مهارمتقابل یا استرات چیست؟ (Braced Excavations – Struts)

 رز روفینگ:مهارگذاری فشاری خاک یا به اختصار مهارمتقابل (استرات) یکی از روش ­های پایدارسازی گودهای با عرض کم است که غالباً به علت عدم اجازه همسایه های مجاور استفاده می گردد.

در این روش، همانند روش سازه نگهبان خرپایی، اعضای عمودی در فواصل معین نصب می گردد و سپس با قراردادن عضو افقی بین این اعضای عمودی، جلوی تغییرشکل دیواره ها گرفته می شود.

در گودهای با عرض کم، به علت کمبود فضا جهت اجرای عضو مایل خرپایی، عملا روش سازه نگهبان خرپایی منتفی است و روش مهارمتقابل جایگزین مناسبی می باشد.

در این روش از اعضای فشاری (مهارهای فشاری) جهت انتقال فشار خاک استفاده می گردد. اجزای تشکیل دهنده این روش به صورت زیر می باشد:

 

۱) دیوار: در حقیقت دیوارها علاوه بر مقاومت در مقابل فشار خاک، حکم تکیه گاه اعضای فشاری را نیز بازی می کنند. دیوارها انواع مختلفی دارند مانند:

 

• سپر (Sheet Pile)
• دیوار دیافراگمی
• شمع های نگهبان فلزی
• شمع های نگهبان بتنی

 

۲) اعضای فشاری (Strut یا Brace): اعضای فشاری یا مهارهای فشاری نقش انتقال فشار خاک را از یک دیوار به دیوار دیگر دارند که دارای انواع مختلفی هستند. مانند:

 

• نیمرخ زوج IPE
• نیمرخ زوج IPB
• لوله
• قوطی
• مقطع بتنی

 

۳) اعضای واسط (Wale): همان طور که از اسم این اعضا مشخص است، وظیفه انتقال نیرو از دیوار به اعضای فشاری را دارند. اعضای واسط فشار خاک اعمال شده از دیوار را گرفته و به اعضای فشاری (استرات ها) منتقل می کنند. بنابراین استرات ها و اتصال آنها بر اساس نیروی فشاری، اعضای واسط بر اساس نیروی برشی و خمشی و دیوار نیز بر اساس نیروهای ترکیبی طراحی می گردد.

مبانی طراحی روش مهارمتقابل (استرات)

 

جهت طراحی گود به روش مهارمتقابل می بایست با شبیه سازی شرایط پروژه در نرم افزارهای ۲ بعدی یا ۳ بعدی، نیروی ایجاد شده در اعضای افقی و عمودی محاسبه گردیده و سپس با کنترل حالات حدی نهایی و بهره برداری عضو مناسبی جهت این اعضا طراحی گردد. اعضای عمودی و افقی عموماً فولادی بوده و مطابق آئین نامه سازه ­های فولادی طراحی می­ گردند.

در نظر گرفتن پدیده کمانش در طراحی اعضای افقی از مباحث مهم روش مهارمتقابل می باشد.

روش اجرای مهارمتقابل (استرات)

 

۱.حفر چاه اعضای قائم در روش مهارمتقابل

 

همانند اجرای شمع فلزی در روش­های میخ­کوبی (نیلینگ)، مهارگذاری (انکراژ) و سازه نگهبان خرپایی، در روش مهارمتقابل نیز، می بایست حفر چاه اعضای قائم، قبل از شروع خاکبرداری، انجام گردد. جانمایی این چاه ها به وسیله نقشه برداری و با توجه به نقشه­ های اجرایی انجام می گردد.

جهت بتن­ ریزی ریشه اعضای قائم، کف این چاه­ها از تراز کف شالوده پایین­ تر می باشد.

۲.اجرای اعضای عمودی در روش مهارمتقابل

 

غالباً مقطع اعضای قائم به صورت زوج نیمرخ IPE می باشد. اعضای قائم را به صورت عمودی در چاه قرار داده و به طور کامل به دیوار می چسبانند و سپس ریشه شمع فلزی بتن ریزی می گردد.

ریشه شمع فلزی حدود ۲۵ درصد عمق گود بوده و قطر چاه­ها حدود ۸۰ تا ۱۰۰ سانتیمتر می­ باشد. جهت گیرداری بهتر عضو قائم در بتن ریشه، قطعات نبشی یا ناودانی را به عنوان برش گیر به عضو قائم جوش می دهند.

همان­طور که شمع های فلزی در روش ­های میخ­کوبی، مهارگذاری، سازه نگهبان خرپایی و … می بایست به طور کامل به دیواره گود تکیه داده شوند، جهت عملکرد مناسب روش مهارمتقابل نیز عضو قائم باید کاملاً چسبیده به دیوار باشد تا تغییرشکل ها به حداقل برسد.

جهت چسبیدن کامل عضو قائم، پشت آن با مصالح مناسبی که حداقل مقاومت فشاری خاک آن قسمت را دارا باشد، پر می شود تا هیچ گونه فضای خالی بین عضو قائم و دیوار باقی نماند.

با توجه به اینکه اعضای افقی می بایست از دو طرف به اعضای قائم متصل گردند، بنابراین اعضای قائم حتی الامکان در دو دیواره مقابل کاملاً رو به روی یکدیگر اجرا می گردند تا از تمام ظرفیت آنها استفاده گردد.

۳.اجرای اعضای افقی در روش مهارمتقابل

 

بعد از اجرای اعضای قائم، می­ بایست ردیف اول اعضای افقی اجرا گردد. اعضای افقی به شکل زوج نیمرخ یا لوله یا … می باشند.

همانند اتصال تیر به ستون در سازه ها، اعضای افقی توسط جوش و با استفاده از ورق های فولادی به اعضای قائم متصل می گردند.

جهت جلوگیری از ریزش های موضعی، بین اعضای عمودی از الوارهای چوبی یا شبکه فولادی (مش) و بتن پاشی (شاتکریت) و یا اعضای مناسب دیگر می توان استفاده کرد.

جهت کاهش طول مؤثر اعضای افقی، می توان از کش (عضوی عمود بر عضو افقی) استفاده کرد. با این کار از کمانش اعضای افقی جلوگیری می گردد.

۴.تکمیل اعضای افقی در روش مهارمتقابل

 

بعد از اجرای ردیف اول اعضای افقی، تا رسیدن به تراز ردیف دوم اعضای افقی، خاکبرداری انجام گردیده و شبکه فولادی (مش) و بتن پاشی (شاتکریت) نیز اجرا می گردد. این روند تا انتهای گود ادامه می یابد.

در بعضی از پروژه ها به علل مختلف نظیر طول زیاد دهانه، ممکن است نیاز به مهارمتقابل مورب باشد تا با کم کردن طول مهارهای متقابل، طرح بهینه تری به دست آید. بدین منظور جهت پایدارسازی چنین پروژه هایی به جای دیواره های مقابل، دیواره های مجاور به یکدیگر متصل می گردند.

مبانی نظری طراحی مهار متقابل (استرات)

 

تبیین مبانی روش مهارمتقابل به شناخت ما از فشار جانبی خاک ها و مفاهیم آن باز می گردد. هنگامی که اولین مرحله خاکبرداری انجام می­ شود، فشار خاک به شکل تقریباً مثلثی به دیواره گود وارد می شود. در ادامه با نصب اولین استرات، با تغییر شکل در محل نصب، مقدار فشار جانبی در این محل افزایش می یابد. این امر سبب می شود تا توزیع تنش تا مقدار زیادی نامنظم باشد. اما همانند مسائل دیگر در علم مهندسی، در این موضوع نیز برای ساده سازی محاسبات نحوه توزیع فشار جانبی خاک ها مطابق شکل زیر به شکل ذوزنقه فرض می شود.

برای تعیین مقدار فشار جانبی، دانشمندان مختلف نظریه های گوناگونی را مطرح کرده اند که از رایج ترین آنها می توان به نظریه پک اشاره نمود. پک با بررسی برخی از مطالعات موردی در شیکاگو، اسلو و مکزیک، فشار جانبی خاک را در پروژه های پایدارسازی گودهای عمیق با روش مهارمتقابل ارزیابی کرد. این روش ده ها سال است که توسط مهندسان مورد استفاده قرار می گیرد و کاربردهای زیادی در طراحی مهندسی دارد. شکل زیر نمودارهایی از فشار ظاهری خاک تعیین شده توسط پک را نشان می دهد.

با توجه به جنس خاک و روابط مذکور مقدار فشار جانبی تعیین می شود. پس از تعیین فشار جانبی خاک و با استفاده از روابط حاکم بر تحلیل سازه ها، مقدار نیروی استرات ها و البته لنگر وارده بر اعضای قائم محاسبه می شود. با کمک نیروها و لنگرهای به دست آمده با در نظر گرفتن معیارهای طراحی نوع مقطع مناسب انتخاب می شود.

 

ویدیو پروژه پایدارسازی گود به روش مهار متقابل (استرات)

 

 

مزایای روش مهارمتقابل

 

• محدودسازی تغییرشکل ها
• مناسب گودهای عمیق واقع در مناطق شهری
• مناسب برای گودبرداری ها با عرض کم
• امکان بازیافت بخشی از مصالح (اعضای افقی)
• عدم ورود به زمین های مجاور
• قابلیت انطباق با روش های زهکشی
• انعطاف پذیری و امکان تقویت طرح در حین و پس از اجرا
• عدم وابستگی کارآیی روش به جنس خاک
• عدم نیاز به اجازه همسایه ­ها

معایب روش مهارمتقابل

 

• غیراقتصادی بودن در زمین های با عرض زیاد
• اشغال فضای داخل گود و صعوبت خاکبرداری و اجرای سازه اصلی
• سرعت نسبتا پائین اجرای عملیات
• محدودیت اجرا در پروژه های با هندسه نامنظم
• عدم امکان استفاده برای افزایش عمق گود در زمان اجرا یا پس از اتمام گودبرداری
• نیاز به تجهیزات و ماشین آلات خاص
• نیازمند افراد مجرب و کنترل کیفی دقیق جهت اجرای مهارها به ویژه اتصالات

معایب روش مهارمتقابل (استرات) نسبت به سایر روش­های پایدارسازی

 

اجرای روش مهار متقابل

 

به طور کلی اجرای روش مهارمتقابل از مراحل مختلفی تشکیل می شود. مرحله اول، به حفر چاه های پیرامونی در محل قرارگیری شمع­ ها در امتداد دیواره ها در دو طرف گود اختصاص دارد. این چاه ها عموماً به صورت دستی و به قطر حدود ۸۰ تا ۱۰۰ سانتی­متر حفر می شوند. طول این چاه ها برابر با عمق گودبرداری به علاوه طول ریشه شمع است که حدود ۱.۲۵ برابر عمق گود می­ باشد. در مرحله دوم، اعضای قائم در داخل چاه ها قرار داده شده و بتن ریزی انجام می شود. این اعضا می تواند از مقاطع فولادی H یا I شکل باشد.

در بسیاری از موارد در این مرحله در طول عضو قائم، ناودانی و یا نبشی جوش می دهند تا پیوستگی بیشتری میان بتن و عضو قائم ایجاد گردد. در مرحله سوم، اولین گام خاکبرداری انجام شده و سپس پیش از نصب مهارمتقابل، در کمرکش شمع ها یک تیر افقی نصب می شود. در حقیقت به کمک این تیرهای افقی حرکت شمع های فولادی به صورت یکنواخت انجام می شود. در ادامه نوبت به نصب اعضای مهارمتقابل می رسد و این مراحل تا رسیدن به کف گود ادامه می یابد.

همانند سایر روش های پایدارسازی گود، در روش مهارمتقابل نیز جنس خاک بسیار نقش تعیین کننده ای دارد. به عنوان مثال در صورتی که خاک پروژه ضعیف باشد برای افزایش پایداری موضعی از مش و شاتکریت نیز در دیواره های گود استفاده می شود. علاوه بر موارد طراحی و مقاومت طبیعی خاک محل، فاصله  عمودی استرا

رز روفینگ