سازه نگهبان چیست؟

تعریف سازه نگهبان
به سازه‌ای گفته می‌شود که شامل مجموعه‌ای از اجزای فلزی و غیر فلزی بوده و با هدف جلوگیری از ریزش دیواره‌های اطراف گود استفاده می‌شود. ایجاد شرایط امن در حین کار، حفاظت از جان انسان و حفاظت از تجهیزات و اموال از جمله اهداف اصلی این سازه به شمار می‌آید. به صورت کلی استفاده از سازه نگهبان در گودبرداری به منظور حفظ ایمنی و عدم آسیب‌رسانی به سازه‌های مجاور (به خصوص در مناطق شهری) انجام می‌شود. لازم به ذکر است که سازه نگهبان موقت بوده و پس از انجام فرایند ایمن سازی برچیده و یا منتقل می‌شود. سازه نگهبان دارای انواع مختلفی است که در ادامه به معرفی آن‌ها می‌پردازیم.

هدف از اجرای سازه نگهبان
به‌طور کلی، گودبرداری ساختمان یکی از مراحل ضروری و در عین حال حساس در مراحل ساخت‎‌و‌ساز است، زیرا در حین گودبرداری فشار جانبی ناشی از وزن خاکی که در پشت دیواره‌ها قرار دارد، به دیواره‌های گود وارد می‌شود. به بیان ساده‌تر، خاکی که بالاتر از سطح گودبرداری قرار گرفته، به دلیل وزن خودش به دیواره‌های گود فشار وارد می‌کند.
علاوه‌بر این اگر ساختمان‌ها یا سازه‌های دیگری در نزدیکی گود وجود داشته باشند، وزن آن‌ها نیز به این فشار اضافه می‌شود. چنانچه این فشار‌ها کنترل نشود، ممکن است دیواره‌های گود ریزش کرده و باعث ایجاد خطرات جدی برای کارگران و پروژه شوند؛ لذا برای جلوگیری از این اتفاق سازه های نگهبان استفاده می‌شود.
در واقع سازه نگهبان یک سیستم محافظتی است که برای پایدارسازی دیواره‌های گود و جلوگیری از ریزش خاک طراحی شده است. اهداف اصلی ایمن سازی دیواره‌های گود با استفاده از سازه‌های نگهبان عبارت‌اند از:
    حفظ جان انسان‌های داخل و خارج گود
    حفظ اموال داخل و خارج گود
    فراهم آوردن شرایط امن و مطمئن برای اجرای کار
    امکان‌پذیر کردن برنامه‌ریزی کارگاهی

انواع سازه نگهبان
معیار مختلفی از جمله عملکرد و طراحی، روش اجرا، مدت زمان استفاده و دیگر موارد برای تقسیم بندی سازه‌های نگهبان وجود دارد. برای مثال سازه نگهبان‌ها می‎‌توانند به دو شکل موقت و دائم در گودبرداری‌ها استفاده شوند. سازه نگهبان موقت پس از اتمام کار برداشته می‌شود، در حالی که سازه نگهبان دائم پس از اتمام گودبرداری برچیده نشده و به عنوان دیوارهای حائل دائمی عمل می‌کنند. همچنین گاهی اوقات ممکن است پس از اجرای سازه نگهبان موقت گودبرداری، آن‌ها را تکمیل یا تقویت کرده و به عنوان دیوار حائل دائمی مورد استفاده قرار دهند.
در ویرایش‌های قدیمی مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان انواع سازه های نگهبان از نظر عملکرد به پنج گروه وزنی، سپرگونه، خاک مسلح، میل مهاری و میخکوبی یا به صورت دیوار زیرزمین تقسیم‌بندی می‌شدند.اما مطابق با بند 7-5-2 مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان ویرایش (1400) ، سازه‌های نگهبان بر اساس عملکرد و طراحی به دو دسته زیر دسته‌بندی می‌شوند:
    سازه نگهبان صلب
    سازه نگهبان انعطاف پذیر
سازه نگهبان صلب
در مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان سازه نگهبان صلب اینگونه تعریف شده است که:
    سازه نگهبان صلب، سازه‌هایی هستند که بر اثر فشار جانبی خاک، در آن ها حرکت صلب جابجایی یا چرخش اتفاق می‌افتد.
به عبارت دیگر، سازه نگهبان صلب در برابر فشار جانبی خاک، به جای تغییر شکل یا خمش، به صورت یک جسم صلب (سخت و غیرقابل تغییر شکل) رفتار می‌کند. بدین معنا که این سازه‌ها تحت فشار خاک، حرکت صلب انجام می‌دهند، یعنی یا به صورت جابجایی (حرکت خطی) یا چرخش (حرکت دورانی) حرکت می‌کنند، اما تغییر شکل قابل توجهی در خود سازه ایجاد نمی‌شود.
از انواع سازه نگهبان صلب می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
    دیوار حائل وزنی
    دیوار حائل طره‌ای (کنسولی)
    دیوار حائل پشت‌بند دار
در مجموع، سازه‌های نگهبان صلب به دلیل رفتار صلب و مقاومت بالا، گزینه‌های مناسبی برای پایدارسازی دیواره‌های گود در شرایط مختلف هستند.
سازه نگهبان انعطاف پذیر
با توجه به مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان، سازه نگهبان انعطاف پذیر:
    سازه‌هایی هستند که بر اثر فشار جانبی خاک دچار تغییر شکل می‌شوند. سپری‌ها (اعم از پشت بنددار، مهار شده یا بدون مهار و پشت بند)، انواع خاک مسلح، میخ کوبی (نیلینگ)، بلوک و مهار (انکراژ)، شمع‌های فولادی یا بتنی (پشت بنددار، مهار شده یا نشده)، دیوار برلنی، شمع‌های فولادی با مهار متقابل، مهار شده از جلو یا توسط خرپا و نظایر آن از انواع سازه‌های نگهبان انعطاف پذیر هستند که به آن‌ها دیوارهای تثبیت شده مکانیکی نیز اطلاق می‌شود.
در ادامه مهمترین انواع سازه های نگهبان انعطاف پذیر که برای پایداری گود به کار می‌روند را بررسی کرده و هریک را به‌طور مختصر شرح خواهیم داد.

انواع سازه نگهبان انعطاف پذیر (پایدارسازی گود)
سازه های نگهبان انعطاف پذیر در واقع به نوعی روش‌های پایدارسازی گود محسوب می‌شوند که از ریزش دیواره گود جلوگیری می‌کنند. این سازه‌ها شامل روش‌ها و سیستم‌های مختلفی هستند که برخی از مهمترین آن‌ها عبارت‌اند از:
    سازه نگهبان خرپایی
    سازه نگهبان مهار متقابل
    سازه نگهبان نیلینگ
    سازه نگهبان انکراژ
    شمع کوبی (شمع درجا)
    سپر کوبی
    دیوار دیافراگمی
سازه نگهبان خرپایی
سازه نگهبان خرپایی یکی از روش‌های رایج برای گودبرداری در عمق‌های کم است. این سازه از اعضای عمودی، مایل، افقی و قطری تشکیل شده که با ترکیب آن‌ها یک شبکه مثلثی ایجاد می‌شود. این ساختار تنها نیروهای محوری را تحمل می‌کند و اتصالات آن به صورت مفصلی طراحی می‌شود. همچنین، این سازه برای مقابله با بار جانبی ناشی از رانش خاک دیواره گود استفاده می‌شود.
سازه نگهبان خرپایی به دلیل مناسب بودن برای مناطق شهری، کارایی بالا در گودهای کم‌عمق و عریض، و قابلیت انعطاف و تطبیق با روش‌های زهکشی، یکی از روش‌های پرکاربرد در گودبرداری است. همچنین سادگی در اجرا باعث شده تا این روش به‌راحتی قابل استفاده باشد. با این حال، سرعت اجرای پایین‌تر نسبت به روش‌های پیشرفته، نیاز به خاکبرداری دستی در برخی بخش‌ها، احتمال تداخل خرپاها در کنج‌ها و امکان ورود افراد غیر متخصص به دلیل سهولت اجرا، از جمله معایب این روش محسوب می‌شوند.
سازه نگهبان مهار متقابل
سازه نگهبان مهار متقابل روشی مناسب برای گودهایی با عرض کم (تا ۱۰ متر) است که مشکل جاگیر بودن سازه نگهبان خرپایی در گودهای کم‌عرض را برطرف می‌کند. این روش که به نام پشت‌بندهای افقی و مایل نیز شناخته می‌شود، معمولاً در مناطق شهری برای جلوگیری از تغییر مکان جانبی خاک استفاده می‌شود.
این روش به دلیل سرعت اجرای بالا، هزینه کمتر نسبت به روش‌های دیگر و جاگیری کمتر در گودهای کم‌عرض، گزینه مناسبی محسوب می‌شود. همچنین اتصالات کم‌تر نسبت به سازه نگهبان خرپایی از دیگر مزایای آن است. با این حال، در گودهای با عرض زیاد (بیش از ۱۰ متر)، هزینه و زمان اجرا افزایش یافته و کار سخت‌تر می‌شود. علاوه بر این، احتمال تداخل مهار متقابل با ماشین‌آلات و خطر ریزش گود در صورت ضربه به دستک‌ها از دیگر معایب این روش است.
سازه نگهبان نیلینگ
نیلینگ روشی برای پایدارسازی خاک‌های ناپایدار است که در گودهای با عمق متوسط تا زیاد و همچنین برای مهار دیواره‌های کنار راه‌ها استفاده می‌شود. از طرفی نیلینگ یک روش ابداعی برای پایدارسازی ترانشه‌ها و تامین تکیه‌گاه افقی دیواره‌های خاکبرداری و جلوگیری از لغزش خاک است.
نکته مهم در اجرای نیلینگ این است که نیروی کششی در میخ‌ها تنها پس از ایجاد جابجایی در سیستم فعال می‌شود، که این موضوع ممکن است برای ساختمان‌های مجاور با کاربری حساس مشکل‌ساز باشد. همچنین، نیلینگ یک سازه موقت است و عواملی مانند گذشت زمان، هوازدگی خاک، خوردگی آرماتورها و نفوذ آب‌های سطحی می‌توانند مقاومت آن را کاهش دهند، بنابراین باید هرچه سریع‌تر سازه اصلی ساخته شود.
سازه نگهبان انکراژ
انکراژ (Anchorage) روشی برای پایدارسازی گودهای عمیق است که با نام‌های میل مهار و دوخت به پشت نیز شناخته می‌شود. این روش شباهت زیادی به نیلینگ دارد، با این تفاوت که در انکراژ، میل‌مهارها پیش‌تنیده می‌شوند. در این روش، دو لایه مقاوم خاک قبل از حرکت توده خاکی فعال به هم متصل می‌شوند، که این کار باعث کاهش جابجایی خاک دیواره گود و سازه‌های مجاور می‌شود.
انکراژ به دلیل نیاز به فضای کم، کاهش حجم عملیات حفاری و توانایی تحمل نیروهای افقی زیاد بدون افزایش قابل توجه در ضخامت دیوار، روشی موثر است. با این حال، هزینه اجرای آن در پروژه‌های کوچک نسبت به روش‌های معمولی بیشتر است. همچنین، این روش به دلیل استفاده از تکنولوژی پیشرفته، نیازمند دستگاه‌های خاص مانند دریل واگن، تجهیزات تزریق و پیش‌تنیدگی خواهد بود.
سپر کوبی
سپرکوبی یا شیت پایل روشی است که در آن سپرهای فلزی، چوبی یا بتنی با استفاده از دستگاه سپرکوب در زمین کوبیده می‌شوند. این سپرها که به شمع‌های صفحه‌ای نیز معروفند، ارتفاعی برابر با عمق گود به علاوه قسمتی که داخل زمین فرو می‌رود (طول مهاری) دارند. پس از سپر کوبی، خاک جلوی سپرها خالی شده و گودبرداری انجام می‌شود. سپرها با مقاومت خمشی خود، رانش خاک را تحمل می‌کنند. سپس پشت‌بندهای افقی و قیدهای فشاری قائم نصب می‌شوند تا سازه را تثبیت کنند.
سپرکوبی به دلیل سرعت اجرای مناسب، ایمنی بالا و قابلیت استفاده در زمین‌های سست و آبدار، روشی موثر برای اجرای کانال‌ها و ترانشه‌ها به‌ویژه با طول‌های زیاد است. با این حال، نیاز به دستگاه سپرکوب، نیروی متخصص و فضای کافی برای قرارگیری دستگاه از محدودیت‌های این روش محسوب می‌شوند. همچنین، ایجاد سر و صدای زیاد در حین ضربه زدن به سپرها از معایب آن است.
شمع کوبی (شمع درجا)
در روش شمع‌کوبی، شمع‌ها نقش پروفیل‌های قائم را در پایدارسازی گود ایفا می‌کنند. این شمع‌ها که معمولاً بتنی هستند، در فواصل مشخصی در اطراف گود اجرا می‌شوند. این روش به دلیل سرعت بالای اجرا در شمع‌های پیش‌ساخته، هزینه کم و امکان استفاده به‌عنوان سازه نگهبان دائم و موقت، روشی کاربردی است. با این حال، اجرای سازه نگهبان با روش شمع‌کوبی به دلیل اشغال فضای زیاد، برای ساخت‌وسازهای شهری مناسب نیست و بیشتر در پایدارسازی تونل‌ها و زیرگذرها کاربرد دارد. با توجه به انعطاف کم این روش، تغییر مکان جانبی خاک در آن محدود است.
دیوار دیافراگمی
دیوار دیافراگمی یا دوغابی یک روش پایدارسازی گود دائمی است و معمولاً برای ایجاد پرده آب‌بند در سدسازی و پایدارسازی دیواره گود، به‌ویژه در ساخت ایستگاه‌های زیرزمینی مترو، استفاده می‌شود. این روش گاهی در ترکیب با روش تاپ دان (ساخت از بالا به پایین) نیز به کار می‌رود و می‌تواند جایگزین مناسبی برای سپرکوبی در مناطق وسیع با زمین‌های سخت باشد.
دیوار دیافراگمی به دلیل قابلیت اجرا در طول‌های وسیع، کارایی بالا در زمین‌های سخت و امکان استفاده به عنوان پرده آب‌بند، روشی مؤثر و کارآمد است. همچنین، این روش جایگزین مناسبی برای سپرکوبی در پروژه‌های بزرگ محسوب می‌شود. با این حال، اجرای آن نیاز به تجهیزات پیشرفته و تخصص بالا دارد و ممکن است هزینه‌برتر از روش‌های سنتی مانند شمع‌کوبی باشد.

انواع روش های اجرای سازه نگهبان
اجرای سازه نگهبان خرپایی
مراحل اجرای این سازه به شرح زیر است:
    حفاری چاه در امتداد گودبرداری
    نصب عضو قائم
    گودبرداری با شیب پایدار
    اجرای فونداسیون برای عضو مایل
    نصب عضو مایل
    نصب اعضای افقی و قطری به صورت مرحله‌ای
    تثبیت جداره‌های گود
اجرای سازه نگهبان مهار متقابل
اجرای این سازه شامل مراحل زیر است:
    حفر چاه‌های روبه‌روی هم در حاشیه زمین
    قرار دادن قفسه‌های آرماتور در چاه‌ها
    اتصال شاخک‌هایی مانند ناودانی و نبشی به پروفیل‌ها برای درگیری بیشتر با بتن
    قرار دادن پروفیل‌های مناسب با توجه به عمق گود
    بتن‌ریزی درون چاه‌ها
    اتصال قسمت فوقانی دو سولجر متقابل به یکدیگر با تیرها یا خرپاها
اجرای سازه نگهبان نیلینگ
اجرای نیلینگ در ۶ مرحله اصلی انجام می‌شود:
    گودبرداری مقطعی
    حفاری گمانه‌ها
    نصب میلگرد تسلیح
    تزریق دوغاب سیمان
    بتن‌پاشی
    نصب صفحه سر نیل و مهره
اجرای انکراژ
اجرای انکراژ شامل مراحل زیر است:
    گودبرداری مقطعی
    حفاری گمانه‌ها
    نصب میل‌مهارها و تزریق دوغاب سیمان
    پیش‌تنیدگی میل‌مهارها
    اجرای پوشش رویه
اجرای سپر کوبی
مراحل اجرای سپر کوبی عبارتند از:
    تعیین محدوده گود با نقشه‌برداری
    کوبیدن سپرهای فلزی در خاک با ضربه یا ارتعاش استاتیکی
    گودبرداری اولیه به عمق ۲ تا ۳ متر
    نصب پشت‌بندهای فرعی و قیدهای فشاری افقی
    ادامه گودبرداری و تکرار مراحل ۳ و ۴ تا رسیدن به عمق مورد نظر
    تکمیل گودبرداری و شروع ساخت پی ساختمان
    ساخت دیوارهای زیرزمین، برچیدن قیدهای فشاری و تکمیل طبقات
    بیرون کشیدن سپرهای فلزی از خاک
اجرای شمع‌کوبی
مراحل اجرای شمع‌کوبی عبارتند از:
    حفر چاه‌هایی با قطر ۸۰ تا ۱۰۰ سانتی‌متر در اطراف گود
    استفاده از گل بنتونیت برای پایدارسازی جداره چاه
    قرار دادن شبکه آرماتور و اسپیسر در داخل چاه
    قرار دادن شمع‌های بتنی در چاه
    بتن‌ریزی داخل چاه
اجرای دیوار دیافراگمی
مراحل اجرای دیوار دیافراگمی عبارت‌اند از:
    حفاری محل بارت به صورت یکی در میان
    پر کردن دیواره بارت با بنتونیت
    آماده‌سازی قفسه آرماتور و جاگذاری در بارت
    بتن‌ریزی با استفاده از لوله ترمی
    تکرار مراحل ۱ تا ۴ برای قسمت‌های باقی‌مانده
    اتصال مناسب بارت‌ها
    انجام عملیات گودبرداری

عوامل موثر در انتخاب سازه نگهبان
در بخش‌های قبلی مقاله، به بررسی انواع سازه‌های نگهبان و اجرای آن‌ها پرداختیم، اما سوال اساسی این است که چگونه می‌توان مناسب‌ترین نوع سازه نگهبان را برای یک پروژه خاص انتخاب کرد؟
به‌طور کلی، انتخاب نوع سازه نگهبان به عوامل متعددی بستگی دارد، اما برخی از این عوامل تأثیر بیشتری داشته و نباید از آن‌ها غافل شد. مهم‌ترین این عوامل عبارت‌اند از:
    زاویه شیب طبیعی خاک (حداکثر زاویه‌ای که سطح خاک بدون نیاز به سازه نگهبان می‌تواند پایدار بماند)
    وجود سازه‌های مجاور گود
    شرایط جوی منطقه
    سطح آب زیرزمینی
    نوع و جنس خاک
    عمق گودبرداری
با در نظر گرفتن این عوامل، می‌توان بهترین گزینه را متناسب با شرایط پروژه انتخاب کرده و از بروز مشکلات احتمالی در حین اجرا جلوگیری نمود.

روش های طراحی سازه نگهبان
بر اساس بند 7-5-7 طراح می‌تواند هر یک از دو روش زیر برای طراحی سازه نگهبان استفاده کند:
    روش تنش مجاز
    روش ضرایب بار و مقاومت (حالات حدی)
روش تنش مجاز
تنش مجاز یکی از قدیمی‌ترین روش‌های طراحی سازه‌ها است که بر اساس تئوری الاستیک (کشسانی) کار می‌کند. در این روش، فرض می‌شود که مصالحی مانند فولاد و بتن به صورت الاستیک رفتار می‌کنند، یعنی از قانون هوک پیروی می‌کنند (تنش با کرنش رابطه خطی دارد). همچنین فرض می‌شود که اتصال بین فولاد و بتن کاملاً بدون نقص است.
اصول کلی روش تنش مجاز
این روش برای انواع دیوارهای نگهبان از جمله وزنی، سپرگونه و خاک مسلح قابل استفاده است و علاوه بر کنترل مقاومت، تغییر شکل‌های سازه را نیز بررسی می‌کند. به‌طورکلی، اصولی که در روش تنش مجاز برای طراحی سازه نگهبان به کار می‌رود، به شرح زیر است:
    در این روش، تنش‌های ایجاد شده در سازه نباید از تنش‌های مجاز مصالح تجاوز کنند. تنش‌های مجاز، مقادیر ایمنی هستند که برای مصالح مختلف (مانند فولاد و بتن) تعیین می‌شوند.
    برای اطمینان از ایمنی سازه، از ضرایب اطمینان استفاده می‌شود. این ضرایب برای مقابله با عدم قطعیت‌ها در بارها، مصالح و شرایط اجرا در نظر گرفته می‌شوند.
    در روش تنش مجاز، علاوه بر کنترل ضرایب اطمینان، تغییر شکل‌های سازه نیز باید بررسی شوند. تغییر مکان ایجاد شده در سازه و خاکریز پشت دیوار باید از مقادیر مجاز کمتر باشد تا از عملکرد صحیح سازه اطمینان حاصل شود.
    در این روش، حالت‌های حدی مختلفی مانند لغزش، واژگونی، ظرفیت باربری پی، مقاومت در برابر خمش و برش و نشست پی بررسی می‌شوند تا مطمئن شویم سازه در بدترین شرایط بارگذاری نیز ایمن است.
روش ضرایب بار و مقاومت
در ویرایش قدیم مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان این روش را با نام روش حالات حدی معرفی کرده است، اما در ویرایش جدید (1400) نام روش ضرایب بار و مقاومت ذکر شده است. به‌طور کلی، در طراحی سازه‌های نگهبان، روش ضرایب بار و مقاومت (Load and Resistance Factor Design – LRFD) به‌عنوان روش استاندارد برای اطمینان از ایمنی و پایداری گودبرداری مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش بر اساس اصول ترکیب بارگذاری و ضرایب ایمنی، رفتار دیوارهای حائل و دیگر سیستم‌های پایدارسازی را بررسی می‌کند.
مطابق با بند 7-5-7-2-1 ترکیب بار و ضرایب بارگذاری در کلیه دیوارها باید مطابق با مبحث ششم مقررات ملی ساختمان باشد.

رعایت مسایل ایمنی در طراحی سازه نگهبان
شرایط هندسی و ژئوتکنیکی وبارگزاری در طراحی سازه نگهبان بسیار مهم است ،سازه نگهبان جزوه مراحل اصلی یک طرح می باشد که برای امنیت جانی و امنیت مالی باید به طراحی آن اهمیت داد،سازه نگهبان در گودبرداری باعث ایجاد امنیت می شود.
زیرا ممکن است اگر به آن توجه نشود دیوارهای گود تخریب شود و این امر موجب تخریب ساختمان های اطراف گود شود . علاوه بر خسارت مالی خسارت های جانی را در پی خواهد داشت.
سازه نپهبان از ریزش دیواره های گود جلوگیری می کند بشرطی که طراحی و اجرای آن کاملا اصولی باشد و زیر نظر افراد متخصص طراحی و اجرا شود.در نهایت باید بگوییم سازه نگهبان به گودبرداری و گود امنیت می بخشد.

مشاوره انجام پایان نامه عمران ارشد و دکترا تمامی گرایش ها

خرید کتابهای دست دوم مهندسی عمران

خرید کتاب دست دوم معماری

خدمات گروه معماری هفت:
گروه معماری هفت متشکل از مهندسان معمار خبره در زمینه های زیر در خدمت شما عزیزان است:
طراحی ساختمان مسکونی
طراحی ساختمان اداری
طراحی ویلا
طراحی نما
اصلاح پلان
انجام پایان نامه معماری
انجام پروپوزال معماری
شیت بندی

با ما تماس بگیرید... 09122257213

مقالات دیگر

_______________________________________________________