مطالعه میدانی رفتار تکیه‌گاه فعال در فرآیند شاقول‌سازی ساختمان

Gromysz, K. (2020). In Situ Experimental Study on the Active Support Used for Building Rectification. Materials, 13, 2015. DOI: 10.3390/ma13092015.

در عملیات اصلاح نشست و شاقول‌سازی ساختمان، یکی از مهم‌ترین ابزارهای اجرایی جک هیدرولیکی است. ممکن است در نگاه اول تصور شود اگر پیستون جک مثلاً ۵ میلی‌متر بالا بیاید، ساختمان نیز دقیقاً ۵ میلی‌متر جابه‌جا می‌شود. اما رفتار واقعی سیستم به این سادگی نیست. جک بخشی از یک مجموعه شامل خود ساختمان، تکیه‌گاه موقت، صفحات و قطعات فولادی، گروت و زمین زیر آن است. هنگام افزایش فشار جک، بخشی از حرکت پیستون صرف تغییرشکل همین اجزا می‌شود و حتی ممکن است قسمت پایین ساختمان کمی در خاک فرو رود. مقاله حاضر یکی از مطالعات جالب در این زمینه است، زیرا برخلاف بسیاری از مطالعات عددی یا آزمایشگاهی، اندازه‌گیری‌ها در حین شاقول‌سازی واقعی یک ساختمان انجام شده‌اند. پژوهشگر با اندازه‌گیری هم‌زمان نیروی جک، حرکت پیستون، تغییر طول تکیه‌گاه و جابه‌جایی قسمت‌های مختلف ساختمان تلاش کرده مشخص کند وقتی جک فعال می‌شود، نیروی ایجادشده و جابه‌جایی واقعی ساختمان چگونه بین اجزای مختلف سیستم تقسیم می‌شود.

وضعیت ساختمان قبل و بعد از اصلاح کجی با استفاده از جک‌های هیدرولیکی

ساختمان مورد مطالعه چه مشخصاتی داشت؟

آزمایش روی ساختمانی در کشور لهستان انجام شده است. ساختمان دارای پنج طبقه روی زمین و یک زیرزمین کامل بوده و ارتفاع آن از سطح زمین حدود ۱۶٫۱ متر بوده است. ابعاد پلان ساختمان تقریباً ۱۰٫۴۲ در ۱۲٫۰۵ متر بوده است. دیوارهای باربر زیرزمین از بتن و دیوارهای طبقات فوقانی عمدتاً از مصالح بنایی ساخته شده بودند. ساختمان نیز بر روی فونداسیون‌های نواری بتن‌آرمه قرار داشت. برای اجرای شاقول‌سازی، در دیوارهای باربر زیرزمین یک صفحه جداسازی افقی ایجاد شد و ساختمان عملاً به دو بخش تقسیم شد: بخش فوقانی که باید بالا آورده می‌شد و بخش پایینی که در محل خود باقی می‌ماند. سپس جک‌های هیدرولیکی در محل این جداسازی نصب شدند.

ساختمان چقدر بالا آورده شد؟

عملیات اصلاح با بالا آوردن نامتقارن ساختمان انجام شد. یعنی مقدار جابه‌جایی در نقاط مختلف یکسان نبود و هر قسمت متناسب با میزان اصلاح مورد نیاز بالا آورده شد. در پایان عملیات، میانگین بالا آمدن ساختمان حدود ۱۷۷ میلی‌متر بود و در نقطه‌ای که بیشترین اصلاح مورد نیاز بود، ساختمان تا حدود ۳۵۴ میلی‌متر، یعنی بیش از ۳۵ سانتی‌متر بالا آورده شد. این مقدار از ظرفیت کورس یک مرحله‌ای جک‌ها بیشتر بود. کورس پیستون جک حدود ۲۰۰ میلی‌متر بود، بنابراین در نقاطی که جابه‌جایی بیشتری مورد نیاز بود، پس از انجام بخشی از بالا آوردن، قطعات فولادی زیر جک اضافه می‌شدند تا امکان ادامه عملیات فراهم شود.

بالا آوردن نامتقارن ساختمان برای اصلاح کجی، با حداکثر جابه‌جایی حدود ۳۵۴ میلی‌متر

ساختمان روی ۳۶ تکیه‌گاه موقت قرار گرفت. در زمان انجام آزمایش، ساختمان بر روی ۳۶ تکیه‌گاه موقت قرار داشت. فاصله این تکیه‌گاه‌ها بین حدود ۱٫۲۹ تا ۲٫۶۳ متر متغیر بود. هر تکیه‌گاه از چند بخش تشکیل می‌شد: جک هیدرولیکی، صفحه فولادی، گروت بتنی و در برخی نقاط مجموعه‌ای از قطعات فولادی که روی یکدیگر قرار گرفته بودند. این مجموعه فقط وسیله بالا آوردن ساختمان نبود. در زمان اجرای اصلاح، بخشی از وزن ساختمان نیز از طریق همین تکیه‌گاه‌ها منتقل می‌شد.

پلان جانمایی ۳۶ جک و تکیه‌گاه موقت مورد استفاده در شاقول‌سازی ساختمان

تکیه‌گاه فعال و تکیه‌گاه غیرفعال چیست؟

یکی از مفاهیم مهم این مقاله، تفاوت بین تکیه‌گاه فعال و غیرفعال است. در هر مرحله از عملیات، جکی که پیستون آن به‌صورت کنترل‌شده حرکت داده می‌شود و نیروی آن افزایش پیدا می‌کند، «تکیه‌گاه فعال» نامیده می‌شود. جک‌های دیگر که در همان لحظه حرکت کنترل‌شده‌ای ندارند، نقش تکیه‌گاه غیرفعال را ایفا می‌کنند. جالب این است که یک جک در مراحل مختلف عملیات می‌تواند گاهی فعال و گاهی غیرفعال باشد. هنگامی که نیروی جک فعال افزایش پیدا می‌کند، سه اتفاق هم‌زمان رخ می‌دهد: بخش بالایی ساختمان حرکت رو به بالا دارد، تکیه‌گاه تحت فشار کمی کوتاه می‌شود و قسمت پایین ساختمان ممکن است مقداری به سمت زمین جابه‌جا شود. این دقیقاً همان موضوعی است که باعث می‌شود حرکت پیستون جک با حرکت واقعی ساختمان برابر نباشد.

آیا تمام حرکت پیستون تبدیل به حرکت ساختمان می‌شود؟ خیر. این یکی از مهم‌ترین نتایج مقاله است. وقتی پیستون جک حرکت می‌کند، بخشی از جابه‌جایی صرف فشرده شدن خود تکیه‌گاه می‌شود و بخش  دیگری ممکن است باعث حرکت رو به پایین قسمت ساختمان زیر صفحه جداسازی شود.

مقاله نشان می‌دهد تنها بخشی از کورس پیستون جک به جابه‌جایی قائم واقعی قسمت بالاآورده‌شده ساختمان تبدیل می‌شود.  یک نمونه عددی از آزمایش این موضوع را بسیار روشن می‌کند. در یکی از چرخه‌های آزمایش، نیروی تکیه‌گاه از ۱۰۰ به ۷۸۰ کیلونیوتن افزایش یافت. در این حالت: حرکت پیستون جک حدود ۶٫۰۷ میلی‌متر بود، جابه‌جایی نسبی بخش بالایی ساختمان حدود ۴٫۲۲ میلی‌متر بود، بالا آمدن واقعی قسمت ساختمان حدود ۳٫۵۵ میلی‌متر بود، قسمت پایین ساختمان نیز حدود ۰٫۶۷ میلی‌متر به سمت پایین حرکت کرد. به زبان ساده، با وجود اینکه پیستون بیش از ۶ میلی‌متر حرکت کرده بود، ساختمان فقط حدود ۳٫۵ میلی‌متر بالا آمده بود.

این تفاوت برای عملیات دقیق شاقول‌سازی بسیار مهم است.

تفاوت میان حرکت پیستون جک و جابه‌جایی واقعی ساختمان در حین افزایش نیروی تکیه‌گاه

چرا قسمت پایین ساختمان هنگام جک‌زنی نشست می‌کند؟

افزایش نیروی جک فقط به بخش بالای ساختمان وارد نمی‌شود. طبق قانون تعادل، همین نیرو به تکیه‌گاه و بخش پایینی ساختمان نیز منتقل می‌شود. در نتیجه با افزایش نیروی جک، فشار وارد بر فونداسیون قسمت پایین نیز افزایش پیدا می‌کند. اندازه‌گیری‌های مقاله نشان داد در مراحل اولیه افزایش نیرو، نشست این قسمت بسیار کوچک است، اما با ادامه افزایش نیرو، میزان حرکت رو به پایین می‌تواند بیشتر شود. بنابراین هنگام شاقول‌سازی یک ساختمان نمی‌توان صرفاً پرسید: جک چقدر بالا آمد؟ بلکه باید پرسید: چه مقدار از این حرکت واقعاً به اصلاح هندسی ساختمان تبدیل شد و چه مقدار صرف تغییرشکل سیستم یا نشست تکیه‌گاه شد؟ خود جک و تکیه‌گاه هم تغییرشکل می‌دهند. تکیه‌گاه مورد استفاده در این پروژه یک قطعه صلب و بدون تغییرشکل نبود. این سیستم از چند جزء متوالی تشکیل شده بود: جک هیدرولیکی، صفحات یا قطعات فولادی روی هم قرارگرفته و لایه گروت بتنی. وقتی نیروی جک افزایش پیدا می‌کند، هر یک از این اجزا مقداری کوتاه می‌شوند. مقاله حتی تغییر طول خود جک را اندازه‌گیری کرده است. برای افزایش نیرو از ۱۰۰ تا ۷۸۰ کیلونیوتن، تغییر طول جک حدود ۰٫۹۱۲ میلی‌متر اندازه‌گیری شده است. این تغییر فقط ناشی از تغییرشکل بدنه فلزی جک نبود، بلکه تغییرشکل محل تماس پایه جک با صفحه فولادی و گروت نیز در آن نقش داشت. در پروژه‌هایی که جابه‌جایی ساختمان باید با دقت میلی‌متری کنترل شود، اختلافی در حد یک میلی‌متر عدد کوچکی نیست.

اجزای تکیه‌گاه موقت و محل اندازه‌گیری حرکت جک، تکیه‌گاه و ساختمان

یکی از نقاط قوت این مقاله این است که پژوهش فقط روی نمودارها و مدل‌ها انجام نشده است. در زمان اندازه‌گیری، ساختمان واقعاً روی جک‌ها و تکیه‌گاه‌های موقت قرار داشته است.

وضعیت واقعی ساختمان و جک‌های هیدرولیکی در حین آزمایش و عملیات شاقول‌سازی

سختی تکیه‌گاه چرا اهمیت دارد؟ یکی از محورهای اصلی تحقیق، تعیین سختی تکیه‌گاه فعال بود. اگر تکیه‌گاه خیلی سخت باشد، حرکت کوچک پیستون می‌تواند باعث افزایش زیاد نیرو شود. اگر سیستم انعطاف‌پذیرتر باشد، همان حرکت می‌تواند با افزایش نیروی کمتری همراه شود. آزمایش‌ها نشان داد سختی سیستم ثابت نیست و با مقدار نیروی واردشده تغییر می‌کند. برای نمونه، سختی کلی سیستم در بازه نیروی ۱۰۰ تا ۲۰۰ کیلونیوتن حدود ۷۳ مگانیوتن بر متر و در محدوده ۵۰۰ تا ۶۰۰ کیلونیوتن حدود ۱۱۵ مگانیوتن بر متر محاسبه شده است.  خود تکیه‌گاه نیز رفتار مشابهی داشت. برای تکیه‌گاهی شامل جک، چهار قطعه فولادی با مجموع ارتفاع ۲۹۰ میلی‌متر و لایه گروت ۱۵۰ میلی‌متری، سختی از حدود ۲۱۳ مگانیوتن بر متر در بازه بار پایین به حدود ۴۳۰ مگانیوتن بر متر در محدوده بار بالاتر افزایش یافت. بنابراین نمی‌توان در تمام مراحل جک‌زنی، یک سختی ثابت برای سیستم در نظر گرفت.

آیا تکیه‌گاه سخت‌تر همیشه بهتر است؟

شاید در نگاه اول تصور شود هرچه تکیه‌گاه صلب‌تر باشد، عملیات بهتر و دقیق‌تر خواهد بود. اما نتیجه این مطالعه جالب‌تر است. نویسنده نتیجه گرفته است که استفاده از تکیه‌گاه‌هایی با سختی کمتر می‌تواند در فرآیند اصلاح ساختمان مزیت داشته باشد، زیرا برای ایجاد جابه‌جایی مورد نظر، افزایش نیروی کمتری لازم خواهد بود. نیروی کمتر نیز باعث کاهش احتمال حرکت نامطلوب قسمت پایین ساختمان به داخل خاک می‌شود. البته این نتیجه به معنی آن نیست که هرچه تکیه‌گاه نرم‌تر باشد بهتر است. پیام مقاله این است که سختی تکیه‌گاه یک پارامتر طراحی است و باید در کنار رفتار ساختمان و فونداسیون بررسی شود.

تعداد قطعات فولادی زیر جک هم رفتار سیستم را تغییر می‌دهد. در بعضی نقاط، به دلیل محدود بودن کورس جک، لازم بود چند قطعه فولادی روی یکدیگر قرار داده شوند تا امکان ادامه عملیات فراهم شود. اما اضافه کردن این قطعات فقط ارتفاع سیستم را تغییر نمی‌دهد، بلکه سختی تکیه‌گاه را هم کاهش می‌دهد. تحلیل مقاله نشان داد با افزایش تعداد قطعات فولادی، سختی مجموعه کاهش پیدا می‌کند. برای مثال، در محدوده بار ۱۰۰ تا ۲۰۰ کیلونیوتن، سختی تکیه‌گاه بدون قطعات فولادی حدود ۵۰۳ مگانیوتن بر متر بود، در حالی که با ۱۰ قطعه به حدود ۱۲۴ مگانیوتن بر متر کاهش پیدا می‌کرد. این نتیجه از نظر اجرایی بسیار مهم است. یعنی حتی تغییر آرایش صفحات و قطعات زیر جک نیز می‌تواند باعث شود دو جک مشابه، تحت شرایط بار یکسان رفتار متفاوتی داشته باشند.

تأثیر تعداد قطعات فولادی واسط بر سختی تکیه‌گاه جک

یک نکته بسیار مهم درباره کنترل جک‌زنی. نتایج این آزمایش یک نکته عملی مهم را نشان می‌دهد: کنترل کورس جک به تنهایی برای کنترل شاقول‌سازی ساختمان کافی نیست. اگر جک ۵ میلی‌متر حرکت کرده باشد، نمی‌توان بدون اندازه‌گیری مستقل نتیجه گرفت ساختمان هم دقیقاً ۵ میلی‌متر بالا آمده است. مقدار واقعی حرکت ساختمان به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله:

سختی ساختمان، سختی فونداسیون و خاک، سختی جک، تغییرشکل گروت، تعداد قطعات فولادی زیر جک و مقدار نیروی موجود در سیستم. در واقع جک، ساختمان و زمین یک سیستم مکانیکی واحد تشکیل می‌دهند و جابه‌جایی نهایی نتیجه رفتار هم‌زمان همه این اجزاست.

این مطالعه چه نکاتی درباره شاقول‌سازی ساختمان به ما می‌آموزد؟

مهم‌ترین پیام این مطالعه آن است که شاقول‌سازی یک ساختمان با جک هیدرولیکی فقط کنترل ارتفاع پیستون نیست. در پروژه مورد بررسی، ساختمان تا حداکثر حدود ۳۵٫۴ سانتی‌متر بالا آورده شد و در زمان عملیات روی ۳۶ تکیه‌گاه موقت قرار داشت. آزمایش‌های میدانی نشان داد با افزایش نیروی یک جک، بخشی از حرکت پیستون صرف بالا آوردن ساختمان می‌شود، بخشی صرف فشرده شدن تکیه‌گاه و بخشی نیز ممکن است موجب نشست بخش پایین سازه شود. به همین دلیل، کنترل ایمن عملیات نیازمند اندازه‌گیری مستقل جابه‌جایی واقعی ساختمان و نیروی جک‌ها است. این مطالعه همچنین نشان داد سختی تکیه‌گاه به نیروی اعمال‌شده و ترکیب اجزای آن بستگی دارد و حتی تعداد قطعات فولادی قرارگرفته زیر جک می‌تواند رفتار سیستم را تغییر دهد. در نتیجه، برای شاقول‌سازی دقیق ساختمان نمی‌توان جک را یک وسیله کاملاً صلب فرض کرد. رفتار جک، تکیه‌گاه، ساختمان، فونداسیون و خاک باید به صورت یک سیستم مرتبط در نظر گرفته شود.