سازه نگهبان خرپایی

سازه نگهبان خرپایی (Truss Structures) یکی از روش های سنتی پایدارسازی دیواره گودبرداری است. استفاده از این روش به ویژه در پایدارسازی گودهای با عمق متوسط رایج می باشد. استفاده از سازه نگهبان خرپایی به دلیل تحمل فشار جانبی ناشی از سربار خاک توسط خرپاها و انتقال آن به زمین، مانع از ریزش دیواره گود می شود. سازه نگهبان خرپایی به طور معمول از ۴ جزء اصلی که شامل المان های قائم، مورب، افقی و مایل می باشند تشکیل شده است. سازه‌های نگهبان خرپایی   به عنوان یکی از رویکردهای نوین در مهندسی عمران و سازه، مورد توجه بسیاری از متخصصان قرار گرفته‌اند. این سازه‌ها، که عموماً به منظور تقویت و حمایت از دیوارها، پل‌ها و سازه‌های بزرگ به کار می‌روند، اصلی ترین هدف سازه نگهبان خرپایی جلوگیری از جابجایی و ریزش خاک و مصالح پیرامون است. قدم اول اجرای سازه نگهبان خرپایی بررسی ویژگی های خاک است. عموما مشخصات مکانیکی خاک را از نزدیک ترین پروژه محل گودبرداری برداشت میکنند و جزئیات را از مطالعات ژئوتکنیکی استخراج میکنند. مشخصاتی مانند:

• ضریب یکنواختی خاک
• وزن مخصوص خشک
• وزن مخصوص اشباع
• تراز آب زیرزمینی
• مدول الاستیسیته
• زاویه اصطکاک داخلی

اجرای سازه نگهبان خرپایی

• سازه‌های نگهبان خرپایی نقش بسیار مهمی در پایدارسازی گودهای عمیق، به‌ویژه در مناطق شهری با تراکم بالای ساختمان‌ها، ایفا می‌کنند. این سازه‌ها با توزیع فشارهای جانبی خاک و جلوگیری از جابجایی بیش از حد دیواره‌های گود، به حفظ ایمنی و جلوگیری از خرابی‌های احتمالی کمک می‌کنند. در مقالات معتبر حوزه عمران و ساختمان، به چندین نکته کلیدی در رابطه با این نوع سازه‌ها اشاره شده است:
• مقاومت در برابر فشارهای جانبی: خرپاها با فراهم آوردن یک چارچوب محکم و پایدار، فشارهای جانبی ناشی از خاک را به طور مؤثری تحمل می‌کنند.
• کاهش تغییر شکل‌ها: این سازه‌ها با کنترل تغییر شکل‌های دیواره گود، از فروپاشی و ناپایداری کلی سیستم جلوگیری می‌کنند.
• افزایش ایمنی ساخت‌وساز: با استفاده از خرپاها، خطرات ناشی از گودبرداری‌های عمیق در مناطق شهری به حداقل می‌رسد، که این امر ایمنی بیشتری را برای کارگران و ساختمان‌های مجاور فراهم می‌آورد.
• این موارد نشان‌دهنده اهمیت بالای طراحی و اجرای دقیق سازه‌های نگهبان خرپایی در پروژه‌های عمرانی است که نیازمند گودبرداری عمیق هستند

یکی از نقاط قابل توجه در اجرای سازه نگهبان خرپایی این است که این سازه نباید هیچ فاصله ای با خاک داشته باشد، در غیر این صورت اجرای آن بی فایده بوده و عملکرد مناسبی نخواهد داشت. روش سازه نگهبان خرپایی یکی از متداول ترین روش های اجرای سازه نگهبان در مناطق شهری محسوب می گردد و زمان اجرای آن پیش از آغاز عملیات گودبرداری است.

این روش به دو صورت سازه نگهبان خرپایی معمولی و متقابل اجرا می شود. از سازه نگهبان خرپایی متقابل در پروژه هایی که دارای عرض زمین کم و عمق گود زیاد می باشند استفاده می شود. زیرا اجرای سازه نگهبان خرپایی به شیوه معمول موجب ایجاد تداخل در حرکت و عملیات اجرایی کارگران و ماشین آلات می گردد. در روش متقابل از خرپاهای افقی برای مهار دو به دو ستون های عمودی استفاده می شود. در نتیجه فضای کافی برای انجام عملیات گودبرداری فراهم می گردد. این در حالی است که در روش معمول از اعضای مورب برای دستیابی بدین منظور استفاده می گردد.

به منظور طراحی سازه نگهبان خرپایی عموما از توزیع بار محرک رانکین استفاده می کنند. یکی از فرض های اصلی در طراحی این نوع از سازه نگهبان، مهار کردن تمام گود با مهار کردن بخشی از نقاط گود می باشد. در واقع سازه نگهبان خرپایی تنها بخش محدودی از سطح دیواره گودبرداری را که دارای سطحی در حدود چند ده متر تا چند صد متر می باشد، مهار می کند. در طراحی سازه نگهبان خرپایی فرض می شود که خاک دیواره گود ضمن عمل نمودن به صورت صلب، بارهای متحمله را که شامل بارهای چندین متر دورتر از سازه نگهبان نیز می باشد، به آن منتقل می کند. به بیان دیگر در طراحی این سازه بر پدیده قوس شدگی تکیه شده است. احتمال پانچ و در نتیجه گسیخته شدن خاک توسط سازه نگهبان با توجه به سطح کم نوع خرپایی و به وجود آوردن تنش بالا در محل تماس میان خاک و سازه و به علاوه سختی پایین خاک وجود دارد. راهکارهایی همچون کم کردن فاصله میان خرپاها و نیز ایجاد یک سطح سخت روی سطح خاک با هدف کمک به انتقال نیرو ، به منظور حل این مشکل مورد استفاده قرار می گیرد. بدین منظور می توان از تخته کوبی و یا دیوار بتنی میان سازه های نگهبان استفاده نمود. 

از جمله مخاطرات و موارد مهم در این روش می توان به تداخل آن با سازه اصلی ساختمان، نحوه صحیح مهندسی خرپا در هنگام اجرای اسکلت سازه ساختمان، برچیدن صحیح آن و نیز موارد مربوط به نحوه صحیح اجرای مرحله ای اشاره نمود.

هزینه اجرای سازه نگهبان خرپایی

هزینه اجرای سازه نگهبان خرپایی از کیلویی ۱۰۰۰۰ تومان برای تیرآهن و ۱۷۰۰۰ تومان برای تیرورق محاسبه می شود. اگر حجم کار پروژه کم باشد، به طور مثال کارهای زیر 30 تن هزینه به صورت هر ستون 6میلیون تومان محاسبه می شود. در اجرای سازه های خرپایی هزینه جرثقیل جداگانه محاسبه می شود. در پروژه های بزرگ هزینه الکترود هم با توجه به مصرف بسیار زیاد آن باید به صورت توافقی بین طرفین قرارداد محاسبه شود. به طور کلی می توان گفت با وجود مزایای فراوان این روش، هزینه اجرای سازه نگهبان خرپایی به نسبت بیشتر از سایر روش ها می باشد. استفاده از روش سازه نگهبان خرپایی به ویژه در پروژه هایی با حجم کم گودبرداری چندان مقرون به صرفه نیست.

مراحل اجرای سازه نگهبان خرپایی

اجرای سازه نگهبان خرپایی به صورت مرحله به مرحله بوده و به شرح زیر است:

حفر چاهک

در ابتدا چاهک هایی در مجاورت دیواره گود، با کمترین تداخل با سازه اصلی و در محل های مشخص شده بر روی نقشه حفر می شوند. عمق این چاهک ها بیشتر از عمق گود بوده و عمقی برابر با عمق گود به اضافه طول شمع دارند، که طول شمع حداقل ۲۵ درصد عمق گود در نظر گرفته می شود. قطر چاه های حفر شده نیز غالبا در حدود ۸۰ تا ۱۰۰ سانتی متر می باشد. این چاهک ها به منظور قرار دادن عضو عمودی سازه نگهبان در آن حفر می شوند.

اجرای ستون عمودی 

در این مرحله سبدی که از قبل آرماتوربندی شده در انتهای چاهک ها قرار داده می شود و سپس ستون هایی با ارتفاعی متناسب با عمق چاهک به صورت عمودی و با حداقل فاصله زمانی ممکن با حفاری در درون چاهک ها قرار داده می شوند. این ستون ها عمدتا از نوع IPE دوبل می باشند. باید توجه داشت که عضو قائم باید حتی المقدور به ملک مجاور تکیه کند و در صورتی که این امکان وجود نداشته باشد باید فضای خالی موجود در پشت عضو عمودی با مصالحی همچون آجر فشاری به همراه ملات، پر شود. از نکات قابل توجه دیگر این است که به منظور گیرداری بیشتر عضو عمودی سازه نگهبان خرپایی از چند ردیف برشگیر و یا ناودانی استفاده می شود که در انتهای آن جوش داده می شوند.

بتن ریزی شمع

مرحله بعد بتن ریزی شمع می باشد که با استفاده از لوله ترمی انجام می شود. پس از گیرش بتن و سخت شدن آن، عضو قائم در خاک به صورت گیردار خواهد بود.

گودبرداری

پس از اجرای ستون عمودی سازه نگهبان عملیات گودبرداری در امتداد دیواره گود و با شیبی پایدار انجام می شود. همچنین خاک های جلوی خرپا نیز به صورت مرحله ای در حین گودبرداری یا پس از رسیدن به کف گود برداشته می شود.

اجرای عضو مورب 

پس از رسیدن به تراز خاکبرداری زیر فونداسیون عضو مورب با کمک یک ورق میانی به ستون عمودی تعبیه شده اتصال داده می شود. این عضو عموما از نوع IPE دوبل یا نبشی بوده و به عنوان تکیه گاه ستون عمودی عمل می کند. عضو مورب با اجرای یک فونداسیون پای آن و یا میخ کوبی پشت آن به صورت مناسب به زمین اتکا داده می شود. به منظور عملکرد بهتر، جلوگیری از حرکت سازه نگهبان و نیز دیوار همسایه های مجاور، بهتر است خرپاها در قسمت فونداسیون عضو مورب به صورت یکپارچه اجرا شوند. 

برداشتن مرحله ای ترانشه های خاکی و تکمیل خرپا

در این مرحله خاک میان اعضای قائم و افقی خرپا (خاک قسمت مثلثی) به صورت مرحله ای گودبرداری می شود و به منظور تکمیل خرپا، در هر مرحله اعضای افقی و قطری نصب می شوند. سپس عملیات برداشت خاک و اجرای مهاربندی تا تشکیل خرپای فضایی ادامه می یابد.

تثبیت جداره های گود

در مرحله آخر به منظور جلوگیری از ریزش موضعی و جزئی خاک جداره های گود، از تخته کوبی، دوغاب و یا شاتکریت به منظور تثبیت جداره های گود استفاده می شود.

برای محاسبه نیروهای وارد بر سازه‌های خرپایی در یک پروژه گودبرداری عمیق، می‌توانید از مراحل و پارامترهای زیر که از بخش‌های مرتبط استخراج شده‌اند، استفاده کنید:

1. شرایط خاک و بار: نوع خاک، توزیع بارها و شرایط آب زیرزمینی را ارزیابی کنید. این پارامترها تعیین‌کننده نیروهای وارد بر سیستم خرپایی خواهند بود.
2. ملاحظات طراحی برای تیرهای مهار:
   • بار قبل از خرابی (Npre): این بار روی تیر مهار قبل از وقوع هرگونه خرابی است.
   • بار پس از خرابی (Npost): این بار پس از وقوع یک رویداد خرابی است که برای ارزیابی توزیع مجدد بار بین عناصر ساختاری باقی‌مانده ضروری است.
   • تنش مجاز (σa): تنش مجاز برای مصالح استفاده شده در سیستم خرپایی، با در نظر گرفتن عوامل ایمنی.
3. طراحی سیستم خرپایی:
   • سختی و فاصله‌گذاری تیرهای مهار: فاصله‌گذاری مناسب تیرهای مهار بر اساس فشار جانبی خاک و سختی سیستم خرپایی انتخاب شود.
   • افزونگی تیرهای مهار: اطمینان حاصل کنید که سیستم خرپایی دارای افزونگی کافی برای تحمل خرابی احتمالی یک یا چند تیر مهار بدون منجر شدن به فروپاشی فاجعه‌بار است. این موضوع در مورد موارد فروپاشی در سنگاپور و هانگژو توضیح داده شده است.
4. تحلیل قابلیت اطمینان:
   • تحلیل احتمالی قابلیت اطمینان سیستم، با تمرکز بر حالات حد نهایی و خدمات‌پذیری انجام شود. این شامل در نظر گرفتن تأثیرات تغییرپذیری خاک و سختی سیستم خرپایی بر پایداری و خدمات‌پذیری کلی است.
5. تحلیل خرابی یک تیر مهار:
6. توزیع مجدد بار: در صورت خرابی یک تیر مهار، ارزیابی کنید که چگونه بار بین تیرهای مجاور توزیع می‌شود. افزایش بار در تیرهای مجاور باید ارزیابی شود تا اطمینان حاصل شود که سیستم می‌تواند چنین بارهایی را بدون تغییر شکل یا خرابی عمده تحمل کند

سازه نگهبان خرپایی و بار طراحی

2 بار مهم در طراحی سازه نگهبان خرپایی باید لحاظ شود:

1. فشار جانبی خاک که تابعی از ارتفاع خاک است و توزیع مثلثی دارد
2. فشار ناشی از سازه کنار گود توزیعی یکنواخت در دیواره ی گود دارد

فشار جانبی خاک برای اجرای سازه نگهبان خرپایی

اجرای سازه نگهبان خرپایی عموما به صورت موقت و حین گودبرداری انجام می شود. در صورتی که سازه موقت نباشد و دیوار حائل مد نظر باشد باید بارهای لرزه ای را نیز لحاظ کرد در غیر این صورت فشار جانبی خاک با صرف نظر از بارهای لحظه ای محاسبه می شود. 

برای محاسبه ی فشار جانبی خاک به فشار قائم خاک نیاز داریم که از حاصلضرب ارتفاع ستون خاک در جرم حجمی محاسبه می شود. 

فشار جانبی برای اجرای سازه نگهبان خرپایی

پس از محاسبه ی فشار قائم برای محاسبه ی فشار جانبی به فشار افقی هم نیاز خواهیم داشت در این خصوص نیاز است ویژگی های مکانیکی خاک از جمله چسبندگی و اصطکاک ذرات خاک را نیز محاسبه کنیم. 

فشار افقی در خاک تابعی از فشار قائم است و بر اساس ضرایبی به هم تبدیل می شود. ارتباط بین فشار افقی و فشار قائم خاک در سه حالت خلاصه می شود:

• فشار سکون : سازه نگهبان خرپایی حرکت افقی نداشته باشد
• فشار فعال : دیوار حائل خرپایی در جهت خلاف توده خاک حرکت کند
• فشار مقاوم: دیوار حائل خرپایی به سمت توده خاک حرکت کند

فشار جانبی سازه نگهبان خرپایی در حالت محرک

در طراحی سازه نگهبان خرپایی باید شرایطی را در نظر بگیریم که ارتباط بین فشار افقی و قائم دیوار از نوعی باشد که دیوار خلاف جهت خاک حرکت میکند و در واقع از نوع فعال است. در این حالت ضریب محرک رانکین برابر است با :

فشار جانبی محرک راکین : 

فشار جانبی ناشی از چسبندگی خاک :

فشار گود برداری به سازه نگهبان خرپایی

فشار جانبی ناشی از گود توزیع یکنواخت دارد که مقدار آن بر اساس فرمول زیر محاسبه می شود : 

در این فرمول اصلی ترین جزئی که باید محاسبه شود Q یا همان مقدار سربار گود است. جزئیات سازه مجاور گودبرداری در تعیین این مقدار موثر است. در نهایت سه فشار افقی زیر را با هم جمع برداری کنیم مقدار فشر افقی سازه نگهبان خرپایی به دست می آید:

• فشار جانبی 
• فشار ناشی از چسبندگی
• فشار کنار گود

ارزیابی خطر گود پیش از طراحی سازه نگهبان خطرپایی

عمق بحرانی گودبرداری hc  : 

و در گام بعدی نسبت عمق به عمق بحرانی سنجیده می شود. اگر این نسبت از 2 برابر عمق بحرانی بیشتر شد خطر گودبرداری جدی است. 

سازه نگهبان خرپایی وظیفه ی پایدار سازی گود را بر عهده دارد. گودهایی که عمق متوسط دارند. گودبرداری با عمق متوسط بهترین گزینه برای استفاده از انواع سازه نگهبان خرپایی است. در ادامه روش پایدار سازی گود با سازه نگهبان خرپایی مورد بررسی قرار خواهد گرفت. 

پایداری سازی گود با سازه نگهبان خرپایی

سازه نگهبان خرپایی (Truss) به عنوان یک تکنیک خاص در گودبرداری‌های عمیق برای پشتیبانی و تثبیت دیوارهای گودبرداری به‌ویژه در مناطق زلزله‌خیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. این سازه با هدف جلوگیری از جابجایی‌های افقی بیش از حد و نشست خاک که می‌تواند به ساختمان‌ها و زیرساخت‌های مجاور آسیب برساند، طراحی می‌شود. تحلیل عملکرد این سازه‌ها معمولاً با استفاده از روش المان محدود (FEM) انجام می‌شود که امکان مدل‌سازی دقیق برهم‌کنش بین خرپا و خاک را تحت شرایط مختلف، از جمله بارهای لرزه‌ای، فراهم می‌کند. این سازه‌ها در مناطق شهری که گودبرداری‌های عمیق نیاز است و حفاظت از ساختمان‌های مجاور اهمیت زیادی دارد، کاربرد وسیعی دارند.

سازه نگهبان خرپایی چیست ؟

ابتدا باید بدانید سازه خرپا چیست ؟ سازه خرپا به سازه هایی گفته می شود که اجزای آن با پین به هم متصل شدند و گشتار در نقاط اتصال صفر خواهد بود. در سازه خرپایی همیشه نیروی خارجی در هر عضو ایجاد میشود. اجزای سازه نگهبان خرپایی شامل چهار المان است : 

• المان قائم خرپا
• المان مورد خرپا
• المان افقی خرپا
• المان مایل خرپا

طراحی سازه نگهبان خرپایی

رانش خاک بار اصلی را به سازه نگهبان بار وارد می کند. نیروی رانش نیروی محرک است و از نظریه رانکین محاسبه می شود. نکته اصلی در طراحی سازه نگهبان خرپایی بحث وجود آب زیرزمینی است. تاثیر آب زیرزمینی در طراحی باید لحاظ شود و سازه نباید هیچ فاصله ای با خاک داشته باشد. مشخصات مکانیکی خاک مشخص میکند سربار چقدر است و محل قرار گیری اعضای قائم سازه نگهبان کجاست. طراحی سازه نگهبان خرپایی باید به نحوی باشد که با اجزای سازه اصلی ساختمان تداخلی نداشته باشد. نکته دیگری که در مورد طراحی سازه نگهبان خرپایی باید مد نظر داشت این است که سازه خرپایی بخشی از گود را مهار میکند و به همین وسیله میتواند پایداری کل سازه را تضمین کند. به این ترتیب زمانی که طراحی انجام می شود فرض بر این است که خاک دیوار گود بارهای چندین متر دورتر را به سازه نگهبان خرپایی منتقل کند. در طراحی سازه نگهبان باید احتمال پانچ و گسیختگی خاک بررسی شود. در صورتی که سختی خاک پایین باشد و تنش در محل بالا باشد میان سازه و خاک این اتفاق می افتد. میتوان با کم کردن فاصله بین خرپاها و ایجاد سطح سخت روی خاک با این مشکل روبرو شد. 

جزئیات تخصصی سازه نگهبان خرپایی

به بررسی عملکرد لرزه‌ای و ایستایی دیوارهای گودبرداری عمیق محافظت‌شده با سازه‌های نگهبان خرپایی پرداخته است. این بررسی با استفاده از روش المان محدود و تحلیل شبه‌استاتیک انجام شده است. نتایج نشان می‌دهد که افزایش پارامترهای ژئوتکنیکی خاک مانند چسبندگی، زاویه اصطکاک و مدول الاستیسیته باعث کاهش جابجایی افقی حداکثری در دیوار گودبرداری، نشست در زمین مجاور و تورم در کف گودبرداری می‌شود. در مقابل، افزایش فاصله افقی بین خرپاها منجر به افزایش این تغییرات و کاهش ضریب ایمنی می‌گردد. همچنین، با افزایش ضریب شتاب افقی لرزه‌ای و پیشرفت مراحل ساخت، جابجایی افقی دیوار، نشست زمین و تورم کف گودبرداری افزایش یافته و ضریب ایمنی کاهش می‌یابد.

اجرای سازه نگهبان خرپایی چگونه انجام می شود ؟

اولین قدم برای ایجاد ساختار سازه نگهبان فضایی است که عضو عمودی سازه نگهبان خرپایی در آن قرار گیرد و این ساختار روی نقشه اجرایی مشخص می شود. چاهک هایی در مجاورت دیوار حفر می شود. 

عمق چاهک های مناسب سازه نگهبان خرپایی : مجموع عمق گود + طول شمع

عمق چاهک: طول شمع 25% عمق گود – قطر چاهک بیش از 80 سانت

فاصله ی چاهک ها باید به اندازه ای باشد که در اجرای ستون و اسکلت مزاحمتی ایجاد نکند. 

ستون عمومی سازه نگهبان خرپایی

اجرای سازه نگهبان خرپایی در گام بعدی به اجرای ستون عمودی وابسته است. معمولا از IPE دوبل استفاده می شود که برای گیرداری بیشتر آن میتوان از چند ردیف برش گیر یا ناودانی استفاده کرد که در انتهای آی پی ای جوش داده می شود. نیاز است تا جایی که امکان دارد اعضای قائم را به ملک مجاور تکیه داد و در غیر این صورت پیشنهاد می شود بین عضو عمودی با مصالح مناسب پر شود. 

گیردار کردن عضو قائم سازه نگهبان خرپایی

برای گیردار کردن عضو قائم لازم است بتن ریزی شمع انجام شود. با بتن ریزی عضو قائم به صورت گیردار عمل میکند. بتن ریزی با لوله های ترمی انجام می شود و تا تراز کف گود پیش میرود. 

عضو مایل سازه نگهبان خرپایی

برای اجرای عضو مایل سازه نگهبان نیاز است محل فونداسیون آماده سازی شود. برای این منظور عموما فونداسیون به صورت منفرد آرماتوربندی می شود. در گام بعدی ستون را نصب کرده و بتن ریزی و فونداسیون انجام می شود. عضو های مایل را باید از یک سو به فونداسیون اجرا شده و از سوی دیگر به عضو قائم سازه نگهبان خرپایی متصل کرد. خاکبرداری این قسمت مثلثی شکل به صورت مرحله ای انجام می شود. این عملیان تا جایی ادامه دارد که سازه نگهبان خرپایی تکمیل شود. در گام آخر خاک بین خرپا ها را به روش مناسب بر میدارند. 

تثبیت دیواره ی گودبرداری

مرحله ی آخر اجرای سازه نگهبان خرپایی تثبیت جداره های گود است. این کار از ریزش موضعی و جزئی دیواره گود جلوگیری می کند. برای جلوگیری از ریزش از تخته کوبی ، شات کریت و دوغاب استفاده می شود. 

اجزای سازه نگهبان خرپایی

خرپایی‌ها، به عنوان سازه‌هایی مثلثی‌شکل، از اعضای مستقیم و به هم پیوسته‌ای تشکیل شده‌اند که به نحوی طراحی شده‌اند تا نیروها را به شکلی مؤثر توزیع کرده و از عهده تحمل تنش‌های گوناگون برآیند. یک سازه نگهبان خرپایی از اجزای زیر تشکیل می‌شود:

• اعضای کششی و فشاری: این اعضا به ترتیب برای مقابله با نیروهای کششی و فشاری طراحی شده‌اند.
• گره‌ها: نقاط اتصال بین اعضای مختلف که وظیفه توزیع نیروها را بر عهده دارند.
• صفحات پایه: این صفحات وظیفه انتقال بار از سازه خرپایی به خاک یا فونداسیون را بر عهده دارند.

اصول طراحی سازه نگهبان خرپایی

طراحی سازه نگهبان خرپایی نیازمند توجه به متغیرهای مختلفی است؛ از جمله نوع بارگذاری، شرایط زمین‌شناسی و نوع مصالح. در این فرآیند، مهندسان بایستی تحلیل دقیقی از تنش‌ها و تغییر شکل‌های ممکن در سازه داشته باشند. 

یکی از ابزارهای مؤثر در این راستا، تحلیل المان محدود (Finite Element Analysis) است که امکان مدل‌سازی دقیق رفتار سازه تحت تأثیر بارهای مختلف را فراهم می‌آورد.

مزایای اجرای سازه نگهبان خرپایی

• اقتصادی بودن: استفاده از اعضای کوچک‌تر و توزیع بهینه بارها، موجب کاهش هزینه‌ها در مقایسه با سایر سازه‌ها می‌شود.
• سبکی و قابلیت حمل: خرپایی‌ها به راحتی حمل و نصب می‌شوند.
• سادگی اجرا : اجرای این سیستم به راحتی انجام می شود و به دستگاه خاصی نیاز نخواهد داشت
• استحکام بالا: طراحی خاص خرپایی‌ها، آن‌ها را قادر می‌سازد تا نیروهای بزرگی را بدون تغییر شکل قابل توجه تحمل کنند.
• امکان استفاده مجدد : میتوان از سیستم خرپای کار شده مجدد استفاده کرد
• امکان کار در گودبرداری شهری : خرپا امکان اجرا در گودبرداری شهری را خواهد داشت. 
• انعطاف بالا : سیستم های خرپایی انعطاف بالایی در اجرا دارند

معایب سازه نگهبان خرپایی

• نیاز به طراحی دقیق: طراحی این سازه‌ها به دقت و استفاده از نرم‌افزارهای پیشرفته نیازمند است.
• نگهداری و تعمیرات: پیچیدگی ساختار خرپایی‌ها باعث می‌شود که نگهداری و تعمیرات آن‌ها پیچیده و هزینه‌بر باشد.
• سرعت پایین اجرا : در مقایسه با سایر روش ها سیستم خرپایی سرعت پایین تری دارد
• جاگیر بودن : فضای نسبتا زیادی برای اجرا نیاز دارد
• خاکبرداری اجباری : احتمالا پروژه نیاز به خاکبرداری اضافی داشته باشد
• دردسرساز برای عرض کم : اگر در مقایسه با عمق گودبرداری عرض کم باشد عملیات خاکبرداری دشوار می شود
• هزینه بالا برای عمق زیاد : اگر عمق گودبرداری زیاد باشد هزینه ی این سیستم بالا است

سازه نگهبان خرپایی یکی از روش‌های مؤثر در پایدارسازی گودها در مهندسی عمران به شمار می‌روند که با هدف جلوگیری از فروریزش و حفظ پایداری دیواره‌های گود مورد استفاده قرار می‌گیرند. این روش به ویژه در پروژه‌های شهری و مناطق پرتراکم که فضای محدودی دارند، بسیار کارآمد است. در ادامه، خرپایی با سایر روش‌های متداول پایدارسازی گود مقایسه شده و جزئیات اجرایی آن مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

مقایسه روش‌های پایدارسازی گود

مقایسه روش سازه نگهبان خرپایی با سایر روش ها در جدول زیر انجام شده است. بسته به شرایط پروژه میتوان بهترین ایده را برای پایدار سازی گود انتخاب کرد: 

جزئیات اجرای روش خرپایی

روش خرپایی برای پایدارسازی گودها، شامل مراحل زیر است:

1. تحلیل و طراحی:
   • ابتدا باید نوع خاک، عمق گود، و شرایط محیطی تحلیل شوند. این تحلیل‌ها شامل بررسی پایداری دیواره‌ها و تخمین نیروی جانبی خاک است. بر اساس این اطلاعات، نوع و تعداد خرپاها طراحی می‌شود.
2. حفاری مرحله‌ای:
   • حفاری به صورت مرحله‌ای و به عمق محدود انجام می‌شود تا هم‌زمان با پیشرفت حفاری، خرپاها نصب شوند و از فروریزش جلوگیری شود.
3. نصب المان‌های افقی (Struts):
   • در هر مرحله از حفاری، المان‌های افقی (استرات‌ها) که به عنوان تکیه‌گاه‌های موقت عمل می‌کنند، نصب می‌شوند. این المان‌ها بار را به نقاط اتصال (گره‌ها) منتقل می‌کنند.
4. نصب المان‌های عمودی و مایل (Diagonal Members):
   • پس از نصب المان‌های افقی، اعضای عمودی و مایل خرپا نصب می‌شوند. این اعضا نیروهای فشاری و کششی را تحمل می‌کنند و به پایداری کلی سازه کمک می‌کنند.
5. اتصال خرپا به دیواره‌ها:
   • خرپاها به دیواره‌های گود متصل می‌شوند. این اتصال از طریق صفحات پایه و پیچ‌های فولادی صورت می‌گیرد. اتصال باید به گونه‌ای باشد که تمام نیروهای جانبی خاک را به خرپا منتقل کند.
6. پیشرفت حفاری و نصب خرپاها:
   • با پیشرفت حفاری، خرپاهای جدید نصب می‌شوند. هر خرپا باید به خرپای قبلی متصل شده و سیستم یکپارچه‌ای ایجاد شود که بتواند کل نیروهای وارد بر دیواره‌ها را تحمل کند.
7. اتمام حفاری و تثبیت نهایی:
   • پس از اتمام حفاری و نصب کامل خرپاها، سیستم باید مورد بررسی و تست نهایی قرار گیرد. در این مرحله، می‌توان عملیات تثبیت نهایی را انجام داد که شامل تزریق بتن یا استفاده از لایه‌های عایق برای جلوگیری از نفوذ آب است.

روش خرپایی مناسب پایداری سازی گود

روش خرپایی یکی از کارآمدترین و مقاوم‌ترین روش‌های پایدارسازی گودها به ویژه در پروژه‌های شهری است. این روش با توجه به نیاز به دقت بالا در طراحی و اجرا، برای پروژه‌هایی که استحکام و پایداری طولانی‌مدت اهمیت دارد، بسیار مناسب است. با این حال، هزینه‌ها و پیچیدگی‌های اجرایی آن باید مد نظر قرار گیرد و از متخصصین با تجربه در این زمینه استفاده شود.

نقش سازه نگهبان خرپایی در پایداری گود

سازه‌های نگهبان خرپایی (Truss Retaining Structures) به عنوان یکی از روش‌های مهم و مؤثر در پایدارسازی گودها در مهندسی عمران به کار می‌روند. این سیستم‌ها به ویژه در شرایطی که نیاز به کنترل نیروهای جانبی و جلوگیری از فروریزش دیواره‌های گود وجود دارد، بسیار مفید هستند. 

ویژگی سازه نگهبان خرپایی 

خرپاها به دلیل طراحی خاص و مثلثی‌شکل خود، توانایی بالایی در توزیع نیروهای وارد بر سازه دارند. این ویژگی باعث می‌شود که خرپاها بتوانند نیروهای جانبی ناشی از فشار خاک را به خوبی کنترل کنند و از جابجایی دیواره‌های گود جلوگیری کنند. در بسیاری از پروژه‌ها، سیستم‌های خرپایی به عنوان یک روش مکمل در کنار سایر روش‌های پایدارسازی مانند دیوار دیافراگمی، شمع‌کوبی، یا مهار متقابل به کار می‌روند. استفاده از خرپا به عنوان یک سیستم مکمل می‌تواند پایداری کلی سازه را افزایش داده و از ایجاد تغییر شکل‌های غیرمجاز در دیواره‌های گود جلوگیری کند.

اجرای سازه نگهبان خرپایی 

اجرای صحیح سازه‌های نگهبان خرپایی نیازمند دقت بالا و رعایت نکات زیر است:

1. تحلیل دقیق نیروها: باید قبل از شروع اجرا، تحلیل دقیقی از نیروهای وارد بر سازه انجام شود تا طراحی خرپا بهینه‌سازی شود.
2. اتصال مناسب المان‌ها: تمامی اعضای خرپا باید به درستی به یکدیگر متصل شوند تا از توزیع مناسب نیروها اطمینان حاصل شود. عدم اتصال مناسب می‌تواند منجر به کاهش پایداری و حتی فروپاشی سازه شود.
3. پیش‌بینی شرایط محیطی: باید شرایط محیطی نظیر نوع خاک، سطح آب زیرزمینی و بارهای احتمالی ناشی از ساخت و سازهای مجاور در نظر گرفته شوند.
4. نظارت مداوم: در طول اجرای پروژه، نظارت مداوم بر سازه و عملکرد آن ضروری است تا از وقوع حوادث ناگوار جلوگیری شود.
5. مقاومت در برابر خوردگی: مصالح مورد استفاده در خرپا باید مقاوم به خوردگی باشند، به خصوص در محیط‌های مرطوب یا مناطقی که در معرض آب زیرزمینی قرار دارند.

مخاطرات سازه نگهبان خرپایی

• فرسایش و زنگ‌زدگی: در صورت عدم استفاده از مصالح مقاوم در برابر خوردگی، خرپا ممکن است با گذشت زمان دچار زنگ‌زدگی شده و از بین برود.
• خطاهای اجرایی: هر گونه خطا در نصب یا طراحی خرپا می‌تواند منجر به عدم پایداری سازه شود.
• نیروی جانبی بیش از حد: اگر نیروی جانبی خاک بیشتر از ظرفیت تحمل خرپا باشد، سازه نمی‌تواند پایداری لازم را فراهم کند.

استاندارد سازه نگهبان خرپایی

استانداردهای مختلفی برای طراحی و اجرای سازه‌های نگهبان خرپایی وجود دارد که از جمله مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به استانداردهای ASTM و Eurocode اشاره کرد. این استانداردها شامل ضوابطی برای تحلیل، طراحی، و اجرای خرپاها هستند. همچنین، آیین‌نامه‌هایی نظیر AISC نیز برای طراحی و اجرای سازه‌های فلزی از جمله خرپاها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

آخرین پژوهش ها در مورد سازه نگهبان خرپایی

تحقیقات اخیر نشان داده‌اند که استفاده از نرم‌افزارهای پیشرفته تحلیل المان محدود (FEM) می‌تواند به بهبود طراحی خرپاها و کاهش هزینه‌های اجرایی کمک کند. همچنین، مطالعات تجربی نشان داده‌اند که ترکیب خرپا با سیستم‌های دیگر مانند دیوارهای دیافراگمی یا مهارهای متقابل می‌تواند به طور قابل توجهی پایداری گود را افزایش دهد. این تحقیقات همچنین به بررسی رفتار خرپاها تحت بارهای دینامیکی نظیر زلزله پرداخته و نشان داده‌اند که خرپاها می‌توانند در صورت طراحی مناسب، عملکرد خوبی در برابر بارهای لرزه‌ای داشته باشند.

در کل، سازه‌های نگهبان خرپایی همچنان به عنوان یکی از روش‌های اصلی و مؤثر در پایدارسازی گودها به کار می‌روند و با پیشرفت‌های اخیر در تحلیل و طراحی، کاربرد و کارایی آن‌ها به طور مداوم در حال بهبود است.

نکات اجرایی سازه نگهبان خرپایی

در صورت ریزشی بودن خاک، بین اعضای قائم سازه نگهبان خرپایی باید الوارهای چوبی، پانل های بتنی پیش ساخته، شاتکریت و ... قرار داده شود.

الوارها باید به صورت موازی با انجام گودبرداری نصب شوند.

اعضای خرپا عموما نبشی و یا ناودانی می باشد.

برای اعضای قائم از پروفیل H استفاده می شود.

به منظور مهار نیروی بالا برنده موجود در زیر عضو قائم، از شمع بتنی درجا استفاده می شود.

به دلیل وجود نیروی فشاری در زیر عضو مورب، از پی تکی استفاده می شود.

پس از نصب عضو قائم، به منظور پیشگیری از ریزش خاک به درون چاه، داخل آن با ملات ضعیف پر شود. 

پس از اجرای کلیه خرپاها در یک ردیف توصیه می گردد که از هر سه دهانه یک دهانه به صورت بادبندی اجرا شود تا ضمن تامین صلبیت جانبی طول کمانش اعضای قائم و مورب نیز به حداقل کاهش یابد.

شناژ بین پی و شمع ها در پایان عملیات گودبرداری اجرا شوند.

مزایای روش سازه نگهبان خرپایی

اجرای سازه نگهبان خرپایی نیاز به تخصص و دستگاه های خاصی ندارد و ساده است.

در شرایط مختلف قابلیت انعطاف بالایی در اجرا دارند.

امکان استفاده مجدد از خرپا وجود دارد.

در تمامی گودهای واقع در مناطق شهری قابلیت اجرا دارد.

معایب روش سازه نگهبان خرپایی

پایین بودن سرعت اجرا در مقایسه با سایر روش های پیشرفته

اشغال فضای به نسبت زیاد به دلیل جاگیر بودن خرپاها

افزایش هزینه خاکبرداری به دلیل احتمال الزامی بودن برداشتن بخشی از خاک به روش دستی

کاهش فضای حرکت ماشین آلات خاکبرداری

ایجاد مشکل برای عملیات خاکبرداری در صورت کم بودن عرض گود نسبت به عمق گودبرداری