سازه نگهبان خرپایی چیست؟ از طراحی تا اجرا

شاید کمتر کسی در سطح شهر عملیات‌های گودبرداری را از نزدیک مشاهده نکرده باشد و تقریبا همه ما با این صحنه مواجه شده‌ایم. گودبرداری به عنوان یکی از ابتدایی‌ترین مراحل ساخت‌وساز شناخته می‌شود و روند آن دارای خطرات احتمالی بسیار زیادی است. گودبرداری غیراصولی، سالانه خسارت‌های جانی و مالی زیادی از خود به جای می‌گذارد و به دلیل عدم رعایت استاندارد در طول این روند، سلامت افراد زیادی در معرض خطر قرار می‌گیرد. یکی از تدابیری که برای کاهش خطرات احتمالی گودبرداری اندیشیده شده است، پایدارسازی گود است که با انجام آن، خاک ساختمان‌های مجاور و دیواره‌های گود ایمن می‌شوند. در این راهنما یکی از رایج‌ترین روش‌های پایدارسازی گود، به‌نام سازه نگهبان خرپایی را مورد بررسی قرار داده و اطلاعات مهم راجع به آن را در اختیار شما قرار می‌دهیم. با ما همراه باشید.

عملیات گودبرداری و پایدارسازی گود

برای آشنایی بیشتر با عملیات گودبرداری، بهتر است ابتدا تفاوت آن با عملیات خاک‌برداری را مرور کنیم. به روندی که در طی آن سطح زمین صاف شده و ناهمواری‌های موجود بر روی این سطح از بین می‌رود، عملیات خاک‌برداری گفته می‌شود. در طول این روند معمولا کندن زمین تا عمق بسیار کمی انجام می‌شود و این میزان، در موارد بسیار کمی از عمق 50 سانتی‌متر بیشتر می‌شود.

برخلاف خاک‌برداری، در عملیات گودبرداری میزان حفاری نسبت به سطح ساختمان‌های مجاور بسیار بیشتر است. عمق گودبرداری با توجه به عوامل مختلفی تعیین می‌شود و این عمق در بین ساختمان‌های مختلف، متفاوت است. همچنین عملیات‌های گودبرداری با استفاده از روش‌های مختلفی انجام می‌گیرند و مهندس عمران باید با توجه به برخی از عوامل مهم، نوع گودبرداری را مشخص کند. از عوامل تاثیرگذار در تعیین نوع گودبرداری می‌توانیم به موارد ذیل اشاره کنیم:

• مقیاس عملیات و عمق گود
• موقعیت گود
• شرایط سازه‌های مجاور
• میزان سربار گود
• نوع تکنولوژی و تجهیزات موجود

تعیین کردن نوع و اجرای صحیح عملیات گودبرداری، به تخصص بالایی نیاز دارد و جزئیات مرتبط با آن، گستره وسیعی را شامل می‌شود. با توجه به این نکته می‌توان گفت که برای دست‌یابی به نتیجه ایده‌آل در این روند، باید عوامل بسیار زیادی مدنظر قرار گرفته شوند.

از آنجایی که این عملیات در سطحی پایین‌تر از سطح طبیعی زمین انجام می‌گیرد، فشار جانبی بسیار زیادی به دیواره‌های گود وارد خواهد شد. این مسئله احتمال رانش خاک موجود در پشت این دیواره‌ها را به‌شدت افزایش می‌دهد و به همین دلیل می‌توان گفت که گودبرداری جزو پرخطرترین عملیات‌های خاکی محسوب می‌شود. هرگونه بی‌دقتی و بی‌توجهی به نکات ایمنی در این عملیات می‌تواند خسارات جبران‌ناپذیری را ایجاد کنید و همین مسئله، این روند را به یکی از پرچالش‌ترین مسئولیت‌های مهندس‌ها تبدیل کرده است. 

در راستای این‌که خطرات احتمالی عملیات گودبرداری به حداقل ممکن برسد، باید روند پایدارسازی گود پشت سر گذاشته شود. در این روند با استفاده از سازه‌های نگهبان، از رانش خاک پشت دیواره‌ها جلوگیری می‌شود. سازه‌های نگهبان که هم به صورت موقت و هم دائم مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ انواع مختلفی دارند که افراد با توجه به شرایط و موقعیت گود، باید یکی از این سازه‌ها را برای پایدارسازی گود اجرا کنند. در ادامه از برخی از این روش‌ها نام خواهیم برد:

• سازه نگهبان خرپایی
• مهار متقابل
• سپرکوبی
• شمع‌کوبی
• نیلینگ
• دیوار برلنی و …

اجرای هر کدام از این روش‌های پایدارسازی، باید با توجه به نکات منحصر به آن‌ها انجام بگیرد که ملاحظات تجربی و اجرایی یکی از این نکات است.

سازه نگهبان خرپایی چیست؟

این روش را می‌توان رایج‌ترین روش پایدارسازی گودا‌ل‌های کم‌عمق و در موارد محدودی با عمق متوسط دانست که در آن، نیم‌رخ‌های فولادی به منظور تحمل بار جانبی خاک دیواره‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نیم‌رخ‌ها با تکیه به دیواره‌های گود از ریزش خاک سربار جلوگیری، و گود را ایمن خواهند کرد. این سازه نگهبان از چندین قسمت مختلف تشکیل شده که شما باید پس از طراحی سازه، این اجزا را در کنار یکدیگر قرار بدهید تا سازه نگهبان، کارکرد صحیح خود را ایفا کند.

آشنایی با بخش‌های مختلف سازه نگهبان خرپایی

همان‌طور که اشاره کردیم این سازه‌ها از بخش‌های مختلفی تشکیل شده‌اند که این اجزا عبارتند از:

1. ریشه عضو قائم
2. عضو قائم 
3. فونداسیون عضو مایل
4. عضو مایل
5. اعضای افقی و قطری (اعضای مهاربندی)

با قرار گرفتن صحیح این اعضا در کنار یکدیگر، به یک سازه نگهبان دست پیدا خواهیم کرد که روند اجرای آن نسبت به بسیاری از روش‌های پایدارسازی، ساده‌تر، اقتصادی‌تر و سریع‌تر است. البته این نکته به معنای این نیست که شما در اجرای سازه نگهبان خرپایی به بررسی دقیق شرایط و طراحی سازه نیازی ندارید. 

در این سازه پس از حفر ریشه عضو قائم در امتداد دیواره گود، عضو قائم به دیواره‌های گود تکیه داده می‌شود تا اثر بار جانبی خاک دیواره‌ها مهار شود. در کنار عضو قائم نیز باید از عضو مایل استفاده کنیم تا اثر خمش روی عضو قائم کاهش پیدا کند. به همین دلیل است که عضو مایل باید بر روی یک فونداسیون قرار بگیرد. 

سازه خرپا به صورت فعال (Active) عمل می‌کند و در راستای این که سازه ما عملکرد صحیحی از خود نشان دهد، باید بدون هیچ فاصله‌ای نسبت به دیواره‌ها قرار داشته باشد تا اثر بار جانبی کاملا مهار شود. در غیر این صورت، سازه نگهبان کارایی خود را از دست داده و در مهار دیواره‌های گود اثر محافظتی نخواهد گذاشت. بنابراین موقعیت قرارگیری سازه در ایمن‌سازی گود اهمیت بسیار زیادی دارد و در روند طراحی و اجرای آن، باید با دقت زیاد نسبت به بروز حوادث احتمالی و خسارات جانی و مالی، پیشگیری به عمل آورد.

نکته دیگری که در اجرای سازه نگهبان خرپایی حائز اهمیت است، فاصله قرارگیری سازه‌ها نسبت به یکدیگر محسوب می‌شود. تعیین فاصله سازه‌های خرپا نسبت به یکدیگر باید با توجه به شرایط گود انجام شود اما این فاصله معمولا نباید از 4 متر بیشتر باشد. چراکه با افزایش بیش از حد این فاصله، سازه‌ها اثر حفاظتی خود را از دست داده و در مهار دیواره‌ها موفق نخواهند بود.

مبانی طراحی سازه نگهبان خرپایی

امروزه طراحی این نوع سازه را با استفاده از 2 روش می‌توان به انجام رساند که در ادامه از این روش‌ها نام خواهیم برد:

۱- استفاده از جدول‌های محاسباتی

در این روش باید با استفاده از جدول‌های محاسباتی و با توجه به عواملی همچون عمق گود، سرباز، چسبندگی خاک، مقاطع اعضای سازه، زاویه اصطکاک داخلی و …، سازه نگهبان را طراحی کرد. 

۲- استفاده از نرم‌افزارهای اجزای محدود

شما با استفاده از این نرم‌افزارها می‌توانید طراحی سازه نگهبان خرپایی را به انجام برسانید. در این روند شما صرفا باید عواملی مثل سختیِ محوری و خمشیِ تمام اعضا را مدنظر داشته باشید تا به یک شبیه‌سازی استاندارد دست پیدا کنید. 

نحوه اجرای سازه نگهبان خرپایی

در این بخش مراحل اجرای سازه نگهبان خرپایی را توضیح می‌دهیم:

۱- حفر چاهک برای نصب عضو قائم (عمودی)

اولین مرحله در اجرای سازه خرپا، حفر چاهک‌هایی است که اعضای قائم با قرارگیری در آن‌ها مهار خواهند شد. این چاهک‌ها که در امتداد و مجارت با دیواره‌های گود حفر می‌شوند، باید از عمق مشخصی برخوردار باشند و این عمق، با توجه به عواملی همچون میزان سربار و عمق گود مشخص خواهد شد.

البته قطر چاهک باید به گونه‌ای تعیین شود که یک انسان به‌راحتی بتواند در آن تردد کند. چرا که این چاهک‌ها با دست و نه با دستگاه‌های مکانیکی حفر می‌شوند و فرد مسئول باید قادر به ورود و خروج از آن‌ها باشد. این قطر معمولا بین 75 تا 95 سانتی‌متر تخمین زده می‌شود. نکته مهم دیگر در حفر چاهک‌ها، فاصله بین آن‌هاست که پس از مشخص شدن فاصله سازه‌های خرپا نسبت به یکدیگر تعیین خواهد شد.

۲- نصب عضو قائم

عضو قائم بر اثر نیروی کششی که بر روی آن قرار دارد، نسبت به بیرون آمدن از چاهک متمایل است و این تمایل موجع به انتقال این نیروی کششی به پایه عضو قائم و ریشه آن خواهد شد. برای مهار این نیرو شما 2 راهکار در پیش روی خود دارید. یک این‌که چاهک‌ها را با عمق بیشتری حفر کنید؛ در راهکار دوم نیز می‌توانید از یک پاشنه گیردار برای مهار نیروی کششی استفاده کنید. 

این پاشنه پس از پر شدن کف چاهک از بتن، عضو قائم را گیردار خواهد کرد. لازم به ذکر است که این عضو در بیشتر موارد از پروفیل IPE ساخته می‌شود. نکته دیگری که در نصب عضو قائم باید مدنظر قرار گرفته شود؛ این است که عضو قائم کاملا باید در تماس با دیواره گود باشد تا سازه بتواند اثرات حفاظتی خود در این ناحیه را اعمال کند.

۳- اجرای فونداسیون برای نصب عضو مایل

به منظور اجرای فونداسیون و نصب عضو مایل، ابتدا باید به دلیل وجود خاک، روند خاک‌برداری به صورت شیب‌دار انجام شود تا شما قادر به اجرای فونداسیون و نصب عضو مایل باشید. پس از خاک‌برداری شیب‌دار، قالب فونداسیون منفرد تعیین شده و آرماتوربندی آن شروع می‌شود.

نکته حائز اهمیت در اجرای فونداسیون منفرد این است که پس از اجرا، سطح فوقانی فونداسیون با سطح کف گود، هم‌سطح باشد. از آنجایی که این فونداسیون معمولا قطری برابر با 40 سانتی‌متر دارد، برای اجرای آن باید این عمق را خاک‌برداری کنید تا این دو نسبت به یکدیگر به تراز موردنظر برسند.

۴- نصب عضو مایل

پس از اتمام عملیات بتن‌ریزی، عضو مایل در شالوده فونداسیون منفرد قرار داده خواهد شد. سمت دیگر این اعضا نیز با جوشکاری به عضو قائم متصل می‌شوند تا بخشی از فشار موجود بر روی این عضو را مهار کنند. توجه داشته باشید که برای دستیابی به یکپارچگی در عملکرد سازه، این اعضا به وسیله شناژ به یکدیگر متصل خواهند شد.

۵- اجرای اعضای افقی و قطری (اعضای مهاربندی)

در جهت مهار اثر خمشی که بر روی اعضای قائم و مایل اعمال می‌شود، باید از اعضای افقی و قطری برای تقسیم طول اعضای مایل و قائم استفاده کنیم تا اثر خمشی کاملا مهار شود. استفاده از این اعضا باعث جلوگیری کمانش و یکنواخت شدن اثر سازه نگهبان خرپایی می‌شود.

۶- تثبیت جداره‌ها

به عنوان آخرین مرحله اجرای سازه نگهبان خرپایی باید از ریزش‌های جزئی خاک دیواره‌ها جلوگیری کنیم. به این منظور اصولا از یک شبکه فولادی و بتن‌پاشی بر روی آن استفاده می‌شود تا جداره‌های گود کاملا تثبیت شوند.

۷- زمان برداشتن سازه نگهبان

با احداث بخش‌هایی از سازه دائم که توانایی مهار نیروی جانبی دیواره‌ها را دارند، شما می‌توانید نسبت به برچیدن سازه نگهبان گود اقدام کنید. معمولا دیواره‌های حائل یا قاب‌های سازه پس از احداث می‌توانند جایگزین سازه نگهبان شوند؛ البته در صورتی که شما قصد جایگزینی بخشی از سازه دائم با سازه نگهبان خرپایی را داشته باشید، به عنوان طراح باید قاب یا دیوار حائل را طوری طراحی کنید تا این سازه‌ها قادر به دفع فشار دیواره‌های گود باشند. 

توجه داشته باشید که اگر عضو قائم یا عمودیِ سازه نگهبان، در مسیر اجرای دیواره‌های حائل، پی و شناژ قرار گرفته باشد، شما می‌توانید آرماتور این اعضا را به منظور جلوگیری از برخورد با عضو قائم، از طرفین این عضو عبور دهید. البته در برخی از موارد که ملاحضات قانونی این اجازه را در اختیار شما قرار می‌دهد؛ می‌توانید با وارد کردن گود به خاک سازه‌های مجاور، فضای بیشتری را برای این عملیات‌ فراهم کنید. 

در مواردی که قاب‌های دائمی، قادر به مهار بار رانشی دیواره‌ها هستند، شما باید پس از اجرای قاب‌ها، پشت آن‌ها را با استفاده از بتن ضعیف پر کنید. رعایت این نکته به شما اجازه می‌دهد تا سازه نگهبان را باز کرده و روند اجرای دیواره‌های حائل را آغاز کنید. 

نکات مهم سازه نگهبان خرپایی

در این بخش نکات مهمی که توجه به آن‌ها در اجرای سازه نگهبان خرپایی حائز اهمیت است را مرور خواهیم کرد تا شما در این روند، کمترین چالش‌های احتمالی را تجربه کنید. 

• رعایت اصول ایمنی و ضوابط فنی را به عنوان اولویت اصلی خود قرار دهید.
• سازه نگهبان خرپایی باید قبل از این که کف گود به تراز موردنظر برسد، اجرا شود. تاخیر در اجرای سازه نگهبان در بسیاری از موارد باعث ریزش خاک دیواره‌ها بر اثر نیروی رانشی خواهد شد.
• فراموش نکنید که استفاده از این روش پایدارسازی برای خاک‌هایی با چسبندگی کم، موثر نیست و در این شرایط باید روش‌های دیگری را به این منظور مورد استفاده قرار داد.
• هنگام اجرای سازه نگهبان، شناسایی تَرک‌های موجود را از خاطر نبرید.
• بی‌دقتی در برقراری اتصالات سازه نگهبان، عواقب جبران‌ناپذیری را به همراه دارد؛ بنابراین با استفاده از صفحات فلزیِ با ابعاد مناسب در روند جوشکاری، نسبت به گسستن سازه بر اثر فشار پیشگیری کنید.
• با پاشیدن دوغاب بر روی ترانشه‌ها، ایجاد تَرک یا حرکت لایه‌ها را با دقت بیشتری تحت‌نظر داشته باشید.
• عضو قائم سازه نگهبان خرپایی باید حتما در تماس با سازه مجاور یا خاک آن باشد. عدم رعایت این نکته بسیار مهم، ایمنی را در طرح شما از بین خواهد برد و سازه نگهبان در این شرایط، اثر حفاظتی خود را کاملا از دست خواهد داد.
• تراز سازه‌های افقی و قطری باید با تراز سقف ساختمان یکسان باشد، در غیر اینصورت شما به نتیجه موردنظر خود دست پیدا نمی‌کنید.
• موقعیت خرپاها را با توجه به موقعیت قرارگیری ستون‌های سازه مجاور تعیین کنید تا این دو، موقعیتی یکسان داشته باشند.
• در صورتی که عملیات گودبرداری در مجاورت یا سطح زیرین سفره‌های زیرزمینی انجام می‌گیرد، به منظور تامین ایمنی، روند زهکشی و خشک‌سازی را پشت سر بگذارید.
• رده و عیار بتن را حتما با توجه به طراحی سازه نگهبان خرپایی مشخص کنید تا بتن، قادر به اجرای وظایف حفاظتی خود باشد.
• در شرایطی که دیواره‌های گود از خاک ضعیفی برخوردار هستند، فاصله بین سازه‌های نگهبان را با روش‌هایی مثل بتن‌پاشی ایمن کنید.
• به منظور افزایش ایمنی بهتر است که در فاصله بینِ پی مجاور و شمع عضو قائم، از شناژ افقی بهره برده شود.

نمونه دیتیل (پلان) سازه نگهبان خرپایی

در این بخش نمونه‌‌‌هایی از دیتیل‌های سازه نگهبان خرپایی را برای آشنایی شما با این پلان‌ها جمع‌آوری کردیم:

مزایا و معایب سازه نگهبان خرپایی

مزایا و معایب سازه نگهبان خرپایی به صورت زیر است:

مزایا:

1. تناسب با محیط‌های درون شهری
2. عدم ورود به زمین‌های مجاور گود
3. متناسب بودن با گودهای کم‌عمق و با عمق متوسط
4. برخورداری از انعطاف بالا
5. اجرای ساده سازه
6. قابلیت استفاده مجدد از اعضای سازه
7. تطبیق‌پذیری با گودهایی که شکل هندسی نامنظمی دارند
8. نیاز نداشتن به اجازه همسایه‌ها برای اجرای سازه

معایب:

1. اشغال فضای داخلی گود و جاگیر بودن
2. ایجاد تداخل در کنج‌های مقعر توسط خرپاها
3. زمان‌بر بودن اجرای سازه
4. عدم تناسب برای گودهای عمیق
5. جلوگیری از افزایش عمق گود (در حال یا پس از گودبرداری)
6. نیاز به تداخل دستی در روند اجرا
7. سادگی زیاد ظاهری و ورود افراد غیرحرفه‌ای به روند اجرا

جمع‌بندی

گودبرداری یکی از خطرناک‌ترین عملیات‌های خاکی است که برای کاهش حداکثری این خطر، باید گود را پایدارسازی کنیم. رایج‌ترین روش پایدارسازی گودهای کم‌عمق و با عمق متوسط، استفاده از سازه نگهبان خرپایی است. اجرای صحیح این سازه اهمیت بسیار زیادی دارد و هرگونه بی‌دقتی در طول این روند می‌تواند خسارت‌های مادی و جانی جبران‌ناپذیری را از خود بر جای بگذارد. به همین دلیل در طراحی و اجرای این سازه باید به تمام نکات مهم مرتبط دقت کرد که در این مقاله به مرور آن‌ها پرداختیم. امیدواریم که از مطالعه این مقاله بهره برده باشید.
شما می‌توانید برای اطلاع از قیمت روز انواع محصولات فولادی و مطالعه مقالات روز و معتبر به وبسایت فولادینو مراجعه کرده و از خدمات ارائه شده توسط این وبسایت استفاده کنین.