آموزش طراحی سازه نگهبان خرپایی

بحث پایدارسازی دیواره‌های گود و طراحی روش پایدارسازی یا سازه نگهبان خصوصاً در محدوده شهری، نکته‌ایست که سازندگان، مجریان، ناظران و حتی مالکان ساختمان‌ها باید قبل از شروع عملیات گودبرداری به آن اندیشیده و راهکار آنرا طراحی کرده باشند. اجرای سازه نگهبان اصلا ارتباطی به عمق گود و اینکه ساختمان طبقات منفی دارد یا خیر، نداشته و می‌بایست بر اساس ضوابط الزام شده در مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان (ارزیابی خطر گود) نسبت به اجرای سازه نگهبان اقدام شود.

سازه نگهبان خرپایی چیست؟

پایدارسازی دیواره‌های گود یا اجرای سازه نگهبان به نسبت عمق گود، موقعیت ساختمان، ابعاد زمین و غیره به روش‌های مختلفی اجرا می‌شود که سازه نگهبان خرپایی یکی از متداولترین این روش‌هاست. بر خلاف باور عموم جامعه که گمان می‌کنند اجرای سازه نگهبان خرپایی بسیار ساده بوده و ملاحظات اجرایی و طراحی خاصی نیاز ندارد، لازم به ذکر است که در عین سادگی ظاهری آن نیاز به طراحی و اجرای دقیق مطابق با نقشه‌های مصوب دارد و در غیر اینصورت احتمال ریزش گود و هدر رفت هزینه‌ها و در نهایت وقوع حوادث جانی و مالی وجود خواهد داشت.

ویژگی های سازه نگهبان خرپایی چیست؟

سازه نگهبان خرپایی به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود به یکی از متداول‌ترین روش‌های پایدارسازی گود در ایران، به‌خصوص در محیط‌های شهری، تبدیل شده است. مهم‌ترین این ویژگی‌ها عبارتند از:

• انعطاف‌پذیری در اجرا: این روش با انواع خاک‌ها (به جز خاک‌های بسیار سست و ریزشی) سازگار است و می‌توان طراحی آن را بر اساس شرایط خاص هر پروژه تغییر داد.
• اقتصادی بودن: در مقایسه با روش‌های پیچیده‌تری مانند دیوار دیافراگمی یا انکراژ، استفاده از خرپاهای فلزی معمولاً هزینه کمتری دارد، به خصوص در پروژه‌های با عمق متوسط.
• قابلیت استفاده مجدد مصالح: بخش عمده‌ای از سازه (اعضای خرپای فلزی) پس از برچیدن، قابل استفاده مجدد در پروژه‌های دیگر است که این امر به کاهش هزینه‌ها کمک شایانی می‌کند.
• سادگی و سرعت نسبی در اجرا: نصب خرپاها نیاز به تجهیزات بسیار پیچیده‌ای ندارد و توسط تیم‌های اجرایی با تجربه به سرعت انجام می‌شود.
• قابلیت کنترل و پایش چشمی: به دلیل نمایان بودن اعضای خرپا، امکان بازرسی چشمی مستمر، کنترل تغییرشکل‌ها و شناسایی مشکلات احتمالی در طول دوره گودبرداری به راحتی فراهم است.
• عدم ورود به ملک همسایه: برخلاف روش‌هایی مانند نیلینگ یا انکراژ که نیازمند حفاری در زیر ملک مجاور هستند، در این روش تمام عملیات اجرایی در محدوده خود پروژه انجام می‌شود و نیازی به کسب رضایت از همسایگان نیست.

با این حال، این روش محدودیت‌هایی نیز دارد؛ از جمله اشغال بخشی از فضای داخل گود که می‌تواند برای عملیات اجرایی بعدی مانع ایجاد کند و همچنین کارایی کمتر در گودهای با عمق بسیار زیاد (بیش از 10 متر).

مراحل طراحی سازه نگهبان خرپایی

اما همانطور که گفته شد، سازه نگهبان جهت مقاومت در برابر فشارهای جانبی خاک که حاصل از سربار موجود (ارتفاع دیواره خاک، ساختمان‌های مجاور گود و نیز فشار آب موجود در خاک) است، طراحی می‌شود. مراحل طراحی آن بعد از تعیین مشخصات مکانیکی خاک و محاسبه سربارهای موجود توسط طراح سازه انجام شده و در نهایت مقاطع لازم برای اجرای سازه نگهبان، اعم از: عضو قائم، عضو مایل، اعضای بادبندی و اعضای خرپایی و اتصالات بین این اعضا مشخص شده و در نقشه‌های مصوب ابلاغ می‌شوند. البته این حالت ایده‌آل اجرای سازه نگهبان است که متاسفانه همیشه برقرار نبوده و در بسیاری از ساختمان‌ها اصلاً محاسباتی در کار نبوده و مهندسین طراح یک طرح آماده را در نقشه‌های سازه قرار داده و ابلاغ می‌کنند.

در اینجا، وظیفه مهندس ناظر سازه و مجری ساختمان است که بعد از پایش نقشه‌ها، نسبت به مشخص کردن مغایرت‌های موجود بین وضعیت گود و نقشه‌های ابلاغی اقدام کرده و آنرا به محاسبه اعلام و درخواست تجدید نظر و بازبینی کنند.

مراحل اجرای سازه نگهبان خرپایی

اجرای سازه نگهبان خرپایی یک فرآیند کاملاً مرحله‌ای و دقیق است که باید همزمان و هماهنگ با عملیات خاکبرداری پیش برود. این مراحل به ترتیب عبارتند از:

مرحله ۱: حفر چاه جهت نصب عضو قائم

پیش از شروع خاکبرداری، در فواصلی که توسط مهندس طراح مشخص شده (معمولاً ۳ تا ۵ متر)، چاه‌هایی برای قرارگیری عضو قائم خرپا حفر می‌شود. عمق این چاه‌ها باید به قدری باشد که عضو قائم به خاک بکر و دست‌نخورده زیر تراز کف نهایی گود برسد.

مرحله ۲: اجرای پی عضو قائم و نصب آن

در انتهای هر چاه، یک پی کوچک بتنی (فونداسیون) برای استقرار عضو قائم اجرا می‌شود. سپس عضو قائم خرپا (که معمولاً از پروفیل دوبل IPE یا IPB ساخته شده) به صورت کاملاً شاقول در محل خود قرار گرفته و پس از بتن ریزی فنداسیون پای این عضو اطراف آن با مصالح سنگی یا خاک پر می‌شود.

مرحله ۳: خاکبرداری مرحله اول

خاکبرداری به صورت مرحله‌ای آغاز می‌شود. در گام اول، خاک تا عمقی برداشته می‌شود که امکان نصب اولین عضو افقی متصل کننده اعضای قائم فراهم گردد. (معمولاً عمق ۲ تا ۳ متر).

مرحله 4 : حفاری اجرای عضو مایل

پس از نصب عضو افقی اول در صورتیکه عمق ایمن گود به ما اجازه پایینتر رفتن را ندهند ، با عقب نشینی از دیواره گود حفاری تا کف گود ادامه پیدا کرده و خاک مقابل اعضای قائم برداشته می شود تا امکان اجرای اجزای مایل و اتصال آنها به عضو قائم فراهم گردد.

مرحله 5: اجرای فونداسیون عضو مایل

پس از خاکبرداری تا کف گود، محل دقیق تکیه‌گاه عضو مایل روی زمین مشخص شده و یک پی یا شالوده بتنی برای آن اجرا می‌شود تا نیروی عظیم فشاری را به زمین منتقل کند.

مرحله 6: نصب عضو مایل و تکمیل خرپای اول

عضو مایل به عضو قائم و پی خودش متصل می‌شود. سپس سایر اعضای خرپا (اعضای افقی و قطری) نصب شده و اتصالات به طور کامل جوشکاری یا پیچ می‌شوند تا اولین خرپای کامل شکل گیرد.

مرحله 7: تکرار مراحل خاکبرداری و تکمیل سازه ها

پس از اجرای خرپا در این مرحله خاک بین اجزای قائم برداشته شده و با توجه به نقشه و عمق گود اقدام به اجرای اجزای افقی متصل کننده بین اجزای قائم در ترازهای پایینتر کرده و نهایتا سازه نگهبان تکمیل می شود. لازم به ذکر است با توجه به نوع خاک منطقه احتمالا حد فاصل بین اجزای قائم می بایست توسط مش و اجزای بادبندی مهار شود.

مرحله 8: فیلر گیری

لازم است فواصل بین اجزای قائم و دیواره گود توسط مصالح بنایی مانند آجر و ملات ماسه سیمان یا گچ پر شود تا از حرکت خاک جلوگیری شده و فاصله آزادی بین این اجزا و دیوار گود وجود نداشته باشد.

مزایا و معایب روش سازه نگهبان خرپایی

قبل از اینکه به مراحل اجرایی سازه نگهبان خرپایی بپردازیم لازم است با معایب و مزایای این روش آشنا شویم:

معایب:

1. در گودهای تا عمق 10 متر مقرون به صرفه بوده و در گودهای با عمق بیشتر، بهتر است از سایر روش‌ها و یا به صورت ترکیبی برای پایدارسازی دیواره‌های گود استفاده شود.
2. اعضای مایل آن داخل گود را اشغال کرده و قدرت مانور از اکیپ‌های اجرایی گرفته می‌شود.
3. بخشی از عرض فنداسیون توسط اعضای قائم اشغال شده و بعضاً مجبور به برش میلگردهای طولی فنداسیون می‌شویم.
4. با توجه به جزئیات زیاد سازه نگهبان خرپایی، اجرای آن در مقایسه با روش‌های دیگر زمان زیادی نیاز دارد.

مزایا:

1. در اغلب گودها قابل اجراست.
2. نیاز به تخصص چندانی ندارد.
3. امکان استفاده از مصالح مصرفی، در پروژه‌های دیگر وجود دارد.
4. نسبت به سایر روش‌ها قابلیت انعطاف بیشتری در اجرا وجود دارد.

نکات مهم در طراحی و اجرای سازه نگهبان خرپایی

اما در اجرای سازه نگهبان خرپایی نکات بسیار مهمی وجود دارد که در ادامه به آنها خواهیم پرداخت:

مشخص کردن محل استقرار اعضای قائم  

در اولین گام و بعد از نخاله‌برداری باید دقت شود که اعضای قائم سازه نگهبان با ستون های ساختمان برخورد نداشته باشند. برای این کار محل قرارگیری ستون‌های ساختمان و اعضای قائم سازه نگهبان را مشخص کرده و فاصله این اعضا را طوری در نظر می‌گیریم که حتی‌الامکان عضو مایل متصل به عضو قائم، با نوارهای فنداسیون برخورد نداشته باشد.

حفر چاه 

بعد از اطمینان از محل استقرار اجزای قائم سازه نگهبان و قبل از گودبرداری، در محل اجرای این اجزا چاه‌هایی را حفر می‌کنیم. عمق این چاه‌ها با توجه به نقشه‌ها تعیین می‌شود اما نکته مهم این است که عمق ریشه ستون‌ها باید مطابق با نقشه‌ها در نظر گرفته شود تا سازه نگهبان با زمین اتصال داشته باشد.

در صورتیکه از استحکام خاک مطمئن باشید، می‌توان حفر چاه را اجرا نکرده و ابتدا با حفظ سپر خاکی گودبرداری را انجام داده و بعداً توسط بیل مکانیکی ترانشه‌هایی را در محل اجرای اعضای قائم در دیواره برش داده و نسبت به نصب این اعضا اقدام کنیم.

استفاده از اتصالات مشخص شده در طرح سازه نگهبان  

اتصالات در اجرای سازه نگهبان خرپایی نقش بسیار مهمی داشته و باید دقت شود در اتصال اجزا حتماً از مقاطع مناسب استفاده شود. متاسفانه بسیار دیده می‌شود که نحوه اتصال اعضای مختلف سازه نگهبان خرپایی به یکدیگر به صورت مستقیم (عضو به عضو) انجام شده که قابل ذکر است در صورت بروز هرگونه حادثه در این گودها و عدم گزارش کردن مهندسین، ناظر و مجری بیشترین درصد تقصیر را به خود اختصاص خواهند داد.

برداشتن سپر خاکی 

بعد از اجرای کامل سازه نگهبان خرپایی و در حالتی که سپر خاکی باقی مانده، لازم است که این سپرهای خاکی برای جلوگیری از ریزش دیوارهای گود، به صورت شطرنجی برداشته شده و دیواره‌های گود در این قسمت‌ها به صورت مناسب (تخته‌کوبی، مش و شات و غیره ) پایدار شوند. روش شطرنجی یعنی برداشتن سپرهای خاکی به صورت یک درمیان برای اینکه فرصت داشته باشیم فواصل بین اجزای قائم را تخته‌کوبی یا مش و شات کنیم.

برداشتن سپر خاکی و تخته کوبی دیواره گود

فیلرگیری 

با توجه به اینکه دیواره‌های خاکی به صورت دستی یا ماشینی برداشته شده و در هر دو روش نیز این دیواره‌ها صاف و یکنواخت نیستند، انتظار می‌رود بعد از نصب اجزای قائم که سعی می‌شود در حد امکان خارج از ملک ما یا مرز بین زمین ما و پلاک مجاور نصب شوند، فاصله‌ای وجود داشته باشد. لازم است این فواصل هر چند کوچک، توسط مصالح بنایی پر شده و هیچ فاصله‌ای باقی نماند.

مصالح مصرفی برای فیلر گیری مصالح بنایی مانند آجر و ملات ماسه سیمان است که در صورت کم بودن فاصله بین اعضا و دیواره گود می‌توان از مخلوط گچ و سیمان و ماسه استفاده کرد.

اجرای سریع فنداسیون 

هوازدگی و رطوبت دو عامل بسیار تاثیرگذار در ریزش گودها هستند که باید با برنامه‌ریزی منظم و از پیش تعیین شده سعی کنیم مدت زمان باز بودن گود را کاهش داده و سریعاً عملیات اجرایی را به پایان برسانیم. روش‌های اجرای فونداسیون متنوع است اما این نکته در تمامی آن‌ها مشترک است.

شناسایی ترک ها در سازه نگهبان خرپایی

پایش و شناسایی ترک‌ها یکی از وظایف اصلی مهندس ناظر در پروژه‌های گودبرداری است. ترک‌ها می‌توانند هشدارهای اولیه‌ای از یک گسیختگی قریب‌الوقوع باشند. محل‌هایی که باید به دقت بازرسی شوند:

• ترک‌های کششی در خاک لبه گود: ایجاد ترک‌هایی موازی با لبه گودبرداری در زمین‌های مجاور، نشان‌دهنده شروع حرکت توده خاک و وارد شدن فشار بیش از حد به سازه نگهبان است. این یکی از خطرناک‌ترین علائم است.
• ترک در اتصالات جوشی: باید تمام اتصالات جوشی اعضای خرپا به صورت دوره‌ای بازرسی شوند. هرگونه ترک مویی در جوش‌ها نشان‌دهنده تمرکز تنش بالا و ضعف در اتصال است و باید فوراً تقویت شود.
• ترک در اعضای بتنی: اگر از بتن‌پاشی (شاتکریت) بر روی دیواره گود استفاده شده، ظهور ترک‌های قطری یا افقی در این پوسته بتنی می‌تواند نشانگر تغییرشکل بیش از حد دیواره خاک در پشت آن باشد.
• ترک در پی‌های خرپا: بازرسی فونداسیون‌های اعضای قائم و مایل برای یافتن هرگونه ترک یا خردشدگی بتن ضروری است. ترک در این نواحی نشان‌دهنده نشست یا ظرفیت باربری ناکافی پی است.
• کمانش یا تغییرشکل اعضای خرپا: هرگونه خمیدگی یا کمانش در اعضای فلزی (به‌خصوص اعضای فشاری مانند عضو مایل) زنگ خطری جدی است که نشان می‌دهد عضو در آستانه شکست قرار دارد.

در صورت مشاهده هر یک از این علائم، باید فوراً عملیات گودبرداری متوقف شده، موضوع به مهندس طراح اطلاع داده شود و اقدامات تقویتی لازم (مانند افزودن اعضای جدید یا تقویت اتصالات) انجام گیرد.

برچیدن سازه نگهبان خرپایی

برچیدن یا جمع‌آوری سازه نگهبان خرپایی باید با همان دقتی که در زمان نصب به کار رفته، انجام شود. این کار زمانی آغاز می‌شود که سازه اصلی ساختمان (دیوارهای حائل و سقف‌ها) به قدری اجرا شده باشد که بتواند فشار جانبی خاک را تحمل کند. مراحل کلی برچیدن عبارتند از:

• اطمینان از باربری سازه دائمی: مهندس ناظر باید تأیید کند که مقاومت بتن دیوارهای حائل و سقف‌های زیرزمین به حد نصاب طراحی رسیده و این اجزا آماده تحمل فشار خاک هستند.
• پر کردن فضای پشت دیوار: فضای خالی بین دیواره گود و دیوار حائل دائمی ساختمان باید با مصالح مناسب (مانند خاک با دانه‌بندی مناسب یا مصالح سبک) و با تراکم کنترل‌شده پر شود. این کار از نشست‌های آتی جلوگیری کرده و بار را به تدریج به دیوار اصلی منتقل می‌کند.
• آزادسازی تدریجی اتصالات: اعضای خرپا به صورت معکوس نسبت به مراحل نصب، باز می‌شوند. معمولاً از پایین‌ترین طبقه خرپا شروع کرده و به سمت بالا حرکت می‌کنند. اتصالات جوشی بریده شده و اتصالات پیچی باز می‌شوند.
• خارج کردن اعضای فلزی: قطعات باز شده خرپا (اعضای قائم، مایل، افقی و قطری) به دقت از گود خارج شده و برای استفاده مجدد دپو می‌شوند.
• تخریب پی‌های موقت: فونداسیون‌های بتنی که برای اعضای قائم و مایل اجرا شده بودند، در صورت لزوم تخریب و از محل کارگاه خارج می‌شوند.

نکته حیاتی: برچیدن یکباره و ناگهانی خرپاها قبل از اطمینان از عملکرد سازه اصلی، می‌تواند منجر به فشار ناگهانی به دیوارهای جدید و آسیب جدی به آن‌ها شود.

جمع‌بندی

سازه نگهبان خرپایی یکی از رایج‌ترین روش‌های پایدارسازی گود در ساخت‌وساز شهری است که به دلیل اجرای سریع، هزینه مناسب و کارایی بالا، مورد توجه مهندسان قرار گرفته است. این نوع سازه از المان‌های فلزی مثل تیرها و مهاربندهای خرپایی تشکیل شده که با انتقال نیروهای جانبی به زمین، از ریزش دیواره‌های گودبرداری جلوگیری می‌کند. اجرای صحیح این سیستم نیازمند طراحی اصولی، رعایت فواصل مناسب بین خرپاها، جوشکاری استاندارد و مهار مناسب در بخش پایینی است. در صورت اجرای نادرست، مشکلاتی مانند تغییرشکل‌های ناخواسته، نشست خاک و حتی ریزش گود می‌تواند رخ دهد. نظارت دقیق بر روند اجرا و استفاده از نیروی متخصص در این مرحله، اهمیت ویژه‌ای دارد.

در دوره اجرای ساختمان فنون عمران، تمامی نکات مربوط به  اجرای اصولی و نظارت بر سازه نگهبان خرپایی و همچنین انواع سازه نگهبان دیگر به‌صورت کامل آموزش داده می‌شود. با شرکت در این دوره، شما با تمام این جزئیات آشنا شده و می‌توانید پروژه‌های ساختمانی خود را با دقت و کیفیت بالاتر اجرا کنید.

نویسنده: مهندس علی بهرامیان بذل

علی بهرامیان هستم.مجری، ناظر و محقق مباحث حقوقی و فنی ساختمان سازی و همیشه از آگاهی دادن و ارائه محتوای کاربردی به دیگران لذت می‌برم.