پژوهش درباره ویژگی‌های جک‌های مورد استفاده در شاقول‌سازی ساختمان‌های کج‌شده

Gromysz, K., Smolana, M., & Drusa, M. (2024). Research on the Characteristics of Jacks Used to Rectify Tilted Buildings. Buildings, 14(6), 1581. DOI: 10.3390/buildings14061581.

در پروژه‌های اصلاح نشست و شاقول‌سازی ساختمان‌های کج‌شده، جک‌های هیدرولیکی یکی از مهم‌ترین اجزای سیستم اجرایی هستند. این جک‌ها باید بتوانند وزن بسیار زیاد ساختمان را تحمل کنند و در عین حال، جابه‌جایی‌های کوچک و کنترل‌شده‌ای را برای اصلاح تدریجی کجی سازه ایجاد کنند.

در نگاه اول ممکن است عملکرد جک ساده به نظر برسد: فشار روغن افزایش پیدا می‌کند، نیروی جک بیشتر می‌شود و پیستون بالا می‌آید. اما تحقیقات آزمایشگاهی نشان می‌دهد رفتار واقعی جک در عملیات اصلاح ساختمان پیچیده‌تر از این رابطه ساده است.

در پژوهشی که در سال ۲۰۲۴ با عنوان (بررسی ویژگی‌های جک‌های مورد استفاده برای اصلاح ساختمان‌های کج‌شده) منتشر شده، رفتار یک جک هیدرولیکی واقعی تحت بارگذاری و باربرداری‌های مختلف به صورت آزمایشگاهی بررسی شده است. هدف اصلی تحقیق، شناخت دقیق رابطه میان نیروی جک، فشار روغن، حرکت پیستون، تغییر طول جک و اصطکاک داخلی و ارائه مدلی برای شبیه‌سازی واقعی‌تر رفتار جک در فرآیند شاقول‌سازی ساختمان بوده است.

جک‌ها چگونه در اصلاح کجی ساختمان استفاده می‌شوند؟

یکی از روش‌های اصلاح ساختمان‌های کج‌شده، بلند کردن کنترل‌شده بخش نشست‌کرده ساختمان است. در این روش جک‌ها در نقاط مختلف زیر ساختمان قرار می‌گیرند و با اعمال نیروهای مشخص، قسمت‌های مورد نظر به تدریج بالا آورده می‌شوند. اما مقدار جابه‌جایی مورد نیاز در تمام نقاط یکسان نیست. برای اصلاح شیب ساختمان، جک‌های مختلف باید متناسب با موقعیت خود و مقدار اصلاح مورد نیاز عمل کنند. در نتیجه، نیروی وارد بر هر جک و میزان حرکت آن در طول عملیات می‌تواند تغییر کند.

در مقاله توضیح داده شده که در عملیات واقعی، پس از رسیدن یک جک به محدوده کاری مناسب، برای حفظ ارتفاع به‌دست‌آمده می‌توان از مجموعه‌ای از قطعات یا صفحات نگهدارنده استفاده کرد. سپس جک برای مرحله بعدی عملیات مجدداً تنظیم و بارگذاری می‌شود.

استفاده از جک‌های هیدرولیکی برای بالا آوردن کنترل‌شده و اصلاح کجی ساختمان

آیا جک هیدرولیکی یک تکیه‌گاه کاملاً صلب است؟

یکی از نکات مهم این پژوهش همین سؤال است. در محاسبات ساده ممکن است جک به صورت یک تکیه‌گاه کاملاً صلب در نظر گرفته شود، یعنی فرض شود هر مقدار که پیستون جک حرکت می‌کند، همان مقدار نیز ساختمان جابه‌جا می‌شود. اما جک واقعی تحت بار خودش نیز تغییرشکل می‌دهد. پژوهشگران برای بررسی این موضوع، یک جک هیدرولیکی را روی مجموعه‌ای از قطعات فولادی قرار دادند و تحت بارهای مختلف آزمایش کردند. جک مورد استفاده دارای قطر خارجی حدود ۲۰۹ میلی‌متر، ارتفاع حدود ۴۴۰ میلی‌متر و قطر پیستون حدود ۱۶۹ میلی‌متر بود. در حین آزمایش، به طور هم‌زمان چند پارامتر اندازه‌گیری شد، از جمله:

• نیروی اعمال‌شده به جک
• فشار روغن داخل جک
• میزان حرکت پیستون
• تغییر طول کل مجموعه جک

به این ترتیب پژوهشگران توانستند رفتار واقعی جک را در هنگام افزایش و کاهش بار بررسی کنند.

آزمایش بارگذاری جک هیدرولیکی و اندازه‌گیری هم‌زمان فشار روغن، حرکت پیستون و تغییر طول جک

فشار روغن جک چه ارتباطی با نیروی واردشده دارد؟

یکی از پارامترهای اصلی قابل اندازه‌گیری هنگام جک‌زنی، فشار روغن داخل جک است. به همین دلیل در عملیات اجرایی معمولاً از فشار هیدرولیکی به عنوان یکی از شاخص‌های ارزیابی نیروی جک استفاده می‌شود. نتایج آزمایش این مقاله نشان داد که بین نیروی واردشده به جک و فشار روغن، در محدوده مورد آزمایش، رابطه‌ای تقریباً خطی وجود دارد. یعنی با افزایش نیروی وارد بر جک، فشار روغن نیز تقریباً متناسب با آن افزایش پیدا می‌کند. اما یک نکته مهم وجود دارد: رفتار جک در هنگام افزایش بار و کاهش بار دقیقاً یکسان نیست. نمودار بارگذاری و باربرداری کاملاً روی یک مسیر قرار نمی‌گیرد و حلقه‌ای موسوم به هیسترزیس تشکیل می‌شود. بخش مهمی از این اختلاف رفتار ناشی از اصطکاک داخلی سیستم، به‌ویژه اصطکاک مرتبط با حرکت پیستون است.

رابطه نیروی جک و فشار روغن در مراحل بارگذاری و باربرداری

اصطکاک داخلی جک چرا اهمیت دارد؟

وقتی پیستون جک حرکت می‌کند، اصطکاک داخلی در سیستم ایجاد می‌شود. جهت این نیروی اصطکاک نیز به جهت حرکت پیستون وابسته است. در زمان افزایش بار و حرکت پیستون در یک جهت، اصطکاک در خلاف جهت حرکت عمل می‌کند. هنگامی که بار کاهش یافته و جهت حرکت پیستون عوض می‌شود، جهت نیروی اصطکاک نیز تغییر می‌کند. همین مسئله باعث می‌شود رابطه بین فشار روغن و نیروی واقعی جک در تمام مراحل دقیقاً یکسان نباشد. بنابراین، اگر بخواهیم رفتار جک را با دقت بیشتری تحلیل کنیم، نمی‌توان تنها یک رابطه ساده میان فشار روغن × سطح پیستون را برای تمام مراحل بارگذاری و باربرداری کافی دانست. اثر اصطکاک داخلی نیز در مدل ارائه‌شده در مقاله وارد شده است.

تفاوت رفتار جک هنگام افزایش و کاهش بار در اثر اصطکاک داخلی سیستم

همه جابه‌جایی مشاهده‌شده مربوط به حرکت پیستون نیست

این یکی از مهم‌ترین نکات مقاله برای عملیات شاقول‌سازی است. وقتی طول جک تحت بار تغییر می‌کند، این تغییر فقط ناشی از بیرون آمدن پیستون نیست. بخش‌های مختلف خود جک و همچنین سطح تماس جک با تکیه‌گاه نیز تحت بار تغییرشکل می‌دهند. پژوهشگران در مدل خود، جک را به دو بخش اصلی تقسیم کردند:

1. پیستون و مکانیزم داخلی جک
2. بدنه جک و محل تماس آن با تکیه‌گاه

نتایج نشان داد بخش دوم نیز دارای سختی محدود است و تحت بار فشرده می‌شود. بنابراین مقدار واقعی جابه‌جایی ایجادشده در ساختمان الزاماً برابر با حرکت اسمی پیستون نیست.

مدل مکانیکی جک هیدرولیکی با در نظر گرفتن تغییرشکل پیستون، بدنه جک و سطح تماس

سختی جک با افزایش بار چگونه تغییر می‌کند؟

یکی از نتایج جالب آزمایش‌ها این بود که تمام اجزای جک رفتار یکسانی در برابر افزایش بار ندارند. بر اساس نتایج مقاله، سختی مربوط به پیستون در محدوده آزمایش تغییر نسبتاً محدودی داشت، اما سختی بخش مربوط به بدنه جک و محل تماس آن با تکیه‌گاه با افزایش بار به شکل قابل توجهی افزایش پیدا کرد. این رفتار منطقی است، زیرا در بارهای پایین ممکن است تماس کامل بین تمام سطوح وجود نداشته باشد. با افزایش بار، سطوح بیشتر درگیر شده و تماس کامل‌تری ایجاد می‌شود، در نتیجه سختی مجموعه افزایش پیدا می‌کند. مقاله نشان می‌دهد که سختی این بخش از سیستم در محدوده آزمایش از حدود ۱۵۲ مگانیوتن بر متر در بارهای پایین تا بیش از ۳۰۰۰ مگانیوتن بر متر در بارهای بالا افزایش یافته است.


افزایش سختی جک و سطح تماس آن با تکیه‌گاه در اثر افزایش بار

چرا این موضوع در شاقول‌سازی ساختمان مهم است؟

فرض کنیم در یک پروژه، برای اصلاح کجی ساختمان لازم است یک نقطه از فونداسیون دقیقاً چند میلی‌متر بالا آورده شود. اگر جک کاملاً صلب بود، کافی بود حرکت پیستون دقیقاً برابر با همان جابه‌جایی مورد نیاز باشد. اما آزمایش‌های این مقاله نشان می‌دهند بخشی از حرکت سیستم می‌تواند صرف تغییرشکل خود جک و محل تماس آن با تکیه‌گاه شود. علاوه بر آن، با تغییر نیروی واردشده بر جک، مقدار این تغییرشکل نیز تغییر می‌کند.

در نتیجه، رابطه میان:

حرکت پیستون → تغییر طول جک → جابه‌جایی واقعی ساختمان

یک رابطه کاملاً ساده و ثابت نیست. این موضوع به‌ویژه در عملیات‌هایی اهمیت دارد که اصلاح ساختمان باید با دقت میلی‌متری انجام شود.

تغییر کوچک نیرو می‌تواند رفتار جک را تغییر دهد

مقاله نکته دیگری را نیز نشان می‌دهد. در برخی شرایط، تا زمانی که تغییر نیرو از مقدار مشخصی کمتر باشد، ممکن است اصطکاک داخلی مانع حرکت پیستون شود. در این حالت با افزایش نیرو، ابتدا اجزای الاستیک سیستم تغییرشکل می‌دهند، اما پیستون هنوز حرکت محسوسی ندارد. زمانی که نیروی اعمال‌شده بر مقاومت اصطکاکی غلبه کند، پیستون شروع به حرکت می‌کند. این رفتار نشان می‌دهد که در کنترل دقیق جک‌زنی، نمی‌توان انتظار داشت هر تغییر کوچک فشار یا نیرو الزاماً به همان نسبت باعث حرکت ساختمان شود.

تأثیر مقدار بار اولیه بر تغییر طول و رفتار جک هیدرولیکی

کنترل جک‌زنی فقط کنترل فشار روغن نیست

نتایج این تحقیق یک پیام کاربردی مهم برای عملیات اصلاح نشست و شاقول‌سازی ساختمان دارد. جک هیدرولیکی یک وسیله کاملاً صلب و ایده‌آل نیست. در هنگام بارگذاری، پیستون، بدنه جک و محل تماس آن با تکیه‌گاه رفتار مکانیکی مشخصی دارند. اصطکاک داخلی نیز باعث می‌شود رفتار جک در زمان افزایش بار با رفتار آن هنگام کاهش بار کاملاً یکسان نباشد. به همین دلیل، در عملیات دقیق شاقول‌سازی نمی‌توان تنها با مشاهده فشار روغن درباره مقدار واقعی جابه‌جایی ساختمان قضاوت کرد. نیروی جک، فشار سیستم هیدرولیک و جابه‌جایی واقعی نقاط مختلف ساختمان، پارامترهای مرتبط اما متفاوتی هستند.

مقاله همچنین نشان می‌دهد سختی بعضی اجزای جک به میزان بار وابسته است و در بارهای بالاتر، به دلیل افزایش سطح تماس مؤثر، رفتار سیستم تغییر می‌کند. در نتیجه مدلی که جک را صرفاً یک نیروی متمرکز یا یک تکیه‌گاه کاملاً صلب فرض کند، نمی‌تواند تمام جزئیات رفتار واقعی آن را بازنمایی کند.

از دید اجرایی، اهمیت این مسئله زمانی بیشتر می‌شود که تعداد زیادی جک به طور هم‌زمان زیر یک ساختمان قرار گرفته باشند. در چنین شرایطی، کنترل اصلاح ساختمان باید بر مبنای رفتار واقعی سازه و اندازه‌گیری جابه‌جایی نقاط مختلف انجام شود و فشار جک‌ها یکی از پارامترهای کنترلی عملیات باشد، نه تنها معیار تصمیم‌گیری.