود ۲/۵ متر الی ۶ متر میشود.
مهار
مهارها عبارتند از میله هایی گرد یا کابلهای فولادی که در سوراخ‌های که قبلاً در زمین تعبیه شده جای میدهند. و سپس با تزریق ملات سیمان در طول کمعینی در زمین گیردار میکنند و سر دیگر مهار را به سپر یار تیر کمربندی که در روی سپر نصب شده وصل مینمایند. این مهارها را میتوان قبل از اتصال به سپر تحت کشش قرار داد و سپس به سپر متصل نمو که از حرکت بعدی در اثر نیروهای وارده بهتر جلوگیری نماید.
فولاد مهار
فولاد مهار باید فولاد ۵۲ یا فولادهای مقاومتر (که برای بتن پیش تنیده به کار م‌یرود) باشد. حداقل مقطع فولاد یک مهار باید حدود ۲۲۰ میلیمتر مربع و هر میله مهار باید حداقل به قطر ۱۰ میلیمتر باشد. در صورتیکه در خاک مواد مضره برای فولاد موجود باشد باید این حداقل مقاطع حدود ۳۰ درصد افزایش یابد.
انتقال بار از مهار به زمین
بار از فولاد مهار به سه طریق به مصالح تزریق شده منتقل میشود.
- به وسیله اصطکاک بین فولاد و مصالح انژکسیون
- به وسیله یک صفحه یا جسم دیگر در انتهای فولاد مهار که بر مصالح انژکسیون تکیه می‌کند.
- به وسیله یک لوله که به فولاد مهار وصل است و این لوله به وسیله اصطکاک نیروی خود را به مصالح انژکسیون منتقل می‌نماید.