مهندسی پی چیست؟ – معرفی و کاربرد ها
در مهندسی، پی عنصری از سازه است که آن را به زمین متصل می کند و بارها را از سازه به زمین منتقل می کند. فونداسیون ها معمولاً کم عمق یا عمیق در نظر گرفته می شوند. مهندسی پی کاربرد مکانیک خاک و مکانیک سنگ در طراحی عناصر پی سازه است.
الزامات یک پی خوب
طراحی و ساخت یک فونداسیون با عملکرد خوب باید دارای برخی الزامات اساسی باشد که نباید نادیده گرفته شوند :
- طراحی و ساخت فونداسیون به گونه ای انجام می شود که بتواند مرده ها و بارهای وارده را به خاک تحمل کند. این انتقال باید بدون ایجاد هرگونه نشستی که می تواند منجر به هر شکلی از مسائل پایداری سازه شود، انجام شود.
- با داشتن یک پایه سفت و سخت برای فونداسیون می توان از نشست های دیفرانسیل جلوگیری کرد. این مسائل در مناطقی که بارهای روی هم از نظر ماهیت یکنواخت نیستند، بارزتر است.
- بر اساس خاک و منطقه توصیه می شود که فونداسیون عمیق تری داشته باشید تا بتواند از هر گونه آسیب یا ناراحتی محافظت کند. اینها عمدتاً به دلیل مشکل انقباض و تورم ناشی از تغییرات دما ایجاد می شوند.
- محل فونداسیون انتخابی باید منطقه ای باشد که تحت تأثیر آثار یا عوامل آتی قرار نگیرد.
انواع مختلف فونداسیون
چهار نوع فونداسیون وجود دارد که عبارتند از پی های کم عمق، پی های عمیق ، مونوپیل و پایه های فردی.
پایه های کم عمق
پی های کم عمق آنهایی هستند که در نزدیکی سطح زمین کامل یافت می شوند. به طور کلی در جایی که عمق پی (Df) کمتر از عرض پایه و کمتر از 3 متر است. اینها قوانین سختگیرانه ای نیستند، بلکه صرفاً دستورالعمل هایی هستند: اساساً، اگر بارگذاری سطح یا سایر شرایط سطح بر ظرفیت باربری فونداسیون تأثیر بگذارد، «کم عمق» است. پایه های کم عمق (که گاهی اوقات به آن "پای های گسترده" گفته می شود) شامل پدها ("پای های جدا شده")، پایه های نواری و قایق ها است.
پی های کم عمق زمانی استفاده می شود که خاک های سطحی به اندازه کافی قوی و سفت باشند تا بتوانند بارهای تحمیلی را تحمل کنند. آنها به طور کلی در خاک های ضعیف یا بسیار تراکم پذیر، مانند خاک های فشرده ضعیف، ذغال سنگ نارس، رسوبات آبرفتی و آبرفتی اخیر و غیره نامناسب هستند.
سه نوع فونداسیون کم عمق وجود دارد: پایه های پد، پی های نواری و پایه های رافت.
پایه های پد
فونداسیون های پد برای تحمل یک بار نقطه ای منفرد مانند آن که ناشی از یک ستون سازه ای است استفاده می شود. آنها ممکن است دایره، مربع یا مستطیل باشند. آنها معمولاً از یک بلوک یا دال با ضخامت یکنواخت تشکیل شده‌اند، اما در صورتی که لازم باشد بار را از یک ستون سنگین پخش کنند، ممکن است پله‌دار یا آویزان شوند. پایه های پد معمولاً کم عمق هستند، اما می توان از پایه های پد عمیق نیز استفاده کرد.
پایه های نواری
شالوده های نواری برای تحمل یک خط بار استفاده می شود، چه به دلیل وجود دیوار باربر یا اگر یک خط ستون نیاز به تکیه گاه دارد، جایی که موقعیت ستون ها آنقدر نزدیک است که پایه های تکی پدها نامناسب هستند.
پایه های قایق
پی های رافت برای پخش بار از یک سازه در یک منطقه بزرگ، به طور معمول در کل منطقه سازه استفاده می شود. آنها زمانی استفاده می شوند که بارهای ستون یا سایر بارهای سازه ای نزدیک به هم باشند و پایه های تکی پد با هم تعامل داشته باشند.
یک پایه قایق معمولاً از یک دال بتنی تشکیل شده است که در کل منطقه بارگذاری شده گسترش می یابد. ممکن است توسط دنده ها یا تیرهای تعبیه شده در فونداسیون سفت شود.
فونداسیون رافت مزیت کاهش نشست های دیفرانسیل را دارد زیرا دال بتنی در برابر حرکات تفاضلی بین موقعیت های بارگذاری مقاومت می کند. آنها اغلب در خاک های نرم یا سست با ظرفیت باربری کم مورد نیاز هستند زیرا می توانند بارها را در یک منطقه بزرگتر پخش کنند.
پایه های عمیق
پی های عمیق آنهایی هستند که بسیار عمیق در زیر سطح زمین نهایی یافت می شوند تا ظرفیت باربری پایه آنها تحت تأثیر شرایط سطح قرار نگیرد، این معمولاً در اعماق بیش از 3 متر زیر سطح زمین نهایی است. آنها شامل شمع ها، پایه ها و کیسون ها و پی های جبران شده با استفاده از زیرزمین های عمیق و همچنین پایه های لایه یا نوار عمیق هستند. در صورت وجود خاک های نامناسب در نزدیکی سطح، می توان از پی های عمیق برای انتقال بارگذاری به لایه های عمیق تر و شایسته تر در عمق استفاده کرد.
شمع
آنها اعضای نسبتاً بلند و باریکی هستند که بارهای پی را از طریق لایه های خاک با ظرفیت باربری پایین به خاک عمیق تر یا لایه های سنگی با ظرفیت باربری بالا منتقل می کنند. آنها زمانی استفاده می شوند که برای ملاحظات اقتصادی، ساختمانی یا شرایط خاک، انتقال بارها به لایه هایی خارج از دسترس عملی پی های کم عمق مطلوب باشد. علاوه بر سازه های نگهدارنده، شمع ها همچنین برای مهار سازه ها در برابر نیروهای بالابرنده و کمک به سازه ها در مقاومت در برابر نیروهای جانبی و واژگونی استفاده می شوند.
اسکله
اینها پایه هایی برای حمل بار سنگین سازه ای هستند که در محل در یک گودبرداری عمیق ساخته می شوند.
کیسون ها
آنها شکلی از پی عمیق هستند که در بالای سطح زمین ساخته می شوند، سپس با حفاری یا لایروبی مواد از داخل کیسون به سطح مورد نیاز فرو می روند.
کیسون به معنی سازه ای نگهدارنده و ضد آب است. شبیه یک جعبه تو خالی که آب را به بیرون پمپ میکند و محیط کاری را خشک نگه میدارد.
پایه های جبرانی
اینها پی های عمیقی هستند که در آنها تنش ناشی از گودبرداری تقریباً با تنش اعمال شده ناشی از پی متعادل می شود. بنابراین تنش خالص اعمال شده بسیار کم است. فونداسیون جبران شده معمولاً شامل یک زیرزمین عمیق است.
فونداسیون مونوپیل
یک فونداسیون تک‌پایل از یک عنصر سازه‌ای پایه منفرد، عموماً با قطر زیاد، برای تحمل تمام بارها (وزن، باد و غیره) یک سازه بزرگ بالای سطح استفاده میکند. تعداد زیادی از فونداسیون‌های تک‌پایل در سال‌های اخیر برای ساخت اقتصادی مزارع بادی دریایی با کف ثابت در کارگاه های ساخت زیردریایی در آب های کم عمق استفاده شده‌اند.
پایه فردی
هنگامی که پایه از یک ستون جداگانه پشتیبانی می کند، به آن پایه تکی گفته می شود. گاهی اوقات به عنوان پایه گسترده یا پایه ایزوله نام برده می شود. به منظور تجزیه و تحلیل، پایه ممکن است به عنوان یک صفحه یا دال صاف ساده در نظر گرفته شود. این می تواند در پلان مربع باشد، با بار متمرکز عمل کرده و بار را روی خاک توزیع کند. معمولاً پایه به شکل مربع، مستطیل و مدور است.
اندازه بزرگ شده پایه در قسمت پایین باعث افزایش سطح تماس بین خاک و پایه می شود. این منطقه به میزان مجاز باعث کاهش تنش خاک می شود. از خرابی یا نشست بیش از حد مفاصل جلوگیری می کند. به طور کلی انواع پایه های انفرادی پی ساده، پایه شیب دار و پایه پلکانی هستند. در مقایسه با سایر انواع پایه مقرون به صرفه است. در مواردی ارائه می شود که ظرفیت باربری خاک در اعماق کمتر خوب باشد. ساخت آن آسان است. عموماً فونداسیون به گونه ای طراحی می شود که سه معیار اساسی به شرح زیر را برآورده کند،
1) فونداسیون باید در هر دو جهت عمودی و افقی به درستی تراز شود.
2) باید از خرابی ظرفیت باربری در امان باشد.
3) از خطر شدید احتمالی مصون باشد.
بارهای روی پی عبارتند از بارهای خودوزن، بارهای زنده، بارهای زلزله، فشار زمین و فشار آب.
عوامل موثر بر عمق فونداسیون
- ضخامت لایه بالایی
- خشکی زمین
- عمق تغییر حجم
- عمق آبشستگی
- سطح آب زیرزمینی
- تاسیسات زیرزمینی
- خط املاک و سازه های مجاور
- زمین شیبدار
- پایه ها در سطوح مختلف
طراحی برای مهندسی پی
طراحی در مهندسی پی به تحکیم خاک و ظرفیت باربری بستگی دارد.
تحکیم خاک به فرآیند مکانیکی اطلاق می شود که طی آن خاک در پاسخ به تغییر فشار به تدریج حجم خود را تغییر می دهد. این به این دلیل اتفاق می افتد که خاک یک ماده دو فازی است که شامل دانه های خاک و سیال منفذی، معمولاً آب های زیرزمینی است. هنگامی که خاک اشباع شده از آب در معرض افزایش فشار قرار می گیرد، سفتی حجمی بالای آب در مقایسه با ماتریس خاک به این معنی است که آب در ابتدا تمام تغییرات فشار را بدون تغییر حجم جذب می کند و فشار آب منفذی اضافی ایجاد می کند. با انتشار آب از مناطق پرفشار به دلیل نشت، ماتریس خاک به تدریج تغییر فشار را می گیرد و حجم آن کاهش می یابد. بنابراین چارچوب نظری تثبیت ارتباط نزدیکی با معادله انتشار، مفهوم تنش موثر و هدایت هیدرولیکی دارد.
لطفا این بخش را با سرعت کم مطالعه کنید!! ( حاوی مفاهیم سنگین )
در مهندسی پی ، "تثبیت" دقیقاً به این پاسخ حجمی تاخیری به تغییر فشار ناشی از حرکت تدریجی آب اشاره دارد. برخی از نشریات همچنین از "تحکیم" در معنای گسترده استفاده می کنند، برای اشاره به هر فرآیندی که در آن خاک به دلیل تغییر در فشار اعمال شده، حجم را تغییر می دهد. این تعریف گسترده تر، مفهوم کلی تراکم، فرونشست و بالا رفتن خاک را در بر می گیرد. برخی از انواع خاکها، عمدتاً آنهایی که غنی از مواد آلی هستند، خزش قابل توجهی را نشان می دهند، به طوری که خاک به دلیل انتشار آب در مقیاس زمانی طولانی تری نسبت به تحکیم، در تنش مؤثر ثابت به آرامی تغییر حجم می دهد. برای تمایز بین این دو مکانیسم، "تثبیت اولیه" به تحکیم به دلیل اتلاف فشار آب اضافی اشاره دارد، در حالی که "تحکیم ثانویه" به فرآیند خزش اشاره دارد.
برخی تعاریف در مورد بارگذاری
ظرفیت باربری ظرفیت خاک برای تحمل بارهای وارده به زمین است. ظرفیت باربری خاک حداکثر فشار متوسط تماس بین پی و خاک است که نباید باعث شکست برشی در خاک شود. ظرفیت باربری نهایی حداکثر فشار نظری است که می تواند بدون شکست پشتیبانی شود. ظرفیت باربری مجاز، ظرفیت باربری نهایی تقسیم بر ضریب ایمنی است. گاهی اوقات، در سایت های خاک نرم، نشست های بزرگ ممکن است در زیر پی های بارگذاری شده بدون شکست واقعی برشی رخ دهد. در چنین مواردی، ظرفیت باربری مجاز بر اساس حداکثر نشست مجاز است. سه حالت شکست وجود دارد که ظرفیت باربری را محدود می کند: شکست برشی عمومی، شکست برشی موضعی و شکست برشی پانچ. این بستگی به مقاومت برشی خاک و همچنین شکل، اندازه، عمق و نوع پی دارد.
شکست کلی پی زمانی رخ می دهد که بار روی پایه باعث حرکت زیاد خاک بر روی سطح شکست برشی شود که از پایه و تا سطح خاک گسترش می یابد. محاسبه ظرفیت پی در باربری کلی بر اساس اندازه پی و خصوصیات خاک است. مورد شکست برشی عمومی موردی است که به طور معمول مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد. پیشگیری در برابر سایر حالت های خرابی به طور ضمنی در محاسبات بررسی می شود.
نتیجه گیری از موضوع مهندسی پی و فونداسیون
فونداسیون ساختمان در واقع تعدادی کارکرد را انجام می دهد. سه مورد مهم عبارتند از: تحمل بار ساختمان، لنگر انداختن آن در برابر نیروهای طبیعی مانند زلزله و جداسازی آن از رطوبت زمین. اهمیت نسبی این عملکردها با نوع زمین زیر ساختمان و طراحی ساختمان تغییر می کند. برای ساختمان های جانبی کوچکتر مانند سوله ها، فونداسیون اهمیت کمتری دارد.
در انتها به شما توصیه می کنیم اگر در زمینه های مرتبط با مهندسی عمران نیاز به مرجع قابل اطمینانی برای یادگیری دارید، به وبسایت آموزش آنلاین فرین پلاس به آدرس زیر مراجعه نمایید.
