طراحی بهینه ی ژئوتکنیکی پی های عمیق (3)

دستاوردهای اخیر در طراحی بهینه ژئوتکنیکی پی های عمیق (3)

د) روش تحلیل انطباق سیگنال (CAPWAP)

در تحلیل شمعکوبی سه مقدار نامعلوم وجود دارند که عبارت اند از: نیروهای موجود در شمع، تغییر مکان های شمع و شرایط پیرامونی شمع. در صورتی که دو مقدار از سه مقدار فوق مشخص شوند، مقدار سوم قابل محاسبه خواهد بود. CAPWAP یک برنامه ی کامپیوتری است که از رکوردهای نیرو و سرعت به دست آمده از تحلیل گر شمع کوبی استفاده می کند. این برنامه می تواند با استفاده از مقادیر معین نیرو و تغییر مکان و همچنین یک مهندس با تجربه، شرایط پیرامونی شمع را با انجام سعی و خطا توسط روش انطباق سیگنال تعیین نماید. شرایط پیرامونی شامل ظرفیت باربری شمع، توزیع مقاومت خاک، تغییر مکان گسیختگی و ضرایب میرایی خاک می باشد.
پارامترهای ورودی برنامه ی CAPWAP عبارت اند از: مدل پیوسته ی شمع، رکورد سرعت در رأس شمع، مدول مفروض برای خاک شامل توزیع مقاومت خاک، مقادیر تغییر مکان های گسیختگی و ضرایب میرایی برای هر یک از المان های خاک در جدار و انتهای شمع. برنامه ی CAPWAP با استفاده از مقادیر فوق رکورد نیرو در رأس شمع را محاسبه می کند. رکورد محاسبه شده ی نیرو با رکورد اندازه گیری شده ی نیرو که در سایت شمع کوبی توسط تحلیل گر شمع کوبی به دست آمده، مقایسه می گردد. با انجام سعی و خطا و قضاوت مهندسی، پارامترهای خاک باید طوری تنظیم شوند که انطباق کامل بین رکودهای محاسبه شده و اندازه گیری شده حاصل گردد. مدل CAPWAP و فرآیند سعی و خطا در شکل 12 نشان داده شده است.

برنامه ی CAPWAP در هر سعی کیفیت انطباق را ارزیابی می کند. کیفیت انطباق از حاصل جمع مقادیر مطلق اختلاف های نسبی بین مسیرهای موج اندازه گیری شده و محاسبه شده نیرو به دست می آید. عدد کیفیت انطباق برای هر یک از این چهار محدوده به دست می آید. چهار محدوده ای که انطباق مسیر موج نیرو در این محدوده ها صورت می گیرد به طور شماتیک در شکل 13 نشان داده شده است. یک نمونه از فرآیند سعی و خطا جهت انطباق مسیرهای موج در شکل 14 نشان داده شده است.
همان طور که از شکل 15 پیداست، بهترین انطباق بین مسیرهای موج اندازه گیری شده و محاسبه شده حاصل شده است. جهت بررسی دقت و منحصر به فرد بودن مدل خاک به این ترتیب عمل می شود که ابتدا مسیر موج نیروی اندازه گیری شده به عنوان پارامتر ورودی به برنامه ی CAPWAP معرفی می گردد. سپس میزان انطباق بین مسیرهای موج سرعت اندازه گیری شده و محاسبه شده در راس شمع مورد برسی قرار می گیرد. برنامه ی CAPWAP پس از ایجاد بهترین انطباق بین مسیرهای موج، پارامترهای مدل خاک را تعیین می کند. این پارامترها شامل ظرفیت باربری شمع، توزیع مقاومت اصطکاکی در عمق، تغییر مکان های گسیختگی و ضرایب میرایی می باشند.

برنامه ی CAPWAP همچنین توانایی انجام مدل سازی بارگذاری استاتیکی شمع را با استفاده از مدل شمع، توزیع مقاومت خاک و تغییر مکان های گسیختگی دارا می باشد. نحوه ی مدل سازی آزمایش بارگذاری استاتیکی به این ترتیب است که بار به طور تدریجی به رأس شمع اعمال شده و مقادیر نفوذ المان های شمع و مقادیر مقاومت استاتیکی متناظر با آن ها محاسبه می گردد. با انجام این تحلیل، منحنی مدل سازی شده ی بار – تغییر مکان رأس شمع به دست می آید. مقاومت استاتیکی به دست آمده از روش CAPWAP برای المان هایی از شمع که تحت نیروهای پس ماند کششی قرار دارند، کوچک تر از مقدار واقعی است. بنابراین توزیع مقاومت به دست آمده از روش CAPWAP تحت نیروهای پسماند قرار می گیرد ولی مقاومت استاتیکی کل تحت تأثیر نیروهای پس ماند قرار نمی گیرد (Authier and Fellenius, 1983).

برآورد نشست و تغییرات بار – تغییر مکان شمع ها

از آن جا که یکی از اهداف به کارگیری پی های عمیق عبور از لایه های نشست پذیر سطحی، اتکای فونداسیون بر لایه ی سفت و متراکم و یا کنترل نشست برای روسازه می باشد، لذا برخلاف پی های سطحی محاسبات نشست برای پی های عمیق و یا شمع ها در مقایسه با تعیین ظرفیت برابری و یا طراحی سازه ای از اهمیت کم تری برخوردار است. معهذا در برخی شرایط ممکن است با نشست ها و موارد غیر عادی به شرح زیر رو به رو بوده که باید آن ها را به دقت ارزیابی و برآورد نشست مربوط به پی عمیق را انجام داد.
- روسازه نسبت به نشست ها حساس می باشد.
- پی عمیق دارای قطر بزرگ بوده و بخش مهمی از ظرفیت شمع مربوط به مقاومت کف باشد.
- از کف زمین به پایین لایه های با نشست پذیری بالا وجود داشته به خصوص این که یکی از این لایه ها در حوالی زیر کف شمع واقع باشد.
- نیروهای کششی به سمت پایین ممکن است در طول عمر سازه فعال شوند (خاک اطراف شمع نشست نموده و موجب تحمیل اصطکاک جداری رو به پایین به شمع شود).
- مهندس سازه جهت اعمال عکس العمل شمع بر روسازه در ملاحظات اندرکنش زیر سازه – روسازه از فنرهای معادل استفاده نموده و بنابراین نیازمند میزان جابه جایی های شمع تحت بار وارده از ستون ها و اجزای رو سازه می باشد.

- پس از اجرای شمع و سرشمع، جهت محوطه سازی، دسترسی ها و سایر ملزومات در اطراف بنای احداثی، خاکریزی شده که موجب نشست خاک اطراف شمع می گردد.
روابط متعدد تئوریک و تجربی جهت نشست شمع های تک و گروهی پیشنهاد شده است. اما از آن جا که عمدتاً در پروژه ها، از شمع ها به صورت گروهی استفاده می شود، ممکن است در حالاتی خاک اطراف و کف شمع نشست پذیر بوده و موجب بروز اصطکاک منفی در شمع شده که متعاقباً اثرات قابل توجهی بر روی مقاومت سازه ای و نیز در نهایت نشست پذیری شمع ها دارد. نشست گروهی شمع ها با استفاده از روش متحد و عملکرد بلوکی با استفاده از پی معادل فرضی گروه شمع ها مورد ملاحظه قرار می گیرد. مدل پیشنهادی ترزاقی و پک ارائه شده در شکل 16 بر این مبناست که در حد فاصل زیر سرشمع تا کف شمع در عمق معادل 2D/3 با فرض یک پی گسترده معادل (جهت توزیع بارهای سرویس و یا دائمی و یا دیگر بارها با شیب 2 به 1) به محاسبه ی نشست در لایه های زیر چنین رقومی پرداخته که نشست گروه شمع اطلاق می گردد.
بر مبنای تحلیل کلی فوق و در روش متحد پیشنهادی توسط Fellenius, 1990 , CFEM, 1992 رقوم توزیع بار جهت محاسبات مربوط به نشست گروه شمع اصطلاحاً صفحه ی خنثی نامیده می شود و مکانی است که در آن سطح، نشست خاک اطراف و شمع معادل می گردد. در بالاتر از آن نشست خاک بیش از شمع و در پایین تر از آن نشست شمع بیش از خاک است (شکل 16).
جهت توجیه صفحه ی خنثی (1)، درنظر گرفتن جابه جایی شمع نسبت به خاک و یا خاک نسبت به شمع به طور نسبی مورد ملاحظه قرار می گیرد که در حالت اول اصطکاک مثبت و در حال دوم که شمع توسط خاک اطراف به پایین کشیده می شود اصطکاک جداری منفی (2) مطرح می شود. شرط تعادل نیروها ایجاب می کند که برآیند کلیه ی نیروهای وارد به شمع در شرایط استاتیکی برابر صفر باشند. اصطکاک منفی ایجاد شده در قسمت بالایی شمع موجب ایجاد نیرویی در شمع شده که مقدار آن از صفر در سرشمع به مقدار ماکزیمم خود در عمق به تعادل می رسد (نقطه ای در عمق که جهت تنش اصطکاکی از منفی به مثبت در شمع تغییر می کند). در زیر عمق تعادل، به علت مقاومت اصطکاکی مثبت و مقاومت انتهایی، بار محوری شمع کاهش می یابد.

در هر شمع، بارهای مرده ی وارد به سرشمع و اصطکاک منفی جداری از یک سو و مقاومت اصطکاکی مثبت و مقاومت انتهایی از سوی دیگر در تعادل با یکدیگرند. محل تعادل این نیروها در طول شمع صفحه ی خنثی نامیده شده و عمقی از شمع است که تنش برشی جدار شمع از منفی به مثبت تغییر علامت می دهد. در این عمق تغییر مکان نسبی بین شمع و خاک برابر صفر است.
معمولاً صفحه ی خنثی پایین تر از وسط شمع قرار دارد و در حالت خاصی که انتهای شمع روی توده ی سنگی قرار داشته باشد، صفحه ی خنثی در نقطه ی انتهایی شمع واقع می شود. در مورد یک شمع شناور (صرفاً متکی بر مقاومت اصطکاکی و انتهایی) در یک خاک همگن و با افزایش خطی مقاومت اصطکاکی (rs) در طول شمع، صفحه ی خنثی در نقطه ای به اندازه ی 3/1 طول مدفون شمع در خاک، بالاتر از انتهای شمع قرار می گیرد. هر چه مقاومت انتهایی بزرگ تر باشد صفحه ی خنثی در عمق بیش تری از سرشمع قرار می گیرد. از طرف دیگر هر چه بار مرده ی وارده به سرشمع بزرگ تر باشد، صفحه ی خنثی در عمق کم تری از سرشمع قرار می گیرد. چنانچه آزمایش بارگذاری استاتیکی روی شمع انجام شود، با افزایش تدریجی بار، صفحه ی خنثی به تدریج به سمت بالا حرکت کرده تا بالاخره در لحظه ی گسیختگی به سطح خاک برسد (شکل 17).
همان طور که در شکل 17 نشان داده شده است، نیروی اصطکاکی منفی Qn، در بالای صفحه ی خنثی ایجاد می شود و مقدار آن از انتگرال گیری اصطکاک منفی واحد سطح در طول شمع به دست می آید. به طور مشابه، مقاومنت کل اصطکاکی مثبت در زیر صفحه ی خنثی، Rs، با انتگرال گیری از مقاومت اصطکاکی مثبت واحد سطح در طول شمع به دست می آید. همچنین در شکل 17، چگونگی تغییر محل صفحه ی خنثی با تغییر بار وارده ی Qd نشان داده شده است.
شکل 18، چگونگی تغییر محل صفحه ی خنثی را با تغییر وارده Qd به سرشمع نشان می دهد. توجه شود که مقدار نیروی اصطکاک منفی نیز با تغییر مقدار Qd تغییر می کند. همچنین توزیع و تغییرات نیروی اصطکاک منفی نیز در تغییر جای صفحه ی خنثی مؤثر است. همان طوری که در شکل 18 مشاهده می شود نشست خاک و شمع در محل صفحه ی خنثی برابر است. به علاوه در محل صفحه ی خنثی بیش ترین بار سازه ای را در شمع داریم که در ملاحضات طراحی سازه ای به کار گرفته می شود.
همان گونه که ملاحظه گردید، مکانیسم توزیع نیرو در شمع و نشست خاک و شمع به هم وابسته و اندرکشی بوده زیرا تغییر بار وارده به شمع محل صفحه ی خنثی را تغییر داده و تغییر محل صفحه ی خنثی، مقدار نیروی ماکزیمم در شمع و نیز توزیع بار دائمی جهت تعیین نشست را تغییر می دهد.

در مجموع برای محاسبه ی نشست گروه شمع مراحل گام به گام زیر را داریم:
1- تعیین محل صفحه ی خنثی که می توان از رابطه ی تعادلی مجموع بار مرده و اصطکاک منفی از یک طرف و مجموع مقاوم کف و اصطکاک مثبت را در نظر گرفت. در شرایط خاک های همگن معمولاً در 3/1 ارتفاع از کف می توان جای آن را در نظر گرفت (همان مدل ترزاقی و پک).
2- توزیع بارهای دائمی گسترده با شدت Q0 از صفحه ی خنثی نسبت به عمق با روش تقریبی 2 به 1 یا روش تئوریک بوسینسک و یا وسترگارد ابعاد سرشمع به قرار B و L بوده و BXL/ (بارهای دائمی)=q0 می باشد.
3- محاسبه ی نشست با استفاده از روابط متداول در مکانیک خاک و مهندسی پی و یا استفاده از روش های پیشنهادی جانبو به صورت لایه به لایه تا جایی که بتوان از آثار تنش های وارده صرف نظر نمود (10 درصد q0 در اعماق زیر صفحه ی خنثی و یا معادل 5 درصد تنش مؤثر).
4- با توجه به این که تعیین محل صفحه ی خنثی با فرض بسیح کامل مقاومت انتهایی انجام شده لازم است مقدار جابه جایی در کف شمع کنترل شده که اگر کم تر از 5 درصد قطر شمع باشد محاسبات تکرار و مقدار کم تری برای مقاومت انتهایی در نظر گرفته شود. تا با جای جدید صفحه ی خنثی محاسبات را تکرار نمود.
5- نشست گروه شمع برابر مجموع مقدار نشست به دست آمده مربوط به صفحه ی خنثی به علاوه ی فشردگی الاستیکی شمع می باشد.

پی‌نوشت‌ها:

1- Neutral Plane
2- Negative Skin Resistance

طراحی بهینه ی ژئوتکنیکی پی های عمیق (2)

دستاوردهای اخیر در طراحی بهینه ژئوتکنیکی پی های عمیق (2)

استفاده از نتایج آزمایشات درجا (1) در تعیین توان باربری شمع ها

به عنوان مکمل روش استاتیکی و با توجه به این که آزمایشات درجای رایج SPT (2) و CPT (3) اطلاعات پیوسته ای از خصوصیات خاک بر حسب عمق فراهم می کنند، می توان از نتایج آن ها که عمدتاً به صورت تجربی می باشد در تعیین توان باربری شمع ها استفاده نمود. از آن جا که در اکثر مطالعات ژئوتکنیکی و شناسایی های محلی مربوط به پروژه های عمرانی استفاده از آزمایش SPT اجتناب ناپذیر است، استفاده از نتایج این آزمایش در تعیین ظرفیت باربری شمع ها مورد توجه مهندسان محاسب می باشد.
در صورت استفاده از نتایج SPT برای ظرفیت باربری شمع، ضریب اطمینان تا 4 توصیه می شود. فرم کلی روابط تعیین ظرفیت باربری شمع ها بر اساس نتایج آزمایش SPT به صورت زیر می باشد:

مقاومت واحد جداره ی شمع بر حسب KPa
A: ضریب تناسب بین مقاومت واحد جداره ای شمع و متوسط مقدار N در جداره ی شمع
مقاومت واحد کف شمع بر حسب MPa
B: ضریب تناسب بین مقاومت واحد کف شمع و متوسط مقدار N در حوالی کف شمع
مقادیر مربوط به فاکتورهای A و B، پیشنهادی توسط برخی محققان در جدول 5 ارائه شده است.
همچنین تغییرات مقاومت های واحد کف و جداری برای یک سری شمع در خاک های مختلف دانه ای بر حسب عمق اندازه گیری شده برای چندین مورد عملی در شکل 3 نشان داده شده است. همان طور که از این شکل پیداست، مقادیر متوسط مقاومت اصطکاکی و جداری شمع با افزایش مقدار N حاصل از آزمایش SPT یا به عبارتی میزان تراکم خاک ها افزایش می یابد.
بر خلاف SPT، استفاده از نتایج آزمایش درجای CPT در تعیین ظرفیت باربری شمع به خصوص در خاک های دانه ای شل و نسبتاً متراکم و همچنین خاک های ریزدانه ی نرم تا سقف بسیار رایج است. به عبارتی می توان از کاربردهای اولیه و مهم CPT به تعیین توان باربری شمع اشاره نمود و آن را با توجه به اندازه گیری مقاومت نوک و جداری حین نفوذ در زمین به عنوان یک مدل فیزیکی از شمع قلمداد کرد. آزمایش نفوذ مخروط به سرعت در حال تبدیل به مشهورترین نوع آزمایش های درجا می باشد. این بدان علت است که CPT یک آزمایش سریع و اقتصادی بوده و به طور پیوسته اطلاعاتی را از لایه بندی زمین شناسی و ارزیابی خصوصیات خاک به دست می دهد. آزمایش با توجه به استاندارد ASTM D-3441 (سیستم های مکانیکی) ASTM D5778 (سیستم های الکتریکی و الکترونیکی) انجام شده و شامل فرستادن میله ی استوانه ای فولادی با نرخ ثابت mm/s 20 به داخل زمین و اندازه گیری مقاومت نفوذی می باشد. پنترومتر استاندارد دارای نوک مخروطی با زاویه ی رأس 60 درجه، قطر بدنه ی 7/35 میلیمتر و غلاف اصطکاکی با سطح مقطع cm2 150 می باشد. مقاومت نوک را با qc و مقاومت جداری را با Fs نشان می دهند. همچنین، استاندارد ASTM قطر بزرگ تر mm 7/43 برای بدنه ی میله را نیز پیشنهاد می نماید (شکل 4).
از آزمایش CPT می توان در رس های بسیار نرم تا ماسه های متراکم استفاده نمود. ولی هنوز این آزمایش برای شن ها یا عوارض سنگی مناسب نمی باشد. علاوه بر این، دقت و توانایی دستگاه های نفوذ مخروطی CPTu در اندازه گیری qc و fs و u به کاربرد این امکان را می دهد که میزان فشار آب حفره ای اضافی شده (u) در طی آزمایش نفوذ مخروط را اندازه گیری نماید. لذا با استفاده از نتایج آزمایش CPTu، می توان ظرفیت باربری شمع را بر مبنای تنش های مؤثر به دست آورد. نمونه ای از دانه های حاصل از CPT در شکل 5 ارائه شده است.
روش های تعین ظرفیت باربری شمع بر اساس نتایج آزمایش CPT و یا دیگر آزمایشات درجا به دو دسته تقسیم می گردند: روش های مستقیم و روش های غیرمستقیم. در روش غیرمستقیم پارامترها و مشخصات مکانیکی خاک از نتایج آزمایش CPT تعیین می گردد، سپس با استفاده از این پارامترها و روابط تحلیل استاتیکی، ظرفیت باربری شمع تعیین می گردد. اما در روش های مستقیم بین نتایج آزمایش CPT و ظرفیت باربری شمع یک رابطه ی مستقیم نتایج آزمایش CPT و ظرفیت باربری شمع یک رابطه ی مستقیم ارائه می گردد. در اغلب این روش ها برای تعیین مقاومت کف شمع از مقادیر مقاومت نوک مربوط به آزمایش CPT یعنی qc استفاده شده است، اما برای تعیین مقاومت واحد جداری شمع، هم از مقادیر مقاومت نوک qc و هم از مقادیر مقاومت اصطکاکی Fs مربوط به آزمایش CPT، استفاده شده است.
بررسی ها توسط (Bruiad, 1988) بر روی 98 مورد عملی و (Eslami & Fellenius, 1997) بر روی 102 مورد عملی نشان می دهد که روش های مستقیم مبنی بر نتایج CPT با دقت مناسب و قابل قبولی ظرفیت باربری شمع ها را پیش بینی می کنند. در جدول 4 تعدادی از روابط ارائه شده برای تعیین ظرفیت باربری یک شمع بر اساس نتایج آزمایش CPT، ارائه شده است.

تعیین ظرفیت باربری با روش های استاتیکی

آزمایش بارگذاری استاتیکی شمع را می توان مستقیم ترین و کامل ترین روش تعیین ظرفیت باربری یک شمع دانست. به دلیل وجود موارد عدم اطمینان متعدد در روند آنالیز و طراحی شمع ها، انجام شدن این آزمایش بر روی شمع های در ابعاد واقعی به صورت یک امر ضروری در اکثر پروژه های مهم درآمده است. در چنین مواردی به دلیل وجود شرایط واقعی حاکم بر سیستم خاک – شمع، پاسخ سیستم در برابر بار وارده بر شمع، مشابه شرایط واقعی است. عملاً برای پروژه هایی حاوی پی های عمیق که در خاک های مسأله دار اجرا شده، متراژ شمع مصرفی زیاد و نیز پروژه از اهمیت به سزایی برخوردار بوده و یا تجارب کمی از پروژه های مشابه در منطقه در دسترس باشد انجام شدن آزمایش بارگذاری در پروژه اجتناب ناپذیر است.
اهداف آزمایش بارگذاری عبارت اند از:
1- تعیین توان باربری تک شمع و یا گروه
2- تعیین جابه جایی تک شمع و یا گروه تحت بار سرویس
3- کنترل توان باربری مفروض و مقایسه ی آن با مقدار واقعی
4- کسب اطلاعات در خصوص چگونگی مقادیر انتقالی توسط جدار و کف شمع
5- تدقیق و کاهش ضریب اطمینان و صرفه جویی در هزینه ی پی سازی پروژه های کلان
بارگذاری توسط یک جک هیدرولیکی و سیستم بارمرده انجام می شود که در مورد استفاده از جک هیدرولیکی، یک سیستم عکس العملی متشکل از چند شمع کششی، که عکس العمل جک از طریق یک یا دو تیر متقاطع به آن ها منتقل می شود، تأمین می گردد. همچنین سیستم بارگذاری شده باشد. مطابق ASTM-D 1143 ، ظرفیت سیستم کنترل کننده ی عکس العمل جک حداقل 25 درصد بیش از میزان بار وارده بر شمع باید باشد. شکل 6، شمایی از آزمایش بارگذاری استاتیکی بر روی شمع را نشان می دهد.
نتایج به دست آمده از آزمایش بارگذاری شمع به صورت یک نمودار بار –تغییر مکان، همانند شکل 7، ارائه می شود. برای حصول مقاومت نهایی و یا بار مجاز معمولاً نتایج آزمایش بارگذاری تفسیر می گردد. طبق تعریف یک شمع زمانی به گسیختگی کامل می رسد که تحت یک بار ثابت یا افزایش اندک بار، مقدار جابه جایی شمع به سرعت زیاد شود. (منحنی A از شکل 7) اما در اغلب اوقات، نمودار بار نشست به دست آمده از آزمایش بارگذاری به گونه ای است که تعریف فوق را برای ظرفیت باربری نهایی ارضا نمی کند (منحنی B از شکل 7). در چنین حالت هایی است که مسأله ی تفسیر نتایج آزمایش بارگذاری مطرح می گردد.
یکی از معمول ترین روش های تعیین ظرفیت باربری نهایی شمع، در این حالت ها بدین صورت است که دو بخش مستقیم نمودار بار – نشست را که بخش اول آن نشان دهنده ی تغییر شکل الاستیک و بخش دوم آن مؤید تغییر شکل پلاستیک شمع است، امتداد می دهند که محل تلاقی این دو خط، ظرفیت باربری نهایی شمع را نشان می دهد. این بار حدی یا نهایی به گونه ای حاصل می شود که به میزان زیادی به قضاوت اپراتور و مفسر وابسته بوده و همچنین انتخاب مقیاس محورهای بار – تغییر مکان نیز می تواند مفهوم بار حدی یا نهایی را تغییر دهد. به طور کلی، حصول بار نهایی تفسیر شده از نتایج آزمایش بارگذاری باید بر اساس یک قاعده ی ریاضی و تعریف شده باشد که نتیجه ی حاصل از آن تکرارپذیر بوده و مستقل از ضوابط مربوط به مقیاس و قضاوت شخص تفسیر کننده باشد.

تعیین ظرفیت باربری با روش های دینامیکی

هنگامی که ضربه ی چکش در حین عملیات شمع کوبی به سرشمع نواخته می شود، شمع قدری در زمین فرو می رود از عوامل مؤثر بر میزان فرو رفتن شمع در زمین به ازای هر ضربه، عبارت از سختی شمع، مقاومت و سختی خاک در اطراف جداره ی شمع در اعماق مختلف و همچنین در کف و پاین تر از آن و میزان انرژی وارده می باشند. لذا میزان فرو رفتن شمع در خاک به ازای هر ضربه ی چکش با انرژی وارده مشخص، می توان شاخصی از مقاومت خاک باشد به عبارت دیگر به ازای هر ضربه ی چکش یک آزمایش بارگذاری دینامیکی روی شمع صورت می پذیرد، اما تفاوت آن با آزمایش بارگذاری استاتیکی در آن است که به علت ماهیت دینامیکی ضربه ی وارده، اثر جرم و میرایی نیز در رفتار مجموعه ی شمع و خاک اطراف مؤثر است. همچنین تست های دینامیکی برخی از معضلات آزمایشات استاتیکی از قبیل وقت گیر بودن، پرهزینه بودن و عدم امکان انجام اغلب آزمایشات استاتیکی موجود در حیطه های دریایی را ندارد. در نتیجه می توان با حل کلی معادله ی حرکت برای سیستم بر حسب میزان فرو رفتن شمع در خاک، معادل ظرفیت باربری استاتیکی شمع را محاسبه نمود.
توجه به این نکته در دهه های گذشته دست اندرکاران طراحی و اجرای عملیات شمع کوبی را بر آن داشت تا از قوانین ضربه ی نیوتن برای تخمین ظرفیت باربری شمع در حین عملیات استفاده نمایند. فرض فوق بدان معنی است که در حین اعمال ضربه، انرژی وارده توسط چکش به شمع به طور همزمان به نوک شمع نیز اثر کرده و لذا فرمول هایی به نام فرمول های دینامیکی شمع به عنوان جسم واحد صلب فرض شده که یکپارچه پس از اعمال ضربه به پایین حرکت می کند. در صورتی که عملاً حالت انعطاف پذیری مطرح می باشد.
تجارب حاصل از شمع کوبی نشان داد که انتقال انرژی به انتهای شمع به طور همزمان صورت نگرفته و پس از اعمال هر ضربه، موج طولی در شمع ایجاد شده که زمان زیادتری نسبت به اعمال ضربه برای رسیدن به کف شمع و انعکاس از آن داشته، پس می توان سیستم شمع – خاک – چکش در حین شمع کوبی را توسط تئوری انتشار موج در یک محیط محیط یک بعدی مدل نمود. Smith, 1960 اولین راه حل عددی معادله ی فوق را با استفاده از یک مدل ساده برای سیستم شمع - خاک - چکش از روش تفاضل های محدود رای تحلیل تغییر مکان های شمع تحت ضربه ی چکش پیشنهاد نمود. وی در سال 1960 کاربرد روش معادله ی موج یا WEAP (4) را برای تحلیل شمع و شمع کوب به طور مبسوط شرح داد. در مدل عددی Smith شمع و سیستم کوبش به صورت عناصر مجاز در نظر گرفته شده که اجزا شمع به صورت وزنه های معادل در نظر گرفته شده که با فنرهایی با سختی مشخص به هم مرتبط هستند (شکل 8).
اما این روش نیز دارای نقاط ضعفی است که عبارت اند از:
1- دشواری در برآورد صحیح میزان انرژی وارده از طرف چکش به شمع
2- تخمین پارامترهای مناسب بر ای خاک در اعماق مختلف مانند ضریب میرایی جدار و نوک شمع
به منظور رفع نقیصه های موجود در روش تحلیل معادله ی موج، تلاش هایی در راستای تکمیل به کارگیری آنالیز معادله ی موج صورت پذیرفت که منجر به انجام آزمایشات دینامیکی گردید. یکی از متداول ترین این آزمایشات، آزمایش دینامیکی شمع یا PDA (5) می باشد که نصب سنسورهایی در نزدیکی سرشمع، مقادیر نیرو و سرعت (شتاب و کرنش) وارده ی ناشی از ضربه ی چکش را مستقیماً اندازه گیری می کنند. مکمل آزمایش PDA انجام تحلیلی انطباق سیگنال است که در واقع تحلیلی شبیه به WEAP می باشد. با این تفاوت که ورودی های اولیه ی برنامه، نتایج آزمایش PDA است. با استفاده از نتایج این تحلیل می توان اطلاعات مبسوط تری از توزیع تنش و نیرو در امتداد طولی شمع به دست آورده و در نتیجه مقاومت های جداری و نوک را به تفکیک محاسبه نمود. یکی از برنامه های تجاری موجود برای این منظور برنامه ی CAPWAP (6) است.
کاربرد آزمایشات در تفسیرهای دینامیکی نه تنها برای شمع های کوبیدنی، بلکه در سال های اخیر برای شمع های ریختنی و یا حتی شافت های درجای متکی بر سنگ نیز کاربرد داشته و به عنوان آلترناتیو مناسبی برای آزمایشات بارگذاری استاتیکی جهت تعیین باربری و تفکیک اصطکاک جداری و مقاومت کف مطرح و نتایج مطلوبی را نیز به همراه داشته است.

الف) فرمول های دینامیکی

در کنار روابطی که ظرفیت باربری شمع را با استفاده از روش های تحلیل استاتیکی به دست می دهند، روابطی وجود دارند که به کمک آن ها می توان ظرفیت باربری نهایی شمع را در حین کوبش کنترل نمود که این روابط به فرمول های شمع کوبی یا روابط دینامیکی مشهورند و از اهمیت عملی بالایی برخوردارند. با فرض این که در حین اعمال ضربه، انرژی وارده توسط چکش به شمع به عنوان جسم صلب به طور هم زمان به کف شمع نیز اثر نموده، فرمول های دینامیکی جهت تعیین ظرفیت باربری شمع ارائه گردید.

W = وزن چکش
H= ارتفاع سقوط چکش
Eh = انرژی اسمی وارد به سر شمع
Ru = توان باربری نهایی شمع
S = میزان نفوذ در هر ضربه

ب) روش تحلیل معادله ی موج

در مراحل ابتدایی توسعه ی شمع کوبی تصور می شد که قوانین ضربه ی نیوتن برای مدل نمودن شمع کوبی کاربرد داشته باشد. فرض فوق بدان معنی است که در حین اعمال ضربه، انرژی منتقل شده توسط چکش به شمع، به طور هم زمان به انتهای شمع (نوک شمع) نیز اثر کرده و لذا فرمول های شمع کوبی قابل توجه و متفاوتی توسط محققین مختلف ارائه شد. تحلیل کوبش (7) به منظور شبیه سازی کوبش واقعی شمع بوده و نتایج حاصل از آن به صورت یک مجموعه ی گراف هایی که شامل تعداد ضربات – ظرفیت باربری نسبت به عمق و یا ظرفیت باربری بر حسب عمق می باشند، ارائه می گردند. در واقع تعدادی تحلیل برای عمق های مختلف صورت گرفته و نتایج به صورت شکل 9 می باشند.

ج) تست های دینامیکی PDA

اندازه گیری های دینامیکی مقادیر نیرو و سرعت جهت تخمین رفتار سیستم کوبش، شمع و خاک حین کوبش ویا کوبش مجدد مورد استفاده قرار می گیرد. تحلیل گر شمع کوبی با استفاده از اندازه گیری مقادیر نیرو و سرعت می توان مقادیر ظرفیت باربری، عملکرد شمع کوب و میزان انرژی انتقال یافته به شمع، تنش های ایجاد شده در شمع حین کوبش، آسیب دیدگی شمع حین کوبش و پارامترهای ورودی تحلیل معادله ی موج را محاسبه نماید.
ابزاربندی سیستم تحلیل گر شمع کوبی شامل دو شتاب سنج، دو کرنش سنج، تحلیل گر شمع کوبی، اسیلوسکوپ و Channel cassette recorder می باشد که در شکل 10 نشان داده شده است. شتاب سنج ها و کرنش سنج ها معمولاً به فاصله ی دو برابر قطر شمع پایین تر از راس نصب می گردند. سیگنال های فرستاده شده از هر گیج در یک کابل اتصال که از شمع یا کلاهک آویزان است، جمع آوری می گردد. یک کابل اصلی، سیگنال ها را به تحلیل گر شمع کوبی که روی زمین قرار گرفته منتقل می کند. شماتیک تحلیل گر شمع کوبی در شکل 10 نشان داده شده است. تحلیل گر شمع کوبی برای هر ضربه ی چکش، سیگنال های آنالوگ کرنش و شتاب را به اطلاعات دیجیتال نیرو و سرعت بر حسب زمان تبدیل می کند. مسیرهای موج در حین کوبش بر روی اسیلوسکوپ نمایش داده می شوند. بدین ترتیب کیفیت اطلاعات قابل ارزیابی بوده و در صورت لزوم تصحیح می گردند. همچنین به منظور امکان انجام تحلیل های بیش تر روی اطلاعات در هر زمان، سیگنال های نیرو، سرعت و شتاب بر حسب زمان به طور دایمی روی نوار مغناطیسی یا دیجیتالی ذخیره می گردند. تحلیل گر شمع کوبی همچنین برخی از پارامترهای دینامیکی را برای هر ضربه بر روی کاغذ چاپ می کند. این پارامترها عبارت اند از: حداکثر نیروی فشاری و کششی اندازه گیری شده در محل اندازه گیر، حداکثر انرژی منتقل شده به شمع عبوری از محل اندازه گیر، تخمین ظرفیت باربری استاتیکی شمع توسط روش Case.
قبل از آماده نمودن شمع جهت کوبش می توان با نصب یک شتاب سنج به آن و کوبیدن آن توسط یک چکش دستی، سرعت موج در شمع را اندازه گیری نمود. هر مرتبه که موج تنش از محل نصب شتاب سنج روش شمع عبور می کند، یک پیک شتاب مثبت قابل ملاحظه است. حاصل تقسیم دو برابر طول شمع بر فاصله ی زمانی بین دو پیک شتاب، سرعت انتشار موج در شمع را نشان می دهد.

استفاده از روش Case جهت تعیین ظرفیت باربری

تحلیل گر شمع کوبی با استفاده از حل به روش بسته ی انتشار یک بعدی موج، مقاومت های کل استاتیکی و دینامیکی در برابر کوبش را محاسبه می کند. محاسبه ی این مقدار توسط رابطه ی پایه ی روش Case مطابق رابطه ی 17 صورت می گیرد:

که در آن RTL مقاومت کل (شامل مقاومت های استاتیکی و دینامیکی)، FT1 مقدار نیرو در زمان 1 (زمان ضربه)، FT2 مقدار نیرو در زمان 2

پس از زمان ضربه)، VT1 مقدار سرعت در زمان 1، VT2 مقدار سرعت در زمان 2، M جرم شمع، C سرعت موج در شمع و L طول شمع می باشند. مقاومت دینامیکی ناشی از میرایی توسط رابطه ی 18 قابل محاسبه است:

که در آن Jc فاکتور بی بعد میرایی Case و Vt سرعت نوک شمع می باشد. با تخمین مقاومت دینامیکی، ظرفیت باربری شمع، RSP، از رابطه ی زیر محاسبه می شود:

گرچه تخمین ظرفیت باربری توسط روش PDA بسیار مفید است اما دقت نتایج به دست آمده از این روش به انتخاب مناسب فاکتور میرایی Case برای خاک موجود در محل دارد. بهترین روش انتخاب فاکتور میرایی Case ایجاد همبستگی بین نتایج روش PDA و آزمایش بارگذاری استاتیکی (که تا گسیختگی انجام شده باشد) و یا استفاده از تحلیل CAPWAP است. شکل 11 یک مثال ساده از نحوه ی محاسبه ی میزان انرژی انتقال یافته در شمع را نشان می دهد.

پی‌نوشت‌ها:

1-In-situ Tests
2- Standard Penetration Test
3- Cone Penetration Test
4- Wave Equation Analysis Program
5- Pile Driving Analyser
6- Case Pile Wave Analysis Program
7- Driveability Analysis

پایه های سنگ دانه ای متراکم (2)

عملکرد

اجرای RAP اطمینان افزاینده ای در مهندسان نسبت به عملکرد سیستم پی، تحت هر دو شرایط بارهای استاتیکی و بارهای دینامیکی، فراهم می آورد. سختی به خوبی مشخص ساخت RAP و عملکرد نشست از دلایل عمده ی این اعتماد رو به رشد هستند.
سختی به خوبی معین ساخت RAP توسط موارد زیر اثبات شده است:
1- آزمایش های بارگذاری تمام مقیاس در کارگاه.
2- نظم و سادگی ساخت. هر سطل سنگ RAP حجمی معادل دو بالاروی 30 سانتی متراکم شده را دربر می گیرد، که لایه های متراکم شده ی نازک برای هر پایه ی نصب شده را تضمین می نماید.
3- گمانه زنی حجیم در هر پایه ی RAP برای مهندس ژئوتکنیک مسجل می سازد که محوطه ی ساخت و ساز توسط گمانه های شناسایی خاک به خوبی معرفی شده است.

سختی معین

در حین اجرای RAP در لایه های خاک متوسط تا سفت، کوبه ی هیدرولیکی سنگ شکسته را با تغییر شکل جانبی متوسطی در داخل خاک جای خواهد داد، و در لایه های خاک نرم و ضعیف، سنگ شکسته با تغییر شکل جانبی زیادی در داخل خاک جای خواهد گرفت، و این منجر به افزایش اصلاح خاک در جای مورد نیاز خواهد شد. در نتیجه، لایه های خاک نرم و ضعیف ناشناخته توسط حجم های سنگ بالاتر (خورند سنگ بیش تر) بهبود می یابد. این بهبود از طریق نتایج چندین آزمایش بار مدول در نواحی خاک نرم ثابت شده است.
آزمایش های بار مدول تمام مقیاس سختی فنری اتکایی (مدول سختی، kg) اجزای RAP را اندازه گیری می کنند. آزمایش مدول RAP به طور کلی طبق استاندارد آزمایش بارگذاری شمع (ASTM D 1143) با اصلاحاتی ویژه ی اجرای RAP انجام می شود. از آن جا که پارامترهای طراحی بر مبنای داده های آزمایش بار تمام مقیاس هستند، رفتار RAP به خوبی شناخته شده است، و این داده ها می تواند برای طراحی آیین نامه ای متعارف یا طراحی مبتنی بر عملکرد مورد استفاده قرار گیرد.
پایه ی فشاری تا 120 درصد تنش بیشینه ی سر پایه ی RAP بارگذاری می شود تا مدول سختی اندازه گیری شود و آن گاه تا 200 درصد بارگذاری می گردد تا ظرفیت باربری نهایی کاذب به دست آید (شکست در منحنی بار - تغییر شکل) مجموعه ی ابزار آزمایش را در شکل 7 ملاحظه نمائید. اگرچه هدف از آزمایش مدول، تأیید مدول سختی مورد استفاده در محاسبات طراحی است، در عین حال این آزمایش ها می توانند بینش مفیدی نیز در رابطه با چگونگی رفتار RAP در خاک های مختلف به دست دهند. در حین آزمایش بارگذای، سازوکار گسیختگی RAP می تواند از طریق شاخص های نصب شده در ته و وسط پایه ی RAP شناسایی شود. همان طور که در شکل 8 نشان داده شده است، میله ی شاخص تنها اندکی جابه جا شده است در حالی که تغییر شکل های سر پایه ی RAP در تنش بیش از MPa 175 (ksf 25) افزایش یافته اند. این رفتار دلالت بر آن دارد که در تنش های بالاتر RAP به جای فرو رفتن اندکی به سمت بیرون متورم می گردد (Majchrzak et al 2004). تحدب جانبی رفتار ارجح و «حالت حدی» مناسبی برای RAP است.

عملکرد برکنش

پایه ی برکنشی RAP تقریباً یکسان با پایه ی باربر فشاری تنها اجرا می گردد با این تفاوت که در حین اجرای پایه ی با قابلیت حمل برکنش، یک مهار صفحه ی پایه در پیاز تحتانی قرار داده می شود. این مهار سازه ای فولادی متشکل از چهار میلگرد تمام آجدار برجسته شماره ی 7#، (MPa 517) هر یک با مقاومت نهایی کمینه ی kips 60 (kN 260) می باشد، خواص سازه ای این میلگرد را در شکل 9 ملاحظه نمایید.

شکل 7: عکس مجموعه ابزار آزمایش مدول RAP

شکل 8: نمودار نتایج آزمایش مدول، محوطه ی کارگاهی دوبلین

شکل 9: خواص میلگرد تمام آجدار برجسته

شکل 10: نمونه پایه ی برکنشی RAP

ته کلیه ی این میلگردها به یک صفحه ی فولادی A36 گالوانیزه شده ( با غوطه وری داغ) به ضخامت یک اینچ پیچ می گردد. این مجموعه توسط پوشش افشان های پلی یوریثان (Polyurethane) در اتصالات پیچ شده و روی تمام صفحه پایه محافظت می شود، شکل 10 را ملاحظه نمایید. سر کلیه ی میلگردها صفحات باربر مربعی 4 اینچی قرار می گیرد، که مهاربندی لازم در شالوده را فراهم می آورند. برای منظور نمودن قابلیت اعتماد دراز مدت، میلگردها بیش از اندازه بوده و به روش غوطه وری داغ گالوانیزه شده و آن گاه توسط پلی اتیلن فشرده به ضخامت 25mm محافظت می شوند، پوشش پلی اتیلن توسط بتونه قیری انعطاف پذیری محکم به میلگرد چسبانده شده است. شکل 10 را ملاحظه نمایید. این کار به طور موثری انتقال رطوبت و اکسیژن به فولاد که لوازم خوردگی هستند را حذف می نماید.
نتایج آزمایش برکنش در شکل 11، تکرارپذیری در سختی پایه ی برکنشی RAP درخاک نرم بعد از دو نوبت اعمال بار دوره ای چند گانه را نشان می دهد. این آزمایش بر مبنای ASTM D389 روش آزمایش بار برکنش سریع شمع، در محوطه پروژه ای در ساکرامنتو (Sacramento) انجام شده است. شرایط خاک در این ناحیه لای ماسه دار سست و رس لای دار نرم بوده و تا عمق 5/5 متری قرار دارد. مقادیر Nحاصل از آزمایش SPT در خاک لای ماسه دار و رس لای دار بین 2 تا 5 ضربه قرار دارند.
برای این آزمایش خاص، پایه ی برکنشی گسیخته نشد. اما به طور کلی رفتار پایه برکنشی RAP مشابه رفتار پایه بتنی رنگی شکل است، از این حیث که تحت برکنش با رسیدن ظرفیت باربری پایه ی به حد نهایی، تدریجاً شروع به بالا آوردن توده ی بزرگی از خاک در سطح زمین می نماید(Lawton 2000). توجه نمایید که تقریباً 50 درصد تغییر شکل کشسان اولیه مربوط به کشیدگی فولاد بوده که به خوبی در محدوده کشسانی بیان شده می باشد. این پایه ی برکنشی بعد از اعمال دوره های تنش چندگانه، سختی خطی را حفظ می نماید.

کنترل نشست

در رابطه با طراحی شالوده، به نظر می رسد مهندسان سازه با فشارهای باربری (مقاومت) آشنایی بیش تری داشته، و با مدول بستر (سختی) کم تر آشنا هستند. گاهی مهندس سازه با این مساله مواجه است که با استفاده از فشارهای باربری متوسط برای طراحی، گزینه نیاز به بهبود زمین تکیه گاه پی را دنبال کند یا در عوض با انتخاب فشار باربری کم تر، شالوده های بزرگ یا سیستم پی عمیق با دال سازه ای را به کار گیرد. صرفه نظر از رویکرد انتخابی، سازه های فوقانی می بایست از جنبه های نشست های کل و نشست های تفاضلی بین ستون های مجاور محافظت گردد.
طراحی و اجرای RAP منجر به کاهش در هر دو نشست کل و نشست تفاضلی می گردد (Majchrzak et al 2004). در این جا این سوال مطرح می شود که کنترل نشست تفاضلی تا چه اندازه مهم است؟ یک قاب خمشی دو دهانه ی بتنی را در نظر بگیرید که ستون میانی آن دارای جا به جایی تفاضلی 75/. اینچ باشد. برای طول دهانه و ابعاد متعارف، این نشست به تنهایی می تواند لنگری معادل 40 درصد لنگر تسلیم را در تیرها ایجاد نماید.
برای ارائه ی تصویر درازمدتی از کنترل نشست RAP، دو سازه ی 6 طبقه، یکی در ساکرامنتو (Sacramento) و دیگری در دوبلین (Dublin)، به لحاظ نشست مورد پایش قرار گرفته و در مرجع ماجکرزاک و همکاران (Majchrzak et al 2004) به تفصیل مورد بحث قرار گرفته اند. این مطالعات موردی کنترل نشست یکنواخت خوبی در نواحی با خاک رس نرم تا سفت، امتداد یافته تا عمق 9 متری، را نشان می دهند. در هر دو پروژه، پی های RAP با عمق متوسط 7/6 تا 9 متری جایگزین شمع های کوبشی 23 و 20 متری گردیدند.
در ساکرامنتو موقعیت 12 ستون با بار مرده وزنی به اضافه بارهای زنده در دامنه ی 138 تا kips 835 و دو دیوار برشی بار مرده وزنی به اضافه بارهای زنده در دامنه ی 1200 تا kips 1800 در هر سمت، مورد زمان در شکل 12 رسم شده اند. نتایج دلالت بر آن دارند که نشست های پی در دامنه 0/3 تا 0/8 اینچ قرار داشتند که هم مقدار بیشینه و هم متوسط این مقادیر کوچک تر از برآوردهای طراحی هستند (Majchrzak et al 2004).
در پروژه دوبلین، چندین مکان از جمله ستون های وزنی با بارهای مرده و زنده در دامنه kips 3000 تا kips600 و دال های قاب خمشی با مجموع بار مرده و زنده 1500 kips تا 2300kips مورد اندازه گیری قرار گرفتند. نتایج قرائت های نشست شالوده برا ی محوطه دوبلین در برابر زمان در شکل 12 رسم گردیده اند. نشست های واقعی ثبت شده در دامنه 0/3 تا 0/7 اینچ قرار داشتند که هم مقدار بیشینه و هم مقدار متوسط کوچک تر از برآوردهای طراحی هستند.

قابلیت اجرا

عملکرد تکرارپذیر ارائه شده توسط اجرای RAP نتیجه ی مستقیم فن آوری های ساده ی نصب و کنترل کیفیت آن ها می باشد. استفاده از سنگ شکسته معمولی موجود در معادن سنگ محلی به حفظ کیفیت اجرای RAP اجرا شده کمک می نماید. همچنین استفاده از مهارهای فولادی سازه ای با طراحی ویژه، عملکرد تکرارپذیر اجزای برکنشی RAP را نیز تضمین می نماید.
از منظر پیمانکار، ساخت پی های سطحی متعارف بر روی خاک بهبود یافته بسیار ساده از اجرای کلاهک های شمع یا کلاهک های پایه و تیرهای ترازبندی است. در برخی موارد که جایگزین خاکبرداری حجیم با خاکریز مهندسی توصیه شده است ولی ته گود برداری پایین تر یا نزدیک به سفره ی آب زیرزمینی است، استفاده از RAP می تواند نیاز به سیستم پیچیده بی آب سازی گود را مرتفع سازد.
به خاطر بهبود ایجاد شده در خاک های اصلاح نیافته یا خاکریزهای کنترل نشده ی مجاور، اجزای RAP همیشه نیازی به ادامه تا لایه ی خاک محکم عمیق ندارند، که این ویژگی مشکلات اجرا را کاهش می دهد. همچنین این جنبه، سیستم RAP را برای اکثر شرایط خاک نرم و ضعیف قابل کاربرد می سازد. سرعت ساخت برای سیستم اجزای RAP حدود 40 تا 60 پایه در روز است. این سرعت اجرای RAP، به پیمانکاران اجازه می دهد تا خاکبرداری شالوده را زودتر شروع نموده، بنای سازه ی فوقانی را زودتر از پروژه ی پی عمیق به سمت بالای تراز زمین گسترش دهند.

از دیدگاه کنترل کیفیت، شبیه هر سیستم پی دیگری، اجرای RAP توسط مهندس ژئوتکنیک تحت نظارت و آزمایش قرار می گیرد. علاوه بر انجام آزمایش های بارگذاری مدول، نفوذ مخروط دینامیکی روزانه و پایدارسازی تحتانی، نماینده ی کارگاهی مهندس ژئوتکنیک عمق های حفاری، متوسط زمان سنبه کوبی هر لایه، انواع سنگدانه ها در هر لایه، ضخامت متوسط لایه، و شرایط غیرمعمول پیش آمده در شافت های حفاری شده را نیز ثبت می نماید. کنترل کیفیت RAP مشابه کنترل کیفیت پایه ی بتنی است، با این تفاوت که اجرای RAP، انجام یک آزمایش بارگذاری تمام مقیاس در هر کار را دربر می گیرد. بحث مشروحی از آزمایش کنترل کیفیت برای اجرای پایه ی سنگ دانه ای سنبه کوب شده را می توان در گزارش ICBOES ملاحظه نمود (2002).
به خاطر اندازه ی نسبی ابزار اجرای RAP، محدودیت های بالاسری به ندرت پیش می آید. همچنین محوطه های فشرده ی شهری در نواحی مسکونی توجه خود را به این روش فنی معطوف کرده اند زیرا اجرای RAP سرو صدای کمی ایجاد می نماید. برخلاف ارتعاشات پیوسته ی ناشی از کوبش شمع های بتنی، ارتعاشات ناشی از اجرای RAP در فاصله ی 3 متری از کوبه، کم تر از 2/0 اینچ در ثانیه هستند. برای محوطه های شهری خط صفر زمین، اجزای RAP می توانند در فاصله 5/5 متری از ساختمان موجود اجرا شوند، که این ویژگی نیاز به شمع زنی را مرتفع می سازد.
تنها محدودیت اجرای RAP عمق آن است. به همین دلیل اجرای RAP به عنوان «سیستم پی متوسط» نام گرفته است. رس های نرم تحکیم عادی یافته یا خاک های با قابلیت روانگرایی که تا بیش از عمق 10 متری گسترش یافته اند، به واسطه ی محدودیت های ابزاری نمی توانند با این روش اصلاح شوند. در حالی که عمیق ترین اجزای RAP اجرا شده در حدود 11 متری زیر سطح زمین هستند، 90 درصد اجزای RAP دارای عمق کم تر از 6 متر هستند. به علاوه، برای شرایط خاک حفره دار و نیز ماسه ای سست، گاهی از غلاف موقت (CASING) استفاده می گردد.

ساخت و ساز سبز

اجزای RAP را می توان با افزودن یا جایگزینی با بتن بازیافتی و سنگ دانه ی بازیافتی ارتقا بخشید. در سال 2003، شرکت ساختمانی DPR دفتر منطقه ای خود در ساکرامنتو را کامل نمود و به علت استفاده از مصالح بازیافتی محلی در اجرای پی RAP جایزه ی مدال نقره را از شورای ساختمان سبز آمریکا (USGBC 2004) دریافت نمود. این اولین پروژه ی خصوصی در درّه ی مرکزی (Central Valley) بود که توانست چنین افتخاری را کسب نماید. در واقع سیستم پی RAP به عنوان پی با مشخصه های ساختمانی سبز یا دوستدار محیط زیست شناخته شده است.

جنبه های اقتصادی

در حالی که هر سیستم ساختمانی اصولاً توسط عملکرد و قابلیت اجرایی آن مورد داوری قرار می گیرد، این سیستم به کار گرفته نخواهد شد مگر آن که نفع اقتصادی نیز برای مالک فراهم نماید. سیستم پی RAP در بیش از 10000 پروژه ی دولتی و خصوصی در آمریکا به کار برده شده است که بیش از 75 درصد آن ها در کالیفرنیا بوده است. چون بسیاری از پروژه های دولتی هزینه های پیشنهادی برای مناقصه های پایه و گزینه های مناقصه را منتشر کرده اند، لذا می توانند نمونه هایی از این که چه مقدار صرفه جویی با اجرای پی های سطحی متعارف متکی بر RAP محقق شده است را فراهم نمایند.
سه پروژه ی مختلف اجرا شده در دانشگاه کالیفرنیا در داویس (UCD) را در نظر بگیرید: 1) برای سازه ی پارکینگ ورودی غربی، پایه های سنگدانه کوبیده شده گزینه ی پیشنهادی در برابر پایه های بتنی زنگی شکل بود. طبق اسناد دولتی، صرفه جویی گزارش شده برای اجرای RAP نسبت به پایه های بتنی زنگی شکل 950000 دلار بود. 2) در ساختمان دانشکده ی علوم ریاضی، اجرای RAP با صرفه جویی گزارش شده 145000 دلار در برابر پایه های بتنی مستقیم رقابت نمود. 3) در مرکز فعالیت های تفریحی، شرکت مک کارثی (McCarthy) با به کارگیری اجزای RAP به جای پیشنهاد خاکبرداری حجیم 3 متری و جایگزینی آن با خاکریز مهندسی، یک صرفه جویی 300000 دلاری را گزارش نمودند.

نتیجه گیری ها

اجرای RAP یک شیوه ی بهبود زمین برای اتکای پی های سطحی متعارف است که در میان جوامع مهندسی ژئوتکنیک و سازه به خوبی مورد پذیرش قرار گرفته است. همان طور که در این مقاله نشان داده شد، با وجود RAP برای حمل ایمن بارهای دال کف و پی به رس نرم، ماسه و لای سست، خاکریزهای بدون نظارت و به طور کلی محوطه های خاک ضعیف و سست، مهندسین گزینه ی مطمئن دیگری در اختیار دارند. با شالوده های متکی بر RAP، مهندسان می توانند از سادگی طراحی، مشخصه های عملکرد دراز مدت خوب، اجراپذیری اثبات شده، و قابلیت رقابت اقتصادی اطمینان پیدا نمایند.
اجرای RAP در آمریکا و به ویژه در کالیفرنیا به طور موفقی در حال گسترش به پروژه های بخش دولتی و خصوصی می باشد. مطالعات موردی پیش گفته نشان می دهند که استفاده از تسلیح خاک RAP به عنوان بستر اتکای شالوده های با ظرفیت باربری بالا در چارچوب استانداردهای اجرایی یکسان با سیستم های پی عمیق و سطحی متعارف، منجر به صرفه جویی در هزینه ها می گردد. در نهایت توصیه می گردد این تجربه ی موفق در بهبود خواص مهندسی زمین برای مقاصد پی سازی در ایران نیز مورد توجه و استفاده قرار گیرد.
تشکر و قدردانی: بر خورد لازم می دانم از آقای مهندس نعیمی فر برای همکاری در جست و جوی منابع و تهیه ی پیش نویس پیشینه ی موضوع قدردانی نمایم.

پی‌نوشت‌ها:

2- Farrell Design-Build Companies, Inc. (January 1999). Block 224 Parking Garage Geopier Design and Constraction Recommendations. Acramento, CA.
3- Farrell lDesign-Build Companies, Inc. (June 2000). Corporate Headquarters Geopier Design-BuildSubmittal. Dublin. CA.
4- Farrell T. et al. "Rammed Aggregate Pier Design and Construction in California-Performance. Constructability, and Economics" SEACO 2004 CONVENTION PROCEEDINGS, pp. 147-154.
5- Fox, N.S. and Cowell, M.J. (1998). Geopier Foundation and Soil Reinforcement Manual. Geopier Foundation Company, Inc., Scottsdale, Arizona.
6- Hall, K.M., Wissmann, K.J., Caskey, J.M., and FitzPatrick, B.T. (2002). "Soil reinforcement used to arrest bearing capacity failure at a steel mill." Proceedings, 4th International Conference on Ground Improvement. Kuala Lumpur, Malaysia, 26-28 March.
7- Handy, R.L. (2001). "Does Lateral Stress Really Influence Settlement." ASCE Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering Vol. 127, No.7.
8- Handy R.L. and White D.J. "Stress Zone Near Displacement Piers: I. Plastic and Liquefied Behavior" J. Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.132, No.1,2006pp.54-62.
9- Handy R.L. & White D.J., "Stress Zone Near Displacement Piers: IIRadial Cracking and Wedging." J. Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 132, No.1, 2006, pp.63-71.
10- ICBOES Report ER-5916 (Reissued September 1, 2002) ICBO Evaluation Service, Inc. 5360 Workman Mill Road, Whittier, California 90601. www.icboes. Org.
11- Lawton, E.C., and Fox, N.S. (1994). "Settlement of structures supported on marginal or inadequate soils stiffened with short aggregate piers." Vertical and Horizontal Deformations of Foundations and Embankments, A.T. Yeung and G.Y. Fello (Editors), American Society of Civil Engineers, 2, 962-74.
12- Lawton, E.C., Fox, N.S. Fox, and Handy, R.L. (1994). "Control of settlement and uplift of structures using short aggregate piers. "In-Situ Georgia. 121-132.
13- Lawton, E.C. (2000). "Performance of Geopier Foundations During Simulated Seismic Tests at South Temple Bridge on Interstate 15. Salt Lake City, Utah. "Final Reort, No. UUCVEEN 00-03, University of Utah. Salt Lake City Utah.
14- Lillis C. etal. 2004."Compression and Uplift of Rammed Aggregate Piers in Clay." GeoSupport Conference, January 29-31.
15- Majchrzak, M., Lew, M., Sorensen, K., and Farrell, T. (2004). "Settlement of Shallow Foundations Constructed lOver Reinforced Soil: Design Estimates vs. Measurements."Proceedings, Fifth International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering, April 13-17, 2004, New York, NY.
16- Minks, A.G., Wissmann, K.J., Caskey, J.M., and Pando, M.A. (2001). "Distribution of Stresses and Settlements Below Floor Slabs Supported by Rammed Aggregate Pirs." Proceedings, 54th Canadian Geotechnical Conference. Calgary, Alberta. September 16-19.
17- Pham T.V. and. White D.J. "Support Mechanisms of Rammed Aggregate Piers. I: Experimental Results", J. Geotechnical and Geoenviromental Engineering, Vol.133, No. 12, 2007, pp.1512-1521.
18- Pham T. V. and. White D. J. “Sopport Mechanisms of Rammed Aggregate Piers. I: Experimental Results” ,J. Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.133,No.12,2007,pp.1503-1511.
19- Pitt, J.M, White, D,.J., Gaul, A., Hoevelkamp, K. (2003). Highway Applications For Rammed Aggregate Piers In lowa Soils. Lowa DOT Project TR - 443.
20- Shields C.S. et al. 2004. "Modulus Load Test Results for Rammed Aggregate Piers in Granular Soils." GeoSupport Conference, January 29-31.
21- USGBC (2004) DPR-ABD Office Building, LEED#0480.LEED Version 2 Certification Level: Silver.
http://www.usgbc.org/Docs/Certified Projects / Cert¬_Reg IIS. pdf.
22- White D.L. et al. 2001. "Lateral Earth Pressure lInduced by Rammed Aggregate Piers." Proceedings, 53rd Annual Canadian Geotechnical Conference, Montreal, Canada.
23- Wissmann, K.L. (1999). "Technical Bulletin No. 2_Bearing Capacity of Geopier – Supported lFoundation Systems." Geopier Foundation Company, Inc. Blacksburg, VA.
24- Wissmann, K.L., and Fitzpatrick, B.T., and lLawton, E.C. (2001). "Technical Bulletin NO. 3- Geopier Uplift Resistance." Geopier Foundation Company, Inc. Blacksburg, VA.
25- Wissmann, K.L., and Fitzpatrick, B.T., and Lawton, E.C. (2001). "Technical Bulletin No. 4- Geopier Lateral Resistance." Geopier Foundation Company, Inc. Blacksburg, VA.

تولید بتن مقاوم در مقابل خوردگی ناشی از اسید

بررسی خوردگی شیمیایی و مقام سازی بتن در مقابل خوردگی ناشی از اسید)

چکیده

مسأله ی استفاده از بتن های مقاوم در مقابل خوردگی ناشی از اسید و نیاز روز افزون به تولید آن به لحاظ وسعت صنایع به کار گیرنده و نیازمند این نوع از بتن در کشور نظیر صنایع پتروشیمی، باطری سازی های سربی اسیدی، اسید شویی در صنایع مختلف و غیره، به عنوان یکی از موارد مهم و بسیار قابل توجه در عرصه ی ساخت و تولید مصالح معدنی مطرح است.
در محیط های اسیدی و در صورت استفاده از بتن معمولی، در اثر واکنش اسید با سیمان پرتلند که خود خاصیت قلیایی دارد، نمک های محلول در آب ایجاد، و این واکنش منجر به تخریب و خوردگی بتن می گردد. در این ارتباط جهت حفاظت بتن معمولی از خوردگی ناشی از اسید باید تماس سیمان پرتلند و اسید را توسط یک لایه ی محافظ و مناسب به حداقل رساند. انتخاب لایه ی محافظ تابعی از نوع مواد شیمیای مخرب و عوامل محیطی و نیز بارهای وارده است. روش دیگر در ارتباط با این مساله، استفاده از مواد جایگزین چسباننده ی مصالح دانه ای به جای سیمان پرتلند است که در مقابل حملات اسیدی مقاومت مورد نظر را دارا باشند. از جمله ی این مواد سیمان آلومینا و یا گوگرد را می توان عنوان نمود. با توجه به عدم تولید سیمان آلومینا در ایران و وجود منابع طبیعی تامین گوگرد در کشورمان و نیز به لحاظ ویژگی های خاص این ماده، و در راستای پاسخ به نیاز روز افزون صنایع مذکور در این ارتباط، در این تحقیق که مقاله ی حاضر برگرفته از آن می باشد، ضمن معرفی و برشماری خواص بتن گوگردی به عنوان بتن مقاوم در مقابل اسید، مزایای و معایب آن مورد بررسی قرار گرفته است. در جریان این تحقیق نیز سعی شده است که علاوه بر عوامل موثر بر مقاومت فشاری بتن گوگردی، سایر عوامل موثر بر خوردگی آن، تاثیر مواد مضاف، عواتمل زمان و دما، اثر اسید و اثر باز نیز مورد بررسی و پردازش قرار گیرد.
کلید واژه ها: بتن گوگردی، ماده ی مضاف، DCPD ، SMZ، مقاومت بتن گوگردی، خوردگی اسید، خوردگی باز

1- گوگرد و بتن گوگردی

1-1- گوگرد

گوگرد عنصری جامد، ترد و به رنگ زرد روشن است که در اثر حرارت دستخوش دگرگونی می گردد. این ماده در دمای 119 ذوب و به صورت سیال زرد رنگ، در دمای 160 به صورت مایع قهوه ای رنگ است و در دمای 200 به بالاتر از سیالیت آن کاسته می شود. این ماده دارای جرم ویژه 2070 کیلوگرم در مترمکعب و در دمای 135 به حدود 1800 کیلوگرم در مترمکعب می رسد.

1-2- بتن گوگردی و ویژگی های آن

این ماده با ترکیب مصالح سنگی، فیلر و گوگرد به عنوان ماده ی چسباننده ساخته می شود. جهت جلوگیری از کاهش مقاومت آن، یک ماده ی مضاف نیز به ترکیب آن اضافه می گردد. مقاومت فشاری این بتن در ساعات اولیه ی ساخت نمونه حدود 300-200 کیلوگرم بر سانتی متر مربع است. دوام شیمیایی این نوع بتن خوب، و مناسب استفاده در محیط های صنعتی است؛ ولی در قابل درجه حرارت بالا آسیب پذیراست و تاثیرات خورندگی آن روی آرماتورها در محیط مرطوب، آن را در بسیاری از موارد صنعتی غیر قابل استفاده می نماید.
بتن گوگردی ماده ای است مرکب از گوگرد، شن و ماسه که به آب و سیمان احتیاج ندارد. خواص مکانیکی و فیزیکی این نوع بتن در جدول 1 نشان داده شده است.
زمانی که گوگرد اصلاح نشده و مصالح سنگی برای تهیه ی فرآورده های گوگرد در حالت گرم مخلوط شوند، گوگرد چسب شده به شدت تحت اثر تنش های داخلی قرار می گیرد و در نتیجه ی آن دچار خرابی و انهدام زودرس می گردد. بنابراین روش های مختلف اصلاح گوگرد الزامی است که در این ارتباط، روش Vroom (ورم) و با همراهی اورتگا از دانشگاه مک گیل قابل طرح است. در این روش، اصلاح گوگرد توسط واکنش آن با یک پلیمرهیدروکربن اولینفینی صورت می گیرد. در جدول شماره ی 2، تشابه خواص مقاومتی بتن گوگردی اصلاح شده و اصلاح نشده در قیاس با بتن معمولی صورت گر فته است.
از ویژگی های دیگر بتن گوگردی می توان به خصوصیات ذیل اشاره نمود:
- بتن گوگردی در تغییر شکل بیشتر به مقدار مقاومت حداکثر خود می رسد.
- افزایش درصد گوگرد و در نتیجه ی افزایش مقاومت فشاری بتن گوگردی با افزایش ضریب ارتجاعی آن همراه است.
- مقاومت آن در برابر محیط های خورنده به خصوص محیط های اسیدی، حملات نمک ها، کلرها، و سولفات بسیار قابل توجه است که خود از مزیت هایی است که قابلیت استفاده از آن را در پوشاندن کف محیط هایی که با مواد خورنده در تماس هستند و یا استفاده از آن در ساختار سل های الکترولیت در حوضچه های اسیدی، ساخت مخزن اسیدی و کف های عمومی در محیط های اسیدی و خورنده را به صورت قابل توجهی افزایش می دهد.
- بتن گوگردی در قیاس با بتن با سیمان پرتلند زودگیرتر است.
- بتن گوگردی ساخته شده با سنگدانه ی شکسته دارای مقاومتی به مراتب بیش تر از بتن ساخته شده با سنگدانه ی معمولی است.
- مقاومت این بتن در اثر تغییر دما تغییر می یابد، به طوری که با افزایش دما بیش تر از 50 درجه، مقاومت آن کاهش می یابد. لذا استفاده از آن تا دمای 80 درجه سانتی گراد محدود است.
- بتن گوگردی دارای خاصیت شکنندگی است که یکی از خصوصیات نامطلوب آن است که با استفاده از الیاف تقویت کننده با مواد شیمیایی قابل اصلاح و بهبود است.
- این بتن دارای خزش بیش تری نسبت به بتن سیمان پرتلند است.
- قابلیت بازیافت این نوع بتن یکی از خواص جالب و قابل توجه آن است؛ بدین معنی که هر زمان که لازم باشد می توان این بتن را ذوب نمود، گوگرد و سنگدانه ها را جدا نمود و دوباره از آن ها در ساخت بتن استفاده کرد.
- به لحاظ افزایش قابل توجه قیمت سوخت که باعث افزایش قیمت سیمان و در نتیجه ی آن افزایش هزینه ی ساخت بتن با سیمان پرتلند می گردد، هزینه ی ساخت بتن گوگردی امروزه در قیاس با بتن معمولی قابل رقابت است.

2- روش ساخت و مصالح مورد استفاده در بتن گوگردی

2-1- روش ساخت

اساساً سه روش برای ساخت بتن گوگردی پیشنهاد می گردد:

جدول 1: خواص فیزیکی و مکانیکی بتن گوگردی

جدول 2: مقایسه ی مقاومت بتن های گوگردی اصلاح شده و اصلاح نشده در ملات سیمان

* DCPD= dicyclopentadiene
- روش مخلوط گرم : در این روش پودر گوگرد و مصالح سنگی توسط یک مخلوط کن مجهز به سیستم گرم کننده، مخلوط می شود. پس از آن دمای مخلوط به 140 درجه ی سانتی گراد می رسد و این دما تا زمانی که مخلوط کاملاً به صورت همگن و روان درآید و گوگرد مذاب بتواند سطح سنگدانه را اندود نماید، حفظ می گردد. پس از آن مخلوط در قالب ریخته می شود.
- روش مالهوترا: در این روش سنگدانه ها قبل از مخلوط کردن با گوگرد تا دمای 180 درجه ی سانتی گراد گرم می شوند.
- روش ابداعی: با توجه به این که دو روش قبلی برای ساخت بتن گوگردی اصلاح نشده مورد استفاده قرار می گیرند، در این روش (اصلاحی) چون باید برای استفاده از مواد مضاف (DCPD) گوگرد را ذوب، و با ماده ی مضاف ترکیب نمود، بدین لحاظ ابتدا گوگرد تا دمای 140 درجه ی سانتی گراد گرم و ذوب می گردد. پس از آن، ماده ی مضاف به آن اضافه می گردد و پس از مدت مشخصی، گوگرد مذاب با سنگدانه هایی که قبلاً گرم شده اند در داخل مخلوط کن ریخته می شوند. در این تحقیق از این روش جهت ساخت بتن گوگردی اصلاح شده استفاده شده است.

جدول 3: مقاومت فشاری MPa

2-2- مصالح به کار رفته

- مصالح سنگی: بر طبق استاندارد ASTMD33
- گوگرد: گوگرد مصرفی از نوع خالص (گل گوگرد) یا ناخالص.
- ماده ی مضاف: دو نوع ماده ی مضاف SMZ و DCPCD .
- فیلتر: پودر سنگ عبوری از الک شماره 200 و در اکثر موارد از خاکستر بادی.
- اسید و باز: اسید سولفوریک با نرمالیته ی 6/6 و هیدروکسید سدیم (یا سود سوزآور) با نرمالیته ی 1/6 در دمای محیط حدود 31 درجه ی سانتی گراد
- وسایل و محیط آزمایش: قالب مناسب استاندارد، دستگاه مخلوط کن ویژه، وسایل ایمنی، دماسنج دیجیتال، جک هیدرولیکی و ترازوی با دقت بالا، انجام آزمایشات در محیط آزمایشگاهی باز.
- در خصوص روش ساخت بتن گوگردی با ماده ی مضاف، لازم به تذکر است که در ارتباط با ماده ی مضاف SMZ استفاده از روش سوم مناسب است، زیرا دمای ذوب SMZ کمی بالاتر از پودر گوگرد (حدود 160 درجه ی سانتی گراد) می باشد و در صورت استفاده از دو روش اول و دوم، احتمال عدم ذوب کامل SMZ وجود دارد. ضمناً تمامی مصالح مصرفی باید خشک باشند.
در خصوص استفاده از دی سیکلوپنتادین (DCPD) نیز از روش سوم استفاده می شود، چون ماده ی مزبور باید طی زمان مشخصی با گوگرد مخلوط گردد تا نتیجه ی مطلوب حاصل گردد.

3- بررسی تاثیر مواد مضاف بر مقاومت فشاری بتن گوگردی و مقاومت هر کدام در برابر خوردگی (نتایج آزمایشگاهی)

3-1- بررسی تاثیر مواد مضاف DCPD و SMZ و مقاومت فشاری

نتایج آزمایشات مربوط به 6 نمونه بتن گوگردی بدون ماده ی مضاف، 6 نمونه با ماده ی مضاف و 6 نمونه با ماده ی مضاف DCPD در سنین 1، 14، 28 روزه در جدول 3 قابل مشاهده است.
مقادیر مندرج در جدول فوق نیز طی نمودار شماره ی 1 نشان داده شده است.
بررسی جدول 3 در خصوص مقاومت بتن گوگردی معمولی و همچنین انجام مجدد آزمایش تکراری آن نشان می دهد که این بتن در شرایط یک روزه دارای مقاومت فشاری حدودMPa 20 است که پس از گذشت 14 روز به حدود MPa 25 می رسد که دارای رشدی حدود 25% است ولی پس از آن مقاومت فشاری آن دچار افت می شود و حتی از مقاومت 14 روزه به دست آمده نیز کم تر می گردد. درحدی که نسبت به مقاومت یک روزه، رشدی در حد 5/12% را از خود نشان می دهد. دلیل چنین رفتاری بدین شرح است که در بتن گوگردی دو مکانیزم به صورت سهم زمان در حال شکل گیری است: 1- کریستاله شدن گوگرد که باعث رشد مقاومت فشاری بتن گوگرد می شود. 2- تبدیل گوگرد از خانواده مونوکلینیک به ارتورمبیک که خود باعث ایجاد تنش های داخلی در بتن و در نتیجه افت مقاومت بتن گوگردی می شود. در واقع در چند روز اول کریستاله شدن گوگرد تاثیر بیش تری بر بتن گوگردی دارد و در نتیجه ی آن، مقاومت فشاری افزایش می یابد. در حالی که در روزهای حدود چهارم، کریستاله شدن به پایان می رسد و تبدیل خانواده ی گوگرد تاثیر بیش تری بر مقاومت فشاری می گذارد و باعث افت آن می گردد.
• بتن گوگردی با مضاف SMZ: نتایج به دست آمده از آزمایش مقاومت فشاری بتن گوگردی با ماده ی مضاف SMZ، بیان گر رشد تقریباً یسکان طی 1 تا 28 روز است.
همان گونه که در نمودار شماره ی 1 نیز مشخص است، مفاومت فشاری با این ماده ی مضاف از MPa 25 یک روزه با رشد 10 درصدی به مقاومت MPa 5/27 در طی 14 روز رسیده است. این بتن در سن 28 روزه به مقاومت MPa 33 با رشد 32% نسبت به مقاومت یک روزه رسیده است. در این نوع بتن ماده ی مضاف SMZ در فرآیند تبدیل گوگرد مونوکلینیک و ارتورمبیک تاثیر گذاشته و در جهت نگهداری گوگرد در حالت مونوکلینیک عمل می نماید و باعث افزایش مقاومت یک روزه ی بتن می گردد. این عمل در ضمن باعث می شود مقاومت فشاری بتن مزبور تا 28 روز به متوسط رشد 32% برسد.
• بتن گوگردی با ماده ی مضاف دی سیکلوپنتادین: نتایج مقاومت فشاری بتن گوگردی ساخته شده با DCPD که در شرایط بهینه یعنی 5/4 درصد DCPD و دمای 140 درجه ی سانتی گراد با زمان ترکیب 80 دقیقه، بهترین مقاومت را دارا می باشد، در طی جدول 3 و نمودار شماره ی 1 مشخص شده است. همان گونه که در نمودار نیز مشخص است، مقاومت فشاری بتن فوق در روز اول MPa 25 و در روز چهارم MPa 36 است که نشان دهنده ی رشد 44 درصدی است و مقاومت 28 روز آن MPa 42 می باشد که نشان دهنده ی رشد 68 درصدی نسبت به مقاومت یک روزه ی آن است. بر اساس این نتایج مشخص می گردد که بتن فوق دارای رشد مقاومت فشاری بالایی است که نشان گر تاثیر بالای دی سیکلوپنتادین بر ثبات گوگرد در حالت مونوکلینیک است.
• مقایسه ی مقاومت های فشاری بتن های گوگردی، دی سیکلو پنتادین و SMZ
چنانچه در نمودار شماره ی 1 نیز مشخص شده است، مشاهده می گردد که بتن های گوگردی SMZ و DCPD دارای مقامت یک روزه ی بالاتری نسبت به بتن گوگردی معمولی هستند و این برتری در طی زمان بیش تر می شود. بر اساس همین نمودار می توان نتیجه گرفت که در سنین یک روزه، مقاومت فشاری بتن گوگردی ساخته شده با دی سیکلوپنتادین برابر با بتن ساخته شده با SMZ است؛ در حالی که در طول زمان 28 روزه، اختلاف مقاومت بتن آخر به حد MPa 9 می رسد. با بررسی این نتایج اثر ماده ی مضاف بر افزایش مقاومت فشاری بتن گوگردی کاملاً محسوس، و از طرف دیگر برتری دی سیکلوپنتادین نیز ماده ی مضاف SMZ در خصوص افزایش بر مقاومت فشاری نیز مشهود است.
جدول 4: نتایج بتن گوگردی معمولی در اسید

جدول 5: نتایج بتن گوگردی با SMZ در اسید

جدول 6: نتایج بتن گوگردی (Hs/D140-80) در اسید

3-2- بررسی مقاومت بتن گوگردی در برابر خوردگی در برابر اسید
برای بررسی خوردگی، یک نمونه از هر یک از بتن های گوگردی معمولی، با ماده ی مضاف DCPD و ماده مضاف SMZ به کار گرفته شد. دمای محیط به طور متوسط 30 درجه ی سانتی گراد اندازه گیری گردید و از اسید سولفوریک 6/6 مولار در این ارتباط استفاده شد این اسید معادل اسید سولفوریک 37% است. برای بررسی میزان خوردگی در برابر اسید، ابتدا وزن هر نمونه مشخص گردید (W) و پس از یک ساعت، نمونه از اسید خارج شد و مجدداً وزن آن اندازه گیری گردید (W0) . پس از آن نمونه داخل اسید قرار گرفت. پس از یک هفته نمونه از اسید خارج، و در محیط هوای آزاد سطح آن خشک گردید و وزن آن ها اندازه گیری گردید و دوباره داخل اسید قرار داده شدند. این عمل در طی 4 هفته به صورت متوالی تکرار شد. نتایج حاصل طی نمودارهای 2 تا 4 و جداول 4 تا 6 ارائه شده است.
مقایسه ی نتایج به دست آمده در آزمایشات فوق نشان می دهد که بتن پرتلند در محیط های اسیدی شدیداً دچار خوردگی می گردد، اما از جمله مهم ترین ویژگی های بتن گوگردی مقاومت آن ها در محیط های اسیدی است. همان گونه که در نمودار ذیل مشاهده می گردد، انواع بتن گوگردی مقاومت مناسبی در مقابل اسید از خود نشان می دهد.
بتن گوگردی معمولی پس از یک ماه غوطه وری در اسید حدود یک درصد افزایش وزن پیدا می کند، ولی بتن گوگردی (Hs/SH7) افزایشی در حدود 5/0 درصد از خود نشان می دهد. مناسب ترین جواب مربوط به بتن گوگردی (Hs/D140-80) است. وزن این بتن پس از یک ماه غوطه وری حدود 4/0 درصد و برابر 5/9 گرم افزایش می یابد. همان گونه که از این نمودار مقایسه ای مشخص می گردد، هر سه نوع بتن در مقابل اسیدکاملاً مقاوم هستند، ولی بتن گوگردی از تیپ (Hs/D140-80) از خود جواب مناسب تری نشان می دهد که نشانه ی پیوستگی بهتر و نفوذپذیری کم تر آن است.
• خوردگی در برابر باز: از هر سه نمونه بتن گوگردی مشابه آزمایش مقاومت در برابر اسید، یک نمونه جهت آزمایش در برابر باز به کار گرفته شد. برای این کار، از هیدروکسید سدیم یا سود سوزآور 1/6 مولار به عنوان باز استفاده گردید. هر نمونه به صورت غوطه ور داخل باز به مدت یک ماه قرار گرفت. ابتدا وزن هر نمونه اندازه گیری شد و پس از یک ساعت غوطه وری، سطح آن در هوای آزاد خشک گردید و دوباره وزن آن اندازه گیری گردید. وزن نمونه مشابه روند آزمایشات اسید در طی 4 هفته اندازه گیری گردید. نتایج آزمایشات مقاومت در هر سه نمونه به صورت یک جا طی نمودار 6 و جدول 7 مشخص شده است.
نتایج حاصل و نمودار 6 نشان می دهد که اساساً بتن گوگردی در مقابل بازها دچار خوردگی شدید می گردد و این امر به دلیل حل شدن گوگرد در باز صورت می گیرد. همان گونه که مشاهده می گردد، بتن گوگردی معمولی پس از یک ماه غوطه وری داخل باز تقریباً دچار فروپاشی می شود و نصف وزن خود را از دست می دهد. با اضافه نمودن SMZ این مشکل بهبود نمی یابد و نمونه پس از 4 هفته حدود 40% وزن خود را از دست می دهد. اما بهترین نتیجه ی حاصله مربوط به نمونه ی بتن گوگردی DCPD است که پس از4 هفته، تنها 8/7 درصد از وزن خود را از دست می دهد. در شکل نمونه های قرار گرفته در باز در کنار هم قابل مشاهده است.
تصاویر فوق به ترتیب نشان دهنده ی بتن گوگردی معمولی،گوگردیSMZ و گوگردی با دی سیکلوپنتادین هستند. در پایان نتایج تحقیق حاضر نشان می دهد که استفاده از بتن گوگردی به جای بتن معمولی در برخی از صنایع که در آن ها احتمال خوردگی و تخریب بتن ناشی از مواد شیمیایی وجود دارد نظیر صنایع پتروشیمی، باطری سازی، سالن های اسید شویی و ... مناسب و قابل توجیه است. لازم به ذکر است که آزمایشات صورت گرفته در این تحقیق در راستای تولید صنعتی در مقیاس کوچک انجام شده است که مستلزم ادامه ی فعالیت جهت دستی یابی به روشی مناسب جهت تولیدات عمده ی صنعتی خواهد بود.
جدول 7: نتایج آزمایشات مقاومت بتن گوگردی در مقابل هیدروکسید سدیم

پی نوشت ها :

1- عضو هیات علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد.
2- عضو هیات علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد.
3- عضو هیات علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد.
4- دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد.

منابع:
1- طرح تولید بتن گوگردی، دفتر توسعه ی صنایع دستی پتروشیمی، وزارت نفت جمهوری اسلامی ایران.
2- Sulphur Concrete, United State Patent 4025352.
3- Sulfur Concrete for Aggressive Environments, A. H. VROOM and C. H. VROOm, STAR crete Technologies Inc, Calgary, Candad.
4- Manufacture of Sulphur Concrete, Jack E. gillott, Robert E. LOOV, Patent number 4188230.

بررسی و تحلیل کیفی بتن خلاطه ای و بتن آماده ی یک ساله ی اخیر شهر اصفهان

چکیده

امروزه با ابداع و ترویج تکنیک های نوین تولید بتن (بتن آماده)، دیگر روش های سنتی و دستی جایگاه خود را از دست داده اند. اما از آنجا که به دلیل متعدد، جایگزینی کامل روش های سنتی در بسیاری از مناطق و شهرها (از جمله اصفهان، به علت بافت تاریخی و تنگی معابر) امری بسیار مشکل و شاید غیرممکن است، لذا به نظر می رسد در شرایط فعلی اصلاح این روش ها بسیار مفیدتر و کم هزینه تر از تلاش برای جایگزینی کامل آن ها باشد. اما قبل از هر تصمیمی در این مورد باید دیدی واقع بینانه نسبت به وضعیت اجرای بتن و دلایل ضعف بتن خلاطه ای در شهر داشت. در راستای مقایسه ی کیفیت بتن سنتی (خلاطه) و بتن مدرن (بتن آماده) اجرا شده در شهر اصفهان، مطالعه ای بر روی مستندات و مدارک یک ساله ی اخیر یکی از آزمایشگاه های بتن شهر انجام گرفت و مقاومت نمونه های 28 روزه ی استوانه ای بتن خلاطه ای و بتن آماده ی شکسته شده در این آزمایشگاه مقایسه شد.
بررسی ها نشان داد که در این مدت، 33 درصد از نمونه های بتن خلاطه ای و 5/1 درصد از نمونه های بتن آماده، مقاومتی پایین تر از 190 داشته اند. پس از آن، دلایل اصلی این مسأله مورد بررسی قرار گرفت و مشخص شد که مهم ترین عامل کیفیت پایین بتن خلاطه ای در شهر، عدم حضور ناظر در هنگام بتن ریزی است.

کلید واژه: بتن آماده، بتن خلاطه ای، مقاومت فشاری، آزمایشگاه بتن، ناظر

مقدمه

اکنون بیش از 15 سال از ورود خلاطه به ایران می گذرد. استفاده از خلاطه در ساخت و ساز های شهری جهش بزرگی در افزایش کیفیت بتن که تا آن زمان عمدتاً به صورت دستی و آخوره تولید می شد، به حساب می آمد. اما کم کم با ورود استانداردهای ساخت و ساز به عرصه ی مهندسی کشور و بحث مقاوم سازی ساختمان ها در مقابل زلزله، انتظارات از کییت بتن بیش تر شد و سخت گیری و دقت بیش تری بر فرایند تولید و اجرای بتن اعمال گردید؛ لذا خلاطه ها دیگر قادر به تهیه ی بتن (یکنواخت و با کیفیت بالای) مورد نیاز صنعت ساختمان نبودند.
در سال های اخیر، استفاده از بتن آماده در پاسخ به نیاز صنعت ساختمان به بتن با کیفیت بالا، افزایش چشم گیری داشته است. این نوع بتن به دلایل متعدد از جمله نظارت دقیق بر فرایند تولید، اختلاط کامل، به کارگیری مصالح مرغوب، همگن بودن و ... مشکلات بتن خلاطه ای را ندارد و گزینه ی مناسبی برای استفاده (به خصوص در بتن ریزی سقف ها و فنداسیون) به شمار می آید.
اما با این که امروزه بتن آماده بر هیچ کس پوشیده نیست و با وجود تمام فشارهای سازمان نظام مهندسی به مهندسان و پیمانکاران به منظور جایگزینی کامل بتن خلاطه ای با بتن آماده، باز هم بسیاری از افراد مشغول در صنعت ساختمان اقدام به استفاده از بتن خلاطه ای می نمایند. این مساله نشان دهنده ی این است که هنوز بسترهای لازم جایگزینی کامل بتن خلاطه ای با بتن آماده (حداقل در اصفهان) فراهم نشده است. این جایگزینی فرایندی زمان بر و شاید غیر ممکن است و معلوم نیست چه مدت به دراز بیانجامد؛ لذا بهتر است به جای شعارهای ایده آل گرایانه و غیر عملی در کوتاه و میان مدت، فکری موثر و عملی به منظور ارتقای کیفیت بتن خلاطه ای در حداقل زمان، اندیشیده شود.
در این پژوهش ابتدا به کمک اطلاعات یک ساله ی اخیر یکی از آزمایشگاه های بتن شهر، به بررسی کیفیت بتن های (خلاطه ای و آماده) اجرا شده خواهیم پرداخت تا بینش واقع بینانه تری نسبت به وضعیت اجرای بتن در شهر بیابیم. سپس علل اصلی کیفیت پایین بتن خلاطه ای در اصفهان را بررسی خواهیم نمود. در آخر نیز پیشنهاداتی جهت ارتقای کیفیت بتن خلاطه ای در حداقل زمان، مطرح می شود.

انجام آزمایشات و تحلیل آماری داده ها

تمامی مراحل نمونه برداری، مراقبت و شکستن نمونه ها در آزمایشگاه و مطابق با استاندارد 6044 ایران انجام پذیرفت. مقاومت فشاری طرح تمام نمونه های مورد بررسی، 210 بود. (3) اما با توجه به این که در عمل بسیاری از مهندسان ناظر و محاسب با کمی تخفیف حد مقاومت 190 را به عنوان کمینه ی مقاومت 28 روزه استوانه ای این نمونه ها می شناسند، در تحلیل های آماری انجام شده به منظور طبقه بندی و تعیین درصد بتن مشکل دار و با کیفیت پایین مقاومت 190 معیار عمل واقع گردید.

جدول 1: بتن خلاطه (تابستان 87)

جدول 2: بتن خلاطه (پاییز 87)
مقاومت 190 معیار عمل واقع گردید.
پس از جمع آوری اطلاعات، داده ها توسط کامپیوتر و نرم افزار Excel آنالیز، به منظور مشاهده ی مرکزیت و میزان پراکندگی داده ها، از دو شاخص آماری میانگین حسابی و انحراف معیار استفاده شد.

بتن خلاطه ای

نزدیک به 400 نمونه بتن خلاطه ای در این مدت مورد آزمایش قرار گرفت. نتایج حاصل از تحلیل آماری داده های به دست آمده از این آزمایشات در جداول و نمودارهای شماره 1 تا 4 قابل مشاهده اند.

جدول 3: بتن خلاطه (زمستان 87)

جدول 4: بتن خلاطه (بهار 88)

بتن آماده

در این مدت حدود 500 نمونه بتن آماده نیز مورد آزمایش قرار گرفت. نتایج حاصل از تحلیل آماری داده های به دست آمده از این آزمایشات در جداول و نمودارهای شماره ی 5 تا 8 ارائه شده اند.

جدول 5: بتن آماده (تابستان 87)

جدول 6: بتن آماده (پاییز 87)

نتایج و بحث

با مشاهده و مقایسه ی جداول و نمودارهای بالا، نتایج زیر حاصل می شود:
1- میانگین مقاومت فشاری نمونه های خلاطه از میانگین مقاومت فشاری نمونه های بتن آماده در مدت مشابه کم تر بوده و بیش ترین اختلاف در فصول سرد سال مشاهده می شود. به بیان دیگر، به نظر می رسد که بتن خلاطه ای در مقابل سرما بسیار آسیب پذیرتر از بتن آماده است.
2- پراکندگی نمونه های بتن خلاطه ای بسیار بیش تر از پراکندگی نمونه های بتن آماده است. این مساله در نمودارهای 1 تا 8 نیز کاملاً قابل مشاهده است.
3- تقریباً 33 درصد نمونه های خلاطه، مقاومت 28 روزه ی استوانه ای کم تر از 190 داشته اند و باعث ایجاد مشکلات متعدد از جمله عقب افتادن کار، هزینه ی کُرگیری، هزینه ی چکش و یا محاسبه ی مجدد و سبک سازی گشته اند. این مساله در حالی است که در این مدت، تنها 5/1 درصد نمونه های بتن آماده با چنین مشکلی رو به رو شده اند.
4- در یک سال اخیر تقریباً 5/15 درصد کل نمونه ها (خلاطه و آماده)، مقاومت 28 روزه ی استوانه ای کم تر از 190 داشته اند.

جدول 7: بتن آماده (زمستان 87)

جدول 8: بتن آماده (بهار 88)

علل اصلی کیفیت پایین بتن خلاطه ای

به کارگیری مصالح نامرغوب

به کارگیری مصالح نامرغوب از علل شایع پایین بودن کیفیت بتن خلاصه ای است . خرید و استفاده از شن گل آلود، ماسه ی نامناسب و سیمان مانده می تواند مقاومت بتن تولیدی را تا حد بسیار زیادی کاهش دهد.
بارها نیز دیده شده است مصالح مرغوبی که مدت ها قبل از بتن ریزی خریداری گشته و در کارگاه دپو شده اند، کیفیت خود را از دست داده و منجر به تولید بتن با کیفیت پایین گردیده اند.

عدم آگاهی و یا عدم احساس مسئولیت مالک خلاطه و کارگران به کارگرفته شده

بارها دیده شده که کارگران خلاطه قبل از حضور آزمایشگاه در محل و یا بلافاصله پس از انجام نمونه گیری (با اطمینان خاطر) اقدام به ساخت بتن شُل و با کیفیت پایین نموده و در مقابل اعتراض ناظر و آزمایشگاه بی تفاوت عمل کرده و کار خود را از پیش برده اند. این بی تفاوتی یا ناشی از اعتماد و اطمینان به روش غلط خویش و یا از روی سودجویی و عدم احساس مسئولیت در قبال کیفیت بتن تولیدی است. بارها شاهد برخورد لفظی و یا حتی فیزیکی این افراد با ناظر و یا نماینده ی آزمایشگاه بوده ایم.

مشکلات مکانیکی دستگاه ها

در بسیاری از بتن ریزی ها به دلیل از کار افتادن دستگاه خلاطه و یا بالابر (به دلایل مختلف) بتن ریزی متوقف می شود و تا شروع مجدد آن مدت زمانی طول می کشد. این مساله باعث ایجاد اتصال سرد در بتن ریخته شده می گردد و بتن کیفیت خود را از دست می دهد.

تعویض مصالح در حین کار

در هنگام بسیاری از بتن ریزی ها پیمانکار و یا کارفرما متوجه کم بودن مصالح پای کار شده و سریعاً اقدام به خرید مصالحی می نماید که ممکن است کیفیت و خصوصیات مصالح اولیه را نداشته باشند. این مساله همگنی بتن ریخته شده را دچار مشکل می نماید.

طرح اختلاط نامناسب

با توجه به پیمانه ی حجمی مصالح در هنگام بتن ریزی با خلاطه (فرغون، بیل و سطل) و تغییر دانه بندی و رطوبت مصالح در پروژه ها و فصول مختلف، استفاده از یک اختلاط (با فرمول مشخص) با بتن ریزی های متفاوت مناسب نیست.

علت انحراف معیار بالای داده های بتن خلاطه ای

عدم یکنواختی در طرح اختلاط مهم ترین عاملی است که باعث پراکندگی بالای نمونه های بتن خلاطه ای می گردد.
از آن جا که در اغلب موارد، به علت عدم حضور مهندس ناظر در هنگام بتن ریزی، نمونه گیری بر عهده ی آزمایشگاه قرار می گیرد، لذا نمونه های گرفته شده در اکثر اوقات (علی رغم تلاش آزمایشگاه) معرف بتن ریخته شده نیستند، چرا که کارگران خلاطه به محض مراجعه به رؤیت بالا می نمایند. در بعضی از موارد اندک نیز آزمایشگاه موفق به غافلگیری کارگران خلاطه و نمونه گیری از بتن واقعی می گردد. در نتیجه این که نمودارهای 1 تا 4 حاصل می شوند که در آن ها پراکندگی داده ها بالاست، و نمونه ها یا بسیار ضعیف و یا بسیار قوی هستند.
اما مهم ترین عامل ضعف بتن خلاطه ای در شهر اصفهان که شاید به نوعی تمام عوامل قبلی را تحت تأثیر قرار دهد، عدم نظارت دقیق ناظر بر فرایند بتن ریزی است که البته با وجود تمام سخت گیری های سازمان نظام مهندسی، باز هم متأسفانه این مساله مورد غفلت بسیاری از مهندسان واقع می شود.

پیشنهادات

همان گونه که گفته شد، جایگزینی کامل بتن خلاطه ای با بتن آماده به دلایل مختلف از جمله بافت قدیمی و تاریخی شهر و عدم امکان تردد کامیون ها و تراک میکسرها در بعضی از خیابان ها و کوچه های تنگ، فرایندی زمان بر و چه بسا غیرممکن است و بنابراین، نیاز به راه حلی کوتاه مدت احساس می شود. در ادامه برخی از راه حل های کوتاه مدت این مساله را بررسی می نماییم.
1- تمامی مالکان خلاطه های مشغول به کار در شهر و کارگران ثابت ایشان شناسایی، و پس از دادن آموزش های لازم، به آن ها گواهی و اجازه ی کار داده شود.
2- به هر دستگاه خلاطه یک پلاک تعلق گیرد و این پلاک بر روی دستگاه به صورت خوانا نصب گردد. این پلاک باید شخصی باشد و در صورت فروش و یا تغییر مسؤول خلاطه، شماره ی آن تعویض گردد.
3- تمامی دستگاه ها به صورت منظم مورد معاینه ی فنی قرار گیرند.
4- به هر مالک خلاطه یک برگه ی سابقه تعلق گیرد که درآن مشخصات کارفرماهای قبلی و گزارش های آزمایشگاه از نحوه ی کار خلاطه و یا تخلفات احتمالی درج گردد و در صورت تکرار تخلف، گواهی کار باطل شود.
5- قبل از شروع کار پروه از کارفرما تعهدنامه ای مبنی بر به کارگیری خلاطه کارهای مجاز گرفته شود و در صورت به کارگیری نیروهای غیرمتعهد، پروژه تحت بررسی های مجدد (آزمایشات بتن سخت شده) قرار گیرد.
6- فشار سازمان نظام مهندسی به مهندسان ناظر به منظور نظارت دقیق تر بر پروژه ها (مخصوصاً بتن ریزی ها) بیش تر گردد.
امید است با به کارگیری روش ها و طرح های مفید از طرف صاحب نظران و متخصصان در صنعت اجرای ساختمان های شهری، گامی موثر در جهت ارتقای کیفیت و افزایش مقاومت ساختمان ها در برابر خطرات احتمالی طبیعی برداشته شود.

پی نوشت ها :

1- دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه صنعتی اصفهان
Email: pooya_paydary@Yahoo.com
2- کارشناس ارشد سازه از دانشگاه یزد – مدیر مسول آزمایشگاه بتن و سنگدانه شرکت مهندسی ساختمانی اصفهان پارس
Email: mr.ghasemian@Gmail.com
3- اعداد گزارش شده همگی بیان گر مقاومت فشاری استوانه ای نمونه های 28 روزه هستند.
4- منظور از درصد نمونه های قابل قبول، درصد نمونه با مقاومت بالاتر از 190 است.

منابع:
1- مستندات آزمایشگاه بتن و سنگدانه ی شرکت مهندسی ساختمانی اصفهان پارس
2- مستوفی نژاد، داوود، تکنولوژی و طرح اختلاط بتن، انتشارات ارکان، 1379.
منبع: نشریه دانش نما، شماره 176-

برج آزادی

تاریخچه
تاریخچه برج آزادی به سال 1345 هجری شمسی بر می‌گردد. در این سال طرح یک نماد معرف ایران بین معماران ایرانی به مسابقه گذاشته شد و در نهایت طرح مهندس حسین امانت بیست و چهار ساله و فارغ‌التحصیل دانشگاه تهران برنده و برای ساخت انتخاب شد. عملیات بنا برج آزادی در یازدهم آبان 1348 خورشیدی آغاز شد و پس از بیست و هشت ماه کار، در 24 دیماه 1350 با نام برج شهیاد به بهره برداری رسید. برج آزادی در ایران، نمونه‌ای از نماد و نشانه‌های شهری است که معماری شاخص آن، تلفیق طاق‌های معماری پیش از اسلام (دوره هخامنشیان و ساسانیان) و بعد از اسلام و تبدیل آن به نمادی زیبا به لحاظ معماری است. در این طرح، معمار حتی به جزئیات اجزای بنا و نحوه چیدمان سنگ‌های نماد دقت وافری مبذول داشته تا در نهایت جز جز اجزا به کل واحدی بدل گردند.
برج آزادی به صورت یک تندیس ساخته شده است و به عنوان یک نماد شهری مورد توجه است.
معماری برج آزادی
معماری برج آزادی تلفیقی از معماری دوران هخامنشی، ساسانی و اسلامی است. این بنای سه طبقه دارای چهار آسانسور و دو راه پله و 286 پلکان است. در محوطه زیرین آزادی چندین سالن نمایش، نگارخانه، کتابخانه، موزه کانی وسنگ وایران شناسی... قرار دارد. طول این بنا 63 متر، ارتفاع آن از سطح زمین 45 و ارتفاع از کف موزه 5 متر است. گفته می‌شود در ساخت برج آزادی چهل و شش هزار قطعه سنگ بریده و پرداخت شده به کار رفته‌است.
حسین امانت می گوید: «این بنا به گذشته‌های درخشان تاریخ ایران نظر دارد؛ به دورانی که ایران در ادبیات، هنر، معماری، صنایع دستی، علوم مختلف و خیلی چیزهای دیگر سرآمد بود. من می خواستم جمع بندی خودم از اینها را در آزادی ارائه کنم تا اگر کسی از خارج می آید یا حتی مردم ایران بدانند که این اثر به کجا و به کدام فرهنگ مربوط می شود.» «در این بنا، قوس اصلی وسط برج، نمادی از طاق کسری مربوط به دوره پیش از اسلام (دوره ساسانی) است و قوس بالایی که یک قوس شکسته است از دوران بعد از اسلام و نفوذ اسلام در ایران حرف می زند. رسمی سازی هایی که بین این دو قوس را پر می کند، خیلی ایرانی است و من آن را از گنبد مساجد ایران الهام گرفته ام. اساسا تکنیک گنبد سازی در ایران خیلی جالب است و شما در هر مسجدی که می روید، یک چیز تازه ای می بینید. در این گنبدها که نشانه نبوغ ایرانی است، معماران قدیم از قاعده مربع بنا وارد دایره گنبد شده اند و این کار را با کمک رسمی بندی‌ها و مقرنس کاری‌های بسیار زیبا انجام داده اند. در برج آزادی هم همین کار انجام شده. هندسه بنا یک هندسه مربع مستطیل است که از روی چهار پایه خود می چرخد و 16 ضلعی می‌شود و بالاخره به صورت یک گنبد شکل می گیرد. البته شما این گنبد را از بیرون نمی بینید، اما از داخل برج قابل مشاهده است.» «دو طبقه داخل برج، یکی بالای قوس طاق اصلی و دیگری زیر گنبد است که با آسانسور به آن می رسید. این طبقه که به عنوان نمایشگاه طراحی شده با گنبدی از بتن سفید پوشیده شده. این گنبد مقرنس ایرانی را به نوع تازه ای اجرا می‌کند و ارتفاع آن از بام آزادی بیرون می زند و از بام دیده می‌شود که با کاشی‌های فیروزه‌ای معرق ایرانی پوشیده شده است. مصرف بتن سفید در این قسمت و در سالن پذیرایی آن، در آن زمان یک کار جدیدی در ایران بود.»
فضای داخلی برج
نقش‌های داخلی برج، تلفیقی از سنت و مدرنیسم است به خصوص سقف طبقه دوم. در ورودی برج، هریک از لنگه‌های سنگی درها، حدود 5/3تن وزن دارد. جنس این سنگ‌ها از گرانیت است. برج دو آسانسور دارد که از دیواره‌های برج بالا می روند. آسانسور اول دو طبقه را طی می‌کند و به سقف سیمانی می رسد سپس از آسانسور دوم استفاده می‌شود. هیچ یک از سقف‌ها بسته نیستند و همه آنها به فضای بالاتر راه می یابند.
معماری میدان
به گفته حسین امانت: «نقوشی که در میدان هست و باغچه‌ها و گل کاری‌ها را شکل می دهد، از طرح داخلی گنبد مسجد شیخ لطف الله اصفهان الهام گرفته شده؛ منتها هندسه دایره گنبد تبدیل به بیضی شده است. روابط لگاریتمی جالبی در هندسه و ابعاد گنبد مسجد شیخ لطف الله هست که دانش عمیق ریاضی معماران ایران در دوره‌های گذشته را نشان می دهد.»
«طرح آب نما و فواره‌ها هم ملهم از باغ‌های ایرانی است. همین طور شیب میدان با دقت و به منظور خاصی طراحی شده، حد ارتفاع برج آزادی 45 متر است؛ چون نزدیک فرودگاه مهرآباد قرار گرفته و نمی شود بلندتر از این ساخت. ولی من می خواستم وقتی به بنا نزدیک می شوید به طرف بالا بروید، در حالی که بالا بردن بنا ممکن نبود. ما برای این که مشکل ارتفاع را حل کنیم، یک سرازیری در میدان بوجود آوردیم. یعنی شما از طرف فرودگاه که وارد میدان می شوید به شکل سرازیر به برج نزدیک می شوید و می رسید به آن آب نمای دایره شکل و وقتی به بنا نزدیک می شوید، دوباره بالا می آیید. زمین زیر برج کاملا صاف است. این صافی و آن شیب میدان وقتی به هم می رسند، خط‌های قوسی جالبی را ایجاد می کنند.»
منبع:http://alirezamazji.jamnama.com