طراحی فونداسیون
طراحی فونداسیون بخش مهمی از طراحی یک سازه را تشکیل میدهد و از این رو توجه کافی و کامل به آن جزو اولویتها محسوب میشود. در طراحی و اجرای اولین برجهای انتقال نیرو، فونداسیونها هم در امتداد با پایههای برج در خاک فرو میرفتند بدون آنکه توجه زیادی به شرایط خاک، معطوف شود. بعدها با افزایش وزن و اندازه برجها، فونداسیونها نیز تغییر نموده و به صورت گریلاژهای فولادی در آمدند. اما گریلاژهای فولادی اغلب دچار خوردگی میشدند و به همین دلیل استفاده از بالشتکهای بتنی به جای گریلاژهای فولادی ترجیح داده شد. در این حالت قسمت کوچکی از نبشی در داخل ستون بتنی روی بالشتک فرو میرفت و انتقال بار از این طریق میسر میشد. سستی خاک، تداخل خط با رودخانه و عوامل مشابه دیگر که استفاده از فونداسیونهای معمولتر را غیرممکن میساخت توجه طراحان را به فونداسیونهای عمیق مانند شمع را جلب نمود.
طراحی فونداسیونهای خطوط انتقال نیرو
فونداسیونهای خطوط انتقال نیرو به علت نقش مهمی که در نگهداری و امنیت مجموعه دارند دارای اهمیت فراوان بوده و طراحی و نظارت بر اجرای صحیح آنها به توجه خاصی نیاز دارد. همچنین با توجه به هزینه نسبتاً بالای احداث فونداسیون برجها که حدود ده درصد هزینه احداث خط را شامل میشود، طراحی اقتصادی آنها کمک قابل توجهی به کاهش هزینهها خواهد کرد. به دلیل قرارگیری فونداسیونها در بستر خاک، مشخصه خاکهای مسیر عبور خطوط نیرو عامل مهمی در طراحی و تعیین ابعاد فونداسیون است. با توجه به وجود طیف وسیعی از خاکها در مسیر یک خط، لازم است با دستهبندیهای مناسب، اقدام به طراحی و ساخت فونداسیونهای مناسب با نوع خاک مسیر نمود. اصول اولیه طراحی فونداسیون بر این مبناست که زمین زیر پایه برج بتواند نیروهای وارد بر آن را به گونهای مناسب تحمل نماید. از طرفی لازم است وزن فونداسیون و خاک روی آن در مقابل نیروهای کششی که تمایل به بیرون کشیدن فونداسیون از زمین را دارند، مقاومت نماید.
شرایط زمین
یکی از اساسیترین اصولی که در طراحی فونداسیون برجهای انتقال نیرو در نظر گرفته میشود، شرایط زمین مورد استفاده است. نوع زمین نقش مهمی در انتخاب نوع و ابعاد فونداسیون دارد. طراحی فونداسیون بستگی به طبیعت بارهای وارده و وضعیت خاکی دارد که بار را تحمل مینماید. روشهای مختلفی برای جمع آوری اطلاعات مربوط به خاک وجود دارد. انتخاب هر یک از این روشها بستگی به هزینه آن و نسبت این هزینه به کل هزینه دارد. وسعت آزمایشات مکانیک خاک، تعداد، عمق و موقعیت گمانهها بوسیله طراح تعیین میشود. بسته به موقعیت توپوگرافی و جغرافیایی معمولاً در طول خط گمانههایی درمحل برج زاویه اصلی یا در هر یک کیلومتر خط یا در محل هر برج لازم است.
ظرفیت باربری خاک و نشست مجاز
فونداسیون یک سازه باید به نحوی طرح و محاسبه شود که در اثر انتقال بارها به زمین مقدار تنشهای ایجاد شده در سطوح مختلف خاک از میزان معین تجاوز نکند. انتقال فشارهای زیاد از حد باعث نشست زیاد فونداسیون، فرو رفتن ناگهانی آن در اثر ایجادسطوح لغزش و جابجاشدن خاکهای زیر فونداسیون میشود.
طراحی فونداسیونها
فلسفه طراحی بایستی مرتبط با قواعد و اصول حاکم بر طراحی برجها باشد. همچنان که فونداسیون ضعیف طراحی صحیح برج را بیفایده مینماید. طراحی یک فونداسیون قوی برای برج ضعیف اتلاف هزینه است. فونداسیون باید مقاوم و پایدار بوده و بارهای مرده و زنده که باعث رانش عمودی میشوند و نیز نیروهای بالابرنده و عکسالعملهای افقی را تحمل نماید. همچنین فونداسیون باید قادر به انتقال نیروها به خاک باشد به طوری که حاشیهای مناسب بین ظرفیت نهایی خاک و فشار وارده وجود داشته باشد.
نشست و چرخش فونداسیون بایستی کمتر از حد مجاز شود. حدود نشست و تغییر مکان مجاز، بستگی به شکل و طبیعت برج دارد. نشست زیاد باعث تنشهای ثانویه قابل توجه در اعضا و خرابی برج میشود. به طور کلی نسبت عرض پایهها و ارتفاع، تغییر مکان مجاز فونداسیون را مشخص مینماید. برجهایی که پایههای عریض داشته باشند، نشستی معادل ۲۰ تا ۲۵ میلیمتر را بدون فشار زیاد تحمل مینمایند. علاوه بر اینها میبایستی در مقابل کشش یا نیروهای بالابرنده قدرت نگهداری لازم وجود داشته باشد. به طور خلاصه در یک طرح مناسب باید به نکات زیر توجه نمود.
- شکل و محل فونداسیون به نحوی انتخاب شود که ایمنی اطراف آن در مقابل تحولات قابل پیشبینی برقرار باشد.
- تنشهایی که فونداسیون بر زمین زیرین خود اعمال میکند در محدودهای باشد که گسیختگی در آن پدید نیاید.
- فونداسیون از لحاظ اقتصادی دارای بهترین ابعاد باشد، به طوری که کمترین مقدار بتن و فولاد در آن بکار رود.
طراحی برای مقاومت
آنالیز پایداری شامل کنترل واژگونی و شکستگی فونداسیون در اثر چرخش، سرخوردن، افزایش فشار خاک نسبت به مقاومت نهایی و از جا درآمدن فونداسیون است. طراحی برای مقاومت نیز عبارت است از قرار دادن صحیح اجزاء به نحوی که فونداسیون بتواند لنگر، برش، کشش و فشار ناشی از نیروهای وارده را به نحو مطلوب تحمل نماید.
انواع فونداسیونها در طراحی فونداسیون خطوط انتقال نیرو
بالشتک بتنی همراه با ستون
این نوع فونداسیون سادهترین نوع فونداسیون خطوط بوده که از یک بالشتک بتنی ساده و ستون روی آن تشکیل شده است. ابعاد و عمق فونداسیون بر اساس سطح لازم برای تحمل نیروهای قائم رو به پایین، مقاومت در برابر نیروهای بالا برنده و مسائل مربوط به برش تعیین میشود. نبشیهای ریشه در داخل بتن قرار میگیرند و به وسیله نبشیها و میلههایی در انتها مهار میشوند. ترکیب ستون و نبشی مانند یک عضو مختلط عمل میکند. در نوع پلکانی باید با دقت زیادی بصورت هرمی یا پلکانی اجرا شوند. در حفظ پیوستگی لایهها (پلهها) مبذول شود. مخارج قالببندی در نوع هرمی بیش از نوع پلکانی است. در این نوع فونداسیون ستون لاغر است و بارهای جانبی در آن تولید لنگر خمشی مینمایند، بنابراین لازم است ترکیبی از نیروهای کششی، برشی و خمشی در طراحی این نوع فونداسیون مد نظر قرار گیرد.
گریلاژ فولادی
گریلاژهای فولادی به شکلهای مختلف طراحی میشوند. در نوع مرسوم آن، گریلاژ فولادی معمولاً از یک لایه تیرهای فلزی بصورت بالشتک تشکیل میشود. عکسالعمل فونداسیون توسط تیرچههای سنگینتر یا ناودانیهای متقاطع به برج منتقل میشود. در برجهای کوچکتر، برش افقی فونداسیون ناشی از مؤلفه افقی نیرو در اعضای قطری، توسط صفحات برشی که ضخامت و بزرگی لازم را دارا باشند به خاک منتقل میشود. نقطهای که اعضای قطری پایه، یکدیگر را قطع میکنند معمولاً یک متر پائینتر از سطح خاک قرار دارد. در برجهای سنگین مثل برجهای زاویه و انتهایی، نیروهای جانبی و برشی با اضافه کردن اعضای مهاری مناسب به تیرهای گریلاژ انتقال داده میشوند. برای احتیاط یک لایه پوشش بیتیوماستیک به قسمت بالای فونداسیون زده میشود تا از خوردگی محافظت شود. وقتی خاکریز به اندازه کافی متراکم شود (به طوری که حبابهای هوا کاملاً خارج شوند) قسمتهای تحتانی از تخریب محافظت میشوند. استفاده از فولاد گالوانیزه نیز امکان خوردگی را از بین میبرد ولی هیچ کدام از این عوامل در مواردی که خاک از لحاظ شیمیائی فعال باشد مانع از خوردگی نخواهد شد. در مواقعی که در مورد جنس خاک تردید وجود دارد، بهتر است قبل از اینکه فونداسیون بصورت گریلاژ طراحی شود، خاک مورد آزمایش قرار گرفته و میزان خورندگی آن مشخص شود.
فونداسیون گریلاژ نسبت به فونداسیون بتنی به فولاد بیشتری نیاز دارد اما هزینه آن جزئی از هزینه ساخت فونداسیون بتنی را تشکیل میدهد که باعث اقتصادی شدن و تسریع در کار میشود. مزیت دیگر این فونداسیون آن است که میتوان فونداسیون را همراه با سایر اعضای برج بصورت پیشساخته از سازنده تحویل گرفت.
فونداسیون سطحی منفرد
فونداسیونهای سطحی منفرد به انواع مختلفی تقسیم میشوند. دو نوع متداول آن که به صورتهای معمولی و شیبدار اجرا شدهاند. در نوع پدستالی شیبدار، محور پدستال در امتداد محور پایه برج قرار دارد. مانند گریلاژ، فونداسیون بالشتک و ستون روی آنها، این مسئله باعث حذف برش در پدستال میشود و لنگر واژگونی به لنگر ناشی از مؤلفه افقی نیرو در عضو قطری متصل به بالای پدستال محدود میشود. این برش افقی یا به خاک مجاور منتقل میشود یا در بیشتر موارد پدستال به صورت یک تیر کنسولی طرح میشود. فونداسیون منفرد برای انواع مختلف خاک قابل استفاده است. وقتی خاک زیر فونداسیون ضعیف باشد و قابلیت انتقال بار را نداشته باشد، از شمع استفاده میشود. فونداسیونهای منفرد از تمام انواع فونداسیونها گرانتر هستند ولی از لحاظ سازهای بهترین نوع هستند. اگر فونداسیون بطور صحیح زیر بارهای وارده قرار گیرد امکان ضعیفی برای شکست هر قسمت وجود دارد.
فونداسیون استوانهای
فونداسیون استوانهای که به صورت در جا در محل ریخته میشود به شکل وسیعی در خطوط نیرو مورد استفاده قرار میگیرد مزیت اصلی این فونداسیون صرفه جویی در زمان و نیروی انسانی است. معمولاً یک متۀ موتوری که روی کامیون نصب میشود حفرهای به قطر لازم ایجاد مینماید. قسمت انتهایی فونداسیون را میتوان برجسته (زنگولهای) ساخت تا مقاومت آن در مقابل نیروهای اعمالی افزایش یابد قطر حفره تا ۱ متر و عمق آن به ۶ متر میرسد. جدارههای حفره نباید قبل از کارگذاری میلگردها ریزش کنند. بنابراین همه انواع خاک برای این نوع فونداسیون مناسب نیستند. معمولاً رس محکم یا شن متراکم خاکهای نسبتاً خوبی محسوب میشوند در حالی که مصالح دانهای سست تا زمان برپا شدن فونداسیون مشکل ساز خواهند بود. دوغاب بنتونیتیی یا مصالح مشابه برای پایدار کردن جدار حفره بکار میروند اما این مصالح اصطکاک لازم را از بین میبرند. در خاکهای نرم میتوان یک غلاف فلزی در حفره قرارداد تا در حین عملیات حفاری، حفره باز بماند. مقاومت در مقابل نیروهای بالا برنده در فونداسیون استوانهای بدون برجستگی انتهایی توسط اصطکاک جانبی فونداسیون با خاک اطراف و وزن فونداسیون تأمین میشود. از این رو مقاومت در برابر نیروهای بالابرنده محدود است. در خاکهای دانهای غیر متراکم، اجرای فونداسیون بدون غلاف دائمی باعث متخلخل شدن بتن در اثر از دست دادن آب داخل آن میشود. فونداسیون استوانهای را میتوان بر حسب مورد قائم یا مورب ساخت یا اینکه چند برجستگی در نقاط مختلف آن پیشبینی کرد.
فونداسیون به صورت تزریق ملات در سنگ
این نوع فونداسیون که در سنگ مهار میشود برای زمینهایی که از لایههای سنگی تشکیل شدهاند مناسب است و بر حسب اینکه مقاومت لازم در مقابل نیروهای بالا برنده چه مقدار باشد از یک یا چند مهار تشکیل میشود. ساختمان فونداسیون با حفاری یک سوراخ بقطر ۱۰۰ الی ۱۵۰ میلیمتر تحت زاویه مناسب شروع میشود. در همین حال مهار کار گذاشته میشود و ملات ماسه سیمان که به آن مواد افزودنی منبسط کننده اضافه شده تزریق میشود.
در مورد برجهای سنگین که سطح مقطع مهار کافی نیست، قلابهای اضافی به نبشی پایه برج وصل شده و به سنگ مهار میشوند. در این حالت معمولاً یک حفره نسبتاً بزرگ در سنگ حفر شده و به منظور کاهش مقدار بتن مصرفی و افزایش کارایی سعی میشود حتیالمقدور کنارههای حفره قائم باقی بمانند. این فونداسیون از لحاظ قیمت ارزانتر از سایر فونداسیونهایی است که در خاکهای معمولی ساخته میشود. مشکل اساسی این نوع فونداسیون عدم امکان تعیین جنس سنگ در محل و انتخاب صحیح مصالح قبل از اتمام آزمایشات کامل مکانیک خاک است. مقاومت مهار بستگی به چسبندگی بین ملات و میل مهارها دارد و اغلب توسط آزمایش تعیین میشود.
فونداسیونهای پیشساخته
با توجه به اینکه معمولاً در محل نصب برج نمیتوان بتن با کیفیت مناسب تهیه کرد، این نوع فونداسیون بصورت مسلح یا پیشتنیده در کارخانه ساخته میشود. در برخی کشورها، فونداسیون منفرد بصورت پیشساخته و مسلح ساخته شده و به راحتی مورد استفاده قرار میگیرد. مزایای فونداسیونهای پیش ساخته به شرح زیر است.
- کنترل بهتر کیفیت بتن و ساخت
- صرفهجویی در نیروی کار
- استفاده مجدد از قالب و استفاده اقتصادی از مصالح بعلت شرایط کار در کارخانه
مشکل اساسی در استفاده از فونداسیونهای پیشساخته، محدودیت در حمل و نقل و امکانات موجود برای نصب آن در محل است. برای غلبه بر این مشکلات، فونداسیون باید بصورت اجزای جداگانه ساخته شود و سپس به کارگاه حمل و در آنجا سوار شود.
فونداسیون با شمع
شمعها اعضایی از جنس فولاد، بتن، بتن مسلح و چوب هستند که در صورت مناسب نبودن ظرفیت باربری زمین برای استفاده از فونداسیونهای سطحی، از آنها برای ساخت فونداسیونهای عمیق (فونداسیونهای شمعی) استفاده میشود. مخارج احداث فونداسیونهای شمعی خیلی بیشتر از فونداسیونهای سطحی است. علیرغم مخارج بیشتر، در عمل موارد متعددی وجود دارد که برای ایمنی سازه در مقابل نشست و عوامل دیگر، از فونداسیونهای شمعی استفاده میشود.
شمع اتکایی
اگر بستر سنگی و یا لایه شبیه سنگ (خیلی متراکم) در عمق منطقی قرار داشته باشد، شمع را میتوان تا آن لایه ادامه داد. دراین حالت ظرفیت باربری شمع کاملاً بستگی به ظرفیت باربری بستر سنگی در مقابل نوک شمع خواهد داشت. به همین علت، این شمعها را اتکایی مینامند. در چنین حالتی با توجه به معلوم بودن عمق بستر سنگی از روی گمانههای حفر شده، تعیین طول شمع کار چندان مشکلی نخواهد بود.
شمع اصطکاکی
در صورتی که عمق بستر سنگی یا لایه شبیه به سنگ زیاد باشد، طول لازم برای شمع اتکایی غیراقتصادی خواهد شد. در چنین شرایطی شمع به عمق مناسبی در لایه نرم فوقانی بدون اینکه به لایه سخت برسد، کوبیده میشود. از آنجایی که مقاومت اتکایی نسبتاً کوچک است، ظرفیت باربری نهایی شمع به ظرفیت باربری اصطکاکی محدود میشود. انتخاب نام اصطکاکی برای این شمعها، از آنجا ناشی میشود که اکثر مقاومت آنها به وسیله اصطکاک جدار تأمین میشود. البته این نام بعضی مواقع میتواند گمراه کننده باشد، زیرا مقاومت شمعهایی که در لایه رسی کوبیده میشوند، بستگی به چسبندگی بین جدار شمع و رس دارد.
شمع تراکمی
در بعضی موارد شمعها به منظور بوجود آوردن تراکم مناسب در لایههای سطحی در خاکهای دانهای کوبیده میشوند. این شمعها به شمعهای تراکمی موسومند. طول شمعهای تراکمی به عوامل زیر بستگی دارد.
- تراکم نسبی خاک قبل از تراکم
- تراکم نسبی مورد نیاز بعد از تراکم
- عمق لازم برای تراکم
اثر گروهی شمع بر روی ظرفیت باربری شمعها
معمولاً شمعها بصورت گروهی به کار میروند. به این ترتیب که یک فونداسیون یا سر شمع در بالای آنها قرار گرفته و بارها را به شمعها منتقل میکند. با توجه به تأثیری که شمع بر خاک اطراف خود دارد، امکان تداخل این اثرات در گروه شمع وجود داشته و باعث کم شدن مقاومت نهایی گروه شمع خواهد شد.