بهسازی پی ساختمان
اگر چه افزودن یا تکمیل پیهای موجود برای اعضای جدید در سازه اصلی از قبیل دیوارهای برشی و قابهای مهاربندی شده در بهسازی لرزهای متداول است، ولی بهسازی کمبودهای پی موجود در مقایسه با آن کمتر مورد توجه است. دو دلیل عمده برای این موضوع وجود دارد، نخست اینکه عملیات بهسازی پی ساختمان موجود بسیار پرهزینه است و دوم اینکه درگزارشهای رسیده از بررسیهای اولیه موارد آسیب در زلزلهها تعداد نسبتاً کمی از آسیبهای جانبی و مالی ناشی از گسیختگی پی گزارش شده است.
تحلیل پی یکی از قسمتهای چالش آفرین بهسازی لرزهای است. فرضیات متفاوت با توجه به شرایط بهتر تکیهگاهها، خواص خاک محل و موقعیت و نوع رفتار غیرخطی محتمل به تغییر گستردهای در نتایج منجر میشود. برای بسیاری از ساختمانها، ارزیابی نتایج اولیه برای فهم چگونگی اندرکنش پی با سازه اصلی و خاک پیرامونی تحت بارگذاری زلزله نیازبه مدل سازی و تحلیلهای دقیقتر دارد. معمولاً تسلیم یک عضو پی یا خاک مکانیزم حاکم خرابی است، اما تنها پس از نگاهی به سازه اصلی و زیر سازه به عنوان یک مجموعه است که میتوان توالی و طبیعت رفتاری عضو را تعیین کرد.
چنانچه تحلیل منطقی نشان دهد که پیهای جدید باید افزوده یا پیهای موجود اصلاح شوند، مهندس سازه باید فهم درستی از مشکلات مهندسی خاک، اهداف بهسازی، توصیههای عملکردی، و فرضیات و روشها و محدودیتهای اجرایی داشته باشد. روشن است که بهسازی سازه موجود نسبت به اجرای سازهی جدید بسیار مشکلتر است. به دلیل هزینه بهسازی پی، دیگر گزینهها باید کاملاً بررسی و نیاز به اصلاح پی، قطعی تشخیص داده شود.
اهداف کلی بهسازی لرزهای پی
هدف از هر ارزیابی لرزهای تشخیص کمبودها، احتمال نسبی وقوع آنها و خطراتی است که به دنبال دارند. طی این ارزیابیها، پی نباید از نظر دور بماند و پاسخ رفتار پی باید در متن رفتار کلی ساختمان لحاظ شود. چنانچه پی به عنوان عضو ضعیف تشخیص داده شد، نوع مکانیزم پی باید تشخیص داده شود. موارد مرتبط با پی جزء جدایی ناپذیر هر راهبرد بهسازی سازهای است. ممکن است پاسخ رفتاری ساختمان را با بهسازی در سازه اصلی به نحوی تغییر داد که حذف مدهای نامطلوب پی را به دنبال داشته باشد. چنانچه عملیات بر روی پیالزامی شود، اهداف طرح بهسازی شامل تأمین مقاومت، سختی و شکلپذیری کافی برای فشار، کشش و بارهای جانبی، تشخیص مکانیزمی تعریف شده و شکلپذیر برای اتلاف انرژی و به حداقل رساندن بازتوزیع تنش گرانشی در پی موجود لازم است. پیهای جدید نباید زیر پیهای موجود را چه طی اجرا و چه در دراز مدت خالی کنند. به علاوه سختی کمتر خاک متراکم نشده در زیر پی جدید در مقایسه سختی بالاتر زیر پی قدیمیتر موجود، باید مورد توجه قرار گیرد.
مسائل اجرایی
بهسازی پی در ساختمانهای موجود کاری سخت و دشوار است و معمولاً سیستمها و روشها را تحت تأثیر قرار میدهد.این موارد به شرح زیر است.
محدودیتهای دسترسی و ارتفاع
اجرای پیهای ظریف، چون پیهای منفرد یا شناژها، معمولاً با روشهای دستی یا تجهیزات حفاری کوچک انجام میشود و به ندرت مشکلزا هستند، اگر چه زمان بیشتری نسبت به اجرای آنها برای ساختمانهای جدید نیاز است. با وجود این، اجرای پیهای عمیق محدودیتهای اجرایی زیادی دارند. برای مثال تجهیزات حفاری برای پیهای ستونی، هر چه بزرگتر باشند کارآمدترند.
بردن تجهیزات حفاری به داخل یک ساختمان ممکن است به بزرگ کردن بازشوهای موجود نیاز داشته باشد. در حالی که ارتفاع طبقات در داخل معمولاً به مقدار قابل توجهی اندازه تجهیزات حفاری را که میتوان به کار برد، محدود میسازد. حفاری در مجاورت دیوارها ممکن است، اندازه پی ستونی را محدود سازد و یا به جابهجایی آن به سمت داخل دیوار و ایجاد خروج از مرکزیتی منجر شود که باید مورد توجه قرار گیرد.
محدودیتهای برآمده از تأسیسات موجود
اکثر ساختمانها تأسیساتی در زیر تراز همکف یا دال روی سطح زمین دارند. موقعیت و عمق آنها ممکن است کاملاً مشخص نباشد. در حفاری زیر تراز زمین حفظ احتیاط ضروری است و معمولاً با روشهای دستی انجام میشود تا به تأسیسات آسیبی نرسد. محدودیتهای ناشی از حفظ بهرهبرداری ساختمان همانند عملیات بهسازی بر روی سازه اصلی، چنانچه ساختمان ساکنین داشته و یا وسایل و تجهیزاتی در آن باشد، تخریب پی، حفاری و عملیات خاکبرداری باید با هماهنگی لازم انجام شود.
انواع پیهای جدید متداول در بهسازی لرزهای
پیها را میتوان به دو دسته اصلی تقسیم نمود.
پیهای سطحی و پیهای عمیق، پیهای سطحی شامل پیهای نواری پیوسته، پیهای منفرد، شناژها و پیهای یکپارچه هستند. پیهای عمیق شامل پیهای ستونی درجا و ریزشمعها هستند. از شمعهای کوبیده شده به دلیل محدودیتهای دسترسی و لرزش آنها به ندرت برای ساختمانهای موجود استفاده میشود.
در خاکهای چسبنده، احتمالاً میتوان بدون ریزش خاک در سوراخ، حفاری را انجام داد. در صورتی که احتمال ریزش خاک در درون سوراخ پس از حفاری اولیه باشد، میتوان از قالبهای دایمی فلزی (قالبهای متشکل از شبکههای تورسیمی فلزی) در دیواره استفاده کرد. این قالبهای دایمی پس از ریختن بتن در محل باقی میمانند. با وجود این، هنگامیی که حفاری به عمق خاصی برسد، براساس آییننامههای ایمنی به شمعگذاری نیاز است و
یا میتوان از حفاری باز استفاده کرد. در خاکهای غیرچسبنده همچون ماسه انجام حفاری به صورت باز الزامی است. پساز قالببندی و بتنریزی قالب برداشته شده و سپس خاکریزی پشت پی انجام میگیرد. راه دیگر این است که قالب حذف شده و کل ناحیه حفر شده با بتن پر شود. در این صورت خروج از مرکزیت بتن اضافه ریخته شده باید در نظر گرفته شود.
افزودن پی سطحی در مجاورت پی سطحی موجود
تشریح خصوصیات روش بهسازی
هنگامی که پوشش بتنی جدید بر روی دیوار موجود استفاده شود، معمولاً به پی جدیدی نیاز است. حالت معمول این است که پی موجود پی نواری ممتدی است و پی جدید نیز یک پی نواری یا یک شناژ است. یک دیوار بتنی جدید و پی مربوط به آن در مجاورت دیوار بنایی غیرمسلح موجود و پی نواری بتنی دیوار را نشان میدهد.
ملاحظات طراحی
عرض مؤثر پی
روشهای متعددی برای طراحی پی استفاده میشود. نخستین روش این که فرض کنیم پی جدید به تنهایی بارهای ناشی از پوشش جدید را تحمل میکند. روش دیگر تقسیم بار میان پیجدید و پی موجود براساس سطح آنهاست. پیچیدهترین روش، شناسایی سختی احتمالا متفاوت بین خاک زیر پی موجود که بیشتر تحکیم یافته و خاک زیر پی جدید که احتمالاً به دلیل سبکتر بودن بارها و جدید الاحداث بودن آن انعطافپذیر است، میباشد. گاهی برای انتقال بارها به پی جدید از جک استفاده میشود.
انتقال برش
اتصال پیهای جدید و موجود با استفاده از میلگردهای اتصال، عملی استاندارد است، اگر چه باید سنجید که آیا به میلگردهای اتصال نیاز هست یا نه. میلگردهای اتصال تعبیه شده در پیها و دیوار روی آن باید چنان طراحی شود که برای انتقال نیرویی که پیشبینی میشود پی موجود باید تحمل کند، مناسب باشد.
پی غیرمسلح موجود
پیهای موجود ممکن است از مصالح بنایی غیرمسلح و یا از بتن با آرماتورهای ناکافی ساخته شده باشد. اگر پی به اندازه کافی عریض باشد که تحت فشار تکیهگاهی رفتار تیر گونه از خود نشان دهد، میلگردهای اتصال تحتانی تعبیه شده را میتوان در عمق بیشتر در پی موجود در نزدیکی کف پی قرار داد تا به عنوان آرماتور مثبت عمل کند.
ملاحظات اجرایی و تهیهی جزئیات
پی جدید عمیقتر از پی موجود
هدف اصلی از افزودن پی جدید تحمل بار اضافه یا خالی کردن زیر پی موجود نیست. بنابراین بهترین روش یکسان نمودن عمق پیهای جدید و موجود است، البته این کار همیشه امکان پذیر نیست.
در خاکهای با چسبندگی کم، ممکن است خاک از زیر پی موجود به داخل ناحیه جدید حفر شده ریزش کند که به حرکت پی منجر میشود. از زیربندی برای اصلاح این حالت استفاده میشود. زیربندی به معنای کندن یک سری گودالهای با طول کوتاه است که در فواصل کافی از هم قرار گرفته، سپس کانال از انتهای اولین گودال به زیر پی موجود زده شده و با بتن جدید پر میشود. این مراحل برای تمامی گودالها به ترتیب تکرار میشود. روش دیگر زیر بندی، ساخت پیهای ستونی بلند به طور متناوب در زیر پی جدید به منظور انتقال تکیهگاه پی در عمق است تا به عمیقتر کردن پی جدید نیازی نشود.
پی جدید در عمق کمتر از پی موجود
چنانچه حفاری سطحی باشد، پی جدید در صورت بارگذاری میتواند بارهای اضافی و خارج از محور را به پی موجود اعمال کند که این مورد مطلوب نیست. در نتیجه افزودن به عمق پی جدید و یکسان کردن عمق آن با پی موجود متداول است. این عمق افزوده را معمولاً با آرماتورهای کمتری مسلح میکنند.
پی موجود در مسیر احداث پی جدید
برای اجرای پی جدید، قسمتی از پی موجود معمولاً باید بریده شود تا امکان مسطح کردن پی به طریق مناسبی وجود داشته باشد. این کار را میتوان با پی کور یا ارههای برقی انجام داد. ظرفیت پی موجود در شرایط موقتی که ابعاد آن کوچکتر شده و تحت بارگذاری برون محور قرار میگیرد، باید کنترل شود.
اجرای پی عمیق در مجاورت پی سطحی موجود
اجرای یک پی عمیق در مجاورت یک پی موجود به خوبی انجام میپذیرد. محدودیتهای حفاری ممکن است خیلی زیاد و شامل عدم ارضای نیازمندیهای دسترسی و محدودیتهای ارتفاعی برای تجهیزات مربوط، نبود امکان عقب نشینی به مقدار لازم برای قرارگیری دستگاه حفاری در مقابل دیوار موجود، لرزشهای طی حفاری و برخورد باتأسیسات در مسیر حفاری باشد. معمولاً هنگامی که به وجه خارجی ساختمان امکان دسترسی وجود دارد، حفاری مورب در زیر پی موجود انجام میگیرد.
معمولاً فواصل پیهای ستونی درجا به گونهای انتخاب میشود که پی و دیوار موجود به راحتی از روی سوراخ باز حفر شده گذشته و یا در کنار آن قرار گیرند. پس از آنکه پی ستونی و دیوار جدید اجرا شد و به پی و دیوار موجود دوخته شد، یک سیستم کامپوزیت کاملاً یجاد میشود. اگر چه بسیاری از مهندسان بارهای گرانشی را به پی منفرد موجود و واژگونی را به پی ستونی اختصاص میدهند، در واقع بارهای زنده و بارهای زلزله در سیستم بر اساس صلبیت نسبی توزیع میشوند.
افزودن پی عمیق در مجاورت پی عمیق موجود
حالاتی نیز میتوان یافت که پی عمیقی در مجاورت پی عمیق موجود اجرا شود. پی عمیق جدید شامل پیهای ستونی درجا یا ریز شمعهاست.
بهسازی سازهای پی سطحی موجود
بهسازیهای سازهای پی سطحی موجود را عموماً میتوان در دو گروه عمده دستهبندی کرد، ارتقای ظرفیت فشاری و ارتقای ظرفیت کششی.
روشهای کلی برای بهسازی ظرفیت فشاری
ظرفیت مقاومت فشاری پیهای منفرد و نواری موجود را میتوان با پهن نمودن بستر پی، جایگزینی پی با یک پی طویلتر؛ افزودن ریز شمعها، مهار پی با استفاده از پیهای ستونی درجا در مجاورت پی موجود، افزودن ریزشمعها در داخل پی موجود و افزودن شناژهایی برای اتصال پیهای منفرد مجزا به هم اصلاح نمود.
روشهای کلی بهسازی ظرفیت کششی
بهسازی ظرفیت کششی ناکافی پیهای منفرد و نواری با استفاده از روشهای مشابهی با آنچه برای بهسازی ظرفیت فشاری انجام میگیرد، صورت میپذیرد که شامل پهن نمودن بستر پی برایافزایش بار مرده، جایگزینی پی با یک پی طویلتر، افزودن ریزشمعها، مهار پی، یا بستن به پی مجاور موجود و یا افزودن شناژها در مجاورت پیها و ستونها برای تحمل بار مرده بیشتر و تحمل بلندشدگی است.
افزودن ریزشمعها در مجاورت پی نواری موجود
موارد کاربرد
- ظرفیت فشاری ناکافی در پنجهی پینواری زیر دیوار
- ظرفیت کششی ناکافی در پاشنهی پینواری زیر دیوار
برای بهسازی ظرفیت فشاری و یا کششی پی موجود، پی پهنتر شده و ریزشمعهایی که تحت عنوان شمعهای مهاری نیز شناخته میشوند، اضافه میشود.
ملاحظات طراحی
سختی و مقاومت فشاری
در صورت اتصال ریزشمعها به هم به وسیلهی پی نواری، بارها در بین دو عضو مختلف براساس صلبیت نسبیشان تقسیم میشوند. مقاومت و سختی ریزشمع در گزارش ژئوتکنیک داده میشود. مقاومت مفروض بستگی به ظرفیت خاک و ظرفیت سازهای شمع، شامل لوله، گروت و آرماتورها دارد. در سختی فشاری باید حرکت اعضای شمع و خاک پیرامونی لحاظ شود.
مقاومت و سختی کششی
بلندشدگی را ریزشمعها تحمل میکنند. مقاومت کششی سازهای در ریزشمعها کمتر از مقاومت فشاری آنهاست و معمولاً تنها توسط آرماتورهای آنها تامین میشود، مگر اینکه جزئیات ویژهای برای درگیرنمودن بالای محفظه بتنی برای کشش تعبیه شود. سختی کششی نیز معمولاً کم است، انعطافپذیری کششی با انبساط طولی آرماتورها و حرکت خاک پیرامونی حاصل میشود.
آثار خوردگی
غلاف دایم ریزشمعها عموماً بدون پوشش است. بسته به میزان خوردگی خاک، خوردگی این غلاف دایم در طی زمان رخ میدهد. روشهایی برای ارزیابی میزان ضخامت لوله فولادی از بین رفته بر اثر خوردگی وجود دارد، با استفاده از این روشها ضخامت کاهش یافته و کاهش ظرفیتهای جانبی و کمانشی شمع را میتوان محاسبه کرد.
شمعهای اتکایی و اصطکاکی
به دلیل کوچک بودن ابعاد، عموماً بیشتر ظرفیت ریز شمعها از اصطکاک حاصل میشود. بنابراین ظرفیت فشاری ژئوتکنیکی ریزشمع عموماً برابر با ظرفیت کششی محوری آنهاست.
پرکردن فضای دایروی پیرامونی با گروت
چنانچه تجهیزات حفاری ریز شمع، دایرهای با شعاع کمی بیشتر از غلاف دایم شمع ایجاد نماید، فضای دایروی در پیرامون غلاف شکل میگیرد که باید این فضا با گروت پر شود.
افزایش طول یا جایگزینی یک پی منفرد موجود
موارد کاربرد
- ظرفیت فشاری ناکافی پی مفرد
- ظرفیت کششی ناکافی پی مفرد
تشریح خصوصیات روش بهسازی
پی منفرد میتواند در زیر ستونهای قاب مهاربندی شده، قاب خمشی یا یک ستون بتنی در زیر یک دیوار برشی ناپیوسته واقع شود و تحت نیروهای فشاری و کشش یای فراتر از ظرفیت خود قرار گیرد. تغییر ابعاد و یا جایگزینی پی موجود سبب افزایش ظرفیت فشاری و یا کششی به واسطه افزایش بار مرده میشود.
ملاحظات اجرایی و تهیهی جزئیات
ملاحظات اجرایی و تهیه جزئیات برای بزرگ کردن یا جایگزینی پی منفرد شامل موارد زیر میشود.
آرماتوربندی موجود
آرماتوربندی موجود در پی را باید محافظت کرد.
همپوشانی با دال واقع بر روی زمین
آرماتور دال موجود احتمالاً بصورت شکبه است. برای به حداقل رساندن جابهجایی قائم، دالهای موجود و جدید باید به هم دوخته شوند، برای همپوشانی، شبکه آرماتور دال واقع بر زمین را با تخریب دال میتوان حفظ نمود و یا میلگردهای اتصالی در لبه دال موجود تعبیه کرد.
انتقال برش بین پیهای موجود و جدید
انتقال برش در بین پیهای موجود الزامی است. این کار را میتوان بامضرس نمودن سطح پی موجود انجام داد. برخی مهندسان نمای سطح پی کناری موجود را پخ میکنند به نحوی که در بالا پهنتر از پایین است و بنابراین فشار به طرف خارج تحت بار فشاری اعمال میشود. برخی مهندسان پی جدید را نسبت به پی موجود کمی عمیقتر اجرا میکنند و خاک موجود در لبه پی موجود را از زیر خالی میکنند. بنابراین پی جدید به مانند یک کربل برای تحمل فشار رو به پایین از پی موجود عمل میکند.
شمع گذاری
اگر پی موجود جایگزین نشود، نیاز به شمع گذاری است. تحکیم مناسب بستر پی و پر کردن بتن جدید به صورت کامل در زیر ستون برای به حداقل رساندن یا حذف هر گونه نشست پی ناشی از برداشتن شمعها ضروری است.