شمع در ساختمان چیست؟

استفاده از خاک به علت ارزانی و دسترسی آسان به آن از گذشته تا به امروز به صورت گسترده ای در سازه های مختلف عمرانی مورد استفاده بوده است. اما آنچه این امر را به مخاطره انداخته است، عدم عملکرد مناسب خاک تحت کشش است. در این راستا محققان زیادی برای دستیابی به روش مناسبی برای بهبود عملکرد خاک در این شرایط تحقیقات گسترده ای را انجام داده اند.

نکته بسیار مهمی که موفقیت این تحقیقات را برای استفاده در صنعت ساخت و ساز فولاد تضمین می کند اقتصادی بودن آن ها است. اما روش های مختلفی برای بهسازی خاک وجود دارد که پیش از هر اقدامی، باید بدانیم پی چیست و از اهمیت استحکام بستر آن در پایداری سازه اطلاع داشته باشیم؛ چرا که شناخت دقیق این مفهوم، مبنای انتخاب صحیح روش بهسازی خواهد بود. مهم ترین این روش ها عبارتند از:

• حفاری، برداشت و جایگزینی
• تراکم سطحی
• تراکم دینامیکی
• تراکم ویبره – شناوری در عمق
• انفجار
• پیش فشردگی از طریق پیش بارگذاری
• تزریق
• استفاده از سیستم های برودتی
• تسلیح خاک

شمع در ساختمان چیست؟

شمع ها اعضای سازه ای از جنس چوب، بتن و یا فولاد هستند که برای انتقال بارهای سطحی به اعماق خاک مورد استفاده قرار می گیرند. هنگامی که لایه های سطحی خاک مقاومت کافی نداشته باشند و شناسائی هایی تحت الارضی وجود لایه های مقاوم در اعماق را نشان دهند ممکن است از پی های عمیق یا شمع استفاده گردد. مخارج احداث شمع ها خیلی بیشتر از پی های سطحی است. علی رغم مخارج بیشتر، در عمل موارد متعددی وجود دارد که برای ایمنی سازه در مقابل نشست و عوامل دیگر، از شمع ها استفاده می شود. بعضی از شرایطی که استفاده از شمع ها را ایجاب می کنند عبارتند از:

وقتی که لایه یا لایه های فوقانی خاک دارای قابلیت فشردگی زیاد و یا خیلی ضعیف باشند به طوری که نتوان از پی سطحی برای توزیع بار سازه استفاده نمود، شمع ها برای انتقال بار به لایه های تحتانی محکم تر و یا سنگ بستر مورد استفاده قرار می گیرند.

اگر شمع ها تحت تاثیر نیروی افقی قرار گیرند، می توانند به وسیله خمش آن را تحمل نمایند. این وضعیت اغلب در شالوده سازه های حایل خاک که وظیفه آن ها مقاومت در مقابل فشار جانبی خاک است و یا سازه های بلند که تحت تاثیر نیروهای باد یا زلزله قرار دارند پیش می آید. به خاطر وجود مساله آب شستگی و فرسایش در محل پایه های پل، این پایه ها اغلب بر روی شالوده های شمعی احداث می شوند.

در بسیاری از موارد به منظور کاهش دامنه حرکت ماشین آلات لرزنده و چرخشی و کنترل فرکانس طبیعی سیستم پی – خاک – ماشین از شمع استفاده می شود.

یکی از روش های بهسازی و مقاوم سازی خاک که امروزه رواج بسیاری دارد، مسلح نمودن خاک است که مشابه بهبود خصوصیات بتن توسط آرماتور عمل می کند. تسلیح خاک می تواند توسط المان های مختلف به صورت قائم، افقی یا مایل انجام شود. تسلیح خاک می تواند توسط شمع، سپر، ستون های آهکی و سنگی ، ریز شمع ها ، میل – مهار یا خاک مسلح انجام شود. در ادامه به مسلح نمودن خاک توسط شمع در ساختمان خواهیم پرداخت.

انواع شمع ها بر اساس نحوه اجرا

انتخاب روش صحیح برای اجرای شمع گذاری یکی از حیاتی ترین تصمیمات در مهندسی عمران است که مستقیماً بر ایمنی و پایداری سازه تأثیر می گذارد. شمع ها به طور کلی بر اساس نحوه ساخت و نصب در زمین به دو دسته اصلی تقسیم می شوند: شمع های درجا که در داخل خاک ساخته می شوند و شمع های پیش ساخته که قبلاً تولید شده و در زمین کوبیده می شوند. هر کدام از این روش ها مزایا و معایب خاص خود را دارند که بسته به نوع پروژه و شرایط خاک مورد استفاده قرار می گیرند. در ادامه به بررسی دقیق این انواع و مراحل اجرایی آن ها می پردازیم.

شمع های درجا (In-situ)

شمع های درجا به نوعی از شمع ها گفته می شود که عملیات ساخت آن ها مستقیماً در داخل زمین و در محل پروژه انجام می شود. در این روش، ابتدا یک چاله در زمین حفر می شود (با استفاده از مته های مکانیکی یا دستی)، سپس آرماتوربندی داخل آن قرار داده شده و در نهایت بتن ریزی انجام می گردد. این روش برای پروژه هایی که نیاز به عمق زیاد یا قطر بزرگ شمع دارند بسیار مناسب است و لرزش ناشی از کوبیدن شمع در آن وجود ندارد که این امر برای ساختمان های مجاور بسیار مهم است. اجرای صحیح این شمع ها نقش اساسی در استحکام پی و انتقال ایمن بارهای وارده به لایه های زیرین دارد.

شمع های پیش ساخته (Precast)

شمع های پیش ساخته در کارخانه های تولید مصالح ساختمانی با نظارت دقیق و کیفیت بالا تولید شده و پس از رسیدن به مقاومت کافی، به محل کارگاه منتقل می شوند. این شمع ها می توانند از جنس بتن مسلح یا فولاد باشند و با استفاده از دستگاه های ضربه زنی (شمع کوب) یا فشار جک در زمین قرار می گیرند. سرعت اجرای بالا در این روش بسیار چشمگیر است، زیرا نیازی به صبر برای سخت شدن بتن در محل نیست. با این حال، هزینه خرید این شمع ها و حمل آن ها به کارگاه می تواند بالاتر باشد و به عواملی مانند نوسانات بازار و قیمت آهن برای شمع های فلزی بستگی دارد.

مراحل اجرای شمع گذاری (شمع کوبی)

فرآیند شمع کوبی شامل مجموعه ای از اقدامات دقیق است که برای تثبیت سازه در خاک های ضعیف انجام می شود. ابتدا محل دقیق نصب شمع ها روی زمین نشانه گذاری شده و دستگاه شمع کوب مستقر می گردد. سپس شمع پیش ساخته به صورت عمودی در جای خود قرار گرفته و با ضربه های مکرر وزنه های سنگین در زمین فرو می رود تا به لایه مقاوم برسد. این عملیات تا زمانی ادامه می یابد که شمع به عمق و ظرفیت باربری طراحی شده برسد. در نهایت، سر شمع ها برش خورده و با کلاهک شمع به ستون های اصلی متصل می شوند تا فونداسیون ساختمان به صورت یکپارچه و ایمن تکمیل گردد.

موارد کاربرد شمع در ساختمان

به طور خلاصه می توان کاربرد شمع ها را در زمینه های ذیل بر شمرد:

انتقال بار سازه های بسیار سنگین به عمق زمین

به عنوان شالوده بعضی از سازه ها نظیر خطوط انتقال برق، اسکله ها، شالوده های گسترده در زیر آب زیرزمینی که تحت تاثیر نیروهای بر کنش قرار دارند.

برای کاهش دامنه حرکت ماشین آلات لرزنده و چرخشی و کنترل فرکانس طبیعی سیستم پی – خاک – ماشین

در مواردی که احداث بنادر در خاک قابل تورم و یا فرو ریزشی انجام شود.

در اسکله ها برای مقابله با نیروهای جانبی ناشی از امواج و ضربه کشتی ها

به منظور متراکم نمودن خاک های سست با چسبندگی کم. در این موارد پس از انجام عملیات اصلاح خاک ممکن است شمع ها بیرون کشیده شوند.

کاهش خطرات آب شستگی و فرسایش در محل پایه های پل ها

جهت کنترل نشست پی های تکی یا گسترده ای که روی خاک های سست یا بسیار قابل تراکم قرار دارند.

پایدار کردن شیب ها

خاکریز مسلح متکی بر شمع

مهندسی ژئوتکنیک نیز همانند دیگر علوم مهندسی در چند دهه اخیر شاهد پیشرفت های گسترده بوده است که یکی از این پیشرفت ها بسط و گسترش مفهوم تسلیح خاک است. استفاده از خاکریز متکی بر شمع، سال های زیادی است که در اروپا و آسیا مورد استفاده است. در این سیستم از شمع برای تسلیح خاک استفاده شده است. این سیستم براساس مفهوم قوس زدگی بنا شده است.

با پیشرفت مفهوم خاک مسلح، پژوهشگران استفاده همزمان عناصر تسلیح و شمع را در سیستم قبلی پیشنهاد کردند. طی تحقیقاتی که درباره استفاده همزمان آن ها صورت گرفت ثابت شده که عملکرد سیستم به صورت قابل ملاحظه‌ای افزایش خواهد یافت. لذا سیستم جدیدی به نام سیستم خاکریز مسلح متکی بر شمع ابداع شد.

یکی از مهمترین مسلح کننده ها ژئوسینتیک ها هستند که به ژئوتکستایل ها، ژئوگریدها، ژئونت ها، ژئوممبرین ها و ژئوکامپوزیت ها تقسیم می شوند. در این سیستم نیز برای تسلیح کننده ها استفاده می شود. البته طراح با توجه به شرایط منطقه و هدف به کارگیری آن ها که می تواند علاوه بر تسلیح، زهکشی هم باشد، یکی از این پنج دسته را به عنوان المان تسلیح کننده استفاده می کند.

شمع ها در این سیستم از تنوع بسیاری چه از لحاظ جنس و چه از لحاظ برخوردارند. برای مثال جنس شمع های مورد استفاده در این سیستم تاکنون از بتن، چوب و انواع شمع های پلیمری بوده است. قطر شمع نیز از 10 سانتی متر تا 60 سانتی متر متغیر بوده است. طول شمع ها نیز بسته به شرایط محل و عملکرد آن ها بسیار متفاوت می باشد.

سوالات متداول