نقش مهندسی Piping در پروژه های ساختمانی

مهندسی Piping سه شاخه کلی را شامل می شود:

1) Material of Piping

2) Supporting & Stress Analyse

3) Design

در این جا به بررسی مدارک مورد نیاز برای شروع یک پروژه در یک واحد فرآیندی می پردازیم هر پروژه شامل سه بخش و یا سه مرحله می باشد که شرکتهای مجری انجام پروژه براساس نوع فعالیت تقسیم بندی می شوند. سه بخش کلی پروژه عبارتند از:

1) Engineering            2) Procurment      3) Construction

مرحله اول: بخش مهندسی یا همان بخش طراحی انجام پروژه می باشد.

مرحله دوم: تهیه ابزار آلات لازم برای انجام پروژه می باشد.

مرحله سوم: ساخت و ساز پروژه می باشد.

شرکتهای مختلف بنا به نوع فعالیت به شرکتهای EPC یا EP و یا PC تقسیم بندی می شوند عمده شرکتهای معتبر در این صنعت از نوع شرکتهای EPC هستند.

در این مرحله به معرفی نقشه ها و مدارک مورد نیاز برای انجام یک پروژه می‌پردازیم.

نقشه ها و مدارک مورد نیاز در طراحی Piping

به منظور انجام فعالیتهای مربوط به یک پروژه لازم است که یک تیم پروژه تحت نظر یک مدیر پروژه مشغول شوند. مدیر پروژه مسئول و کنترل کننده تمامی فعالیتها بوده و پاسخگوی مسائل مربوط می باشد. افراد مشغول در انجام پروژه مسائلی از قبیل طراحی مهندسی، زمان بندی و قیمت تمام شده را در موارد مختلف به مدیر پروژه ارائه می کنند که البته معمولاً این موضوع شامل مسائل فنی پروژه نمی شود.

دپارتمان مهندسی مکانیک مهندسین را برای انجام یک پروژه خاص در زمینه های زیر بکار می گیرد. این زمینه ها عبارتند از: طراحی سیستمها و تجهیزات، ساخت و گرمایش و تهویه مطبوع و نیز طراحی تیم های Piping.

مهندسین Piping موظفند پروژه را طوری هدایت کنند که اهداف نهایی پروژه تامین شود برخی از این مسئولیت ها شامل موارد زیر است:

-      انجام مراحل طراحی مهندسی کارخانه فرآیندی و ارائه طرح سیستم Piping

-      تحلیل تنش لوله‌ها

-      طراحی تکیه گاه‌ها

-      پیشگیری از واماندگی و خروج سیال از سیستم

-      به پایان رساندن موارد مشخص شده در قرارداد پروژه

-      ارتباط با بخشهای دیگر پروژه به منظور هماهنگی میان تمام گروه‌های مربوطه

و تطابق لازمه با مشخصات استاندارد، مشخصات فنی، برنامه زمانبندی تعیین شده و در نهایت بودجه در نظر گرفته شده است.

برای کنترل تمامی فازهای طراحی، آنالیز، تدارکات، ساعت و نصب لوله ها و تکیه گاهها و سایر قسمتهایی که در شکل گرفتن تیم Piping لازم است سندهای فنی موجگود است که ابزار و روشهای لازم را فراهم می کنند.

مهندسین Piping با مطالعه دقیق نیازها تشخیص می دهد که چه مدارکی لازم است و در چه زمانی باید مورد استفاده و یا برای تایید به دیگر اعضای پروژه تحویل داده شود.

مدرک های مورد نیاز در مهندسی ‍Piping شامل موارد زیر است:

·     دیاگرام جریان یا فرآیند Process Flow Diagram (PFD)

·     دیاگرام لوله کشی به همراه ابزار دقیق  Piping and Instrument Diagram (P&ID)

·     Line List لیست خطوط

·     Piping Specification مدارک محدود و یا مشخصات فنی کار

·     Plot Plan جانمایی کلی واحد فرآیندی

·     Piping Layout نقشه های طراحی لوله کشی

·     ایزومتریک لوله کشی Piping Isometric

·     ایزومتریک ساپورت Support Isometric

·     نقشه های مرکب

·     نقشه های قیود و تکیه گاهها

·     مدل اشل Scale Model

·     گزارشهای مربوط به تحلیل تنش

·     نقشه های مربوط به بازرسی در حال سرویس

·     گزارش تغییرات در طراحی

دیاگرام جریان یا فرآیند (PFD)

نقشه شماتیکی است که تعریف کلی از فرآیند سیستم را توسط نمایش تجهیزات و خطوط اصلی فرآیند همراه با مشخصات پروسی این خطوط ارائه می دهد این مشخصات عموماً شامل درجه حرارت و فشار کاری (عملیاتی)، دبی جریان، دانسیته و ویسکوزیته، میزان و یا درصد عناصر مهم در خطوط مختلف می باشد. این مهم توسط مهندسی شیمی- فرآیند آماده شده و هدف پروژه و نحوه فعالیت کارخانه را از لحاظ جریان فرآیند معین می کند این دیاگرام در مرحله Basic Design ایجاد می شود.

دیاگرام لوله کشی به همراه ابزار دقیق (P&ID)

سندی که براساس P.F.D پایه گذاری می شود وی با جزئیات کاربردی
Piping and Instrument Diagram می باشد.

این دیاگرام مشخصات فرآیندی تجهیزات، اجزاء و اقلام مورد نیاز در سیستم لوله کشی نیازهای ابزار دقیق و محل قرارگیری آنها، نحوه اتصالات لوله ها را بین تجهیزات مختلف، سیستم عایق بندی، سایز لوله ها، کلاسهای مختلف کاری براساس نوع سرویس و فشار کاری (Rating)، خطوط شیبدار و مقدار شیب، جهت جریان و… را براساس شماره خطها نشان می دهد. نکته قابل توجه در توضیحات بالا این است که آندسته از اقلام لوله کشی که در طراحی Piping Layout (چیدمان لوله‌کشی) مورد نیاز واقع می شوند در نقشه P&ID دیده نمی شوند. از جمله زانویی ها که دقیقاً بستگی به طریقه چیدمان لوله کشی دارند.

نکته دیگر در این مبحث این است که مجموعه سرویس که تعیین کننده جنس لوله و فشار کاری که اصطلاحاً Rating می گویند را با کلاس کاری نمایش می دهند. نکته بعدی که در (P&ID) به آن اشاره می شود.

که برای ارجاع به Line List پروژه Piping بکار می رود این شماره تا وقتی که پارامترهای طراحی تغییر نکند ثابت باقی خواهد ماند لذا وقتی یک شماره خط تغییر می کند.

باید انتظار داشت که برخی از پارامترها از قبیل سرویس خطوط (سیالی که در داخل لوله جریان دارد)، ماده بکار رفته، دما، فشار و یا هر ترکیب دیگری از این خصوصیات تغییر کرده باشد.

به طور خلاصه شماره خطوط شامل اطلاعات زیر است:

- قطر اسمی

- سرویس داخل لوله

- اعدادی که شماره خط را مشخص می کند

- کلاس کاری

بعنوان مثال CWS-1005-150CS-16 یک شماره خط است که به ترتیب از سمت راست مشخص کننده لوله با قطر اسمی 16 اینچ و کلاس کاری 150CS به معنای 150 پوند rating و جنس کربن استیل CS و شماره خط 1005، در یک سیستم تغذیه آب سرد Cooling Water Supply.

Line List

اعداد نشانگر شماره خط در P&ID به منظور مشخص شدن در لیست خط
(Line List) در نظر گرفته می شوند. لیست خط شامل تمام خطوط پروژه می شود که با توجه به سیستم مربوطه و سپس با توجه به اعداد نشانگر طبقه بندی می شوند. این لیست تمام پارامترهای طراحی خط مربوطه شامل قطر لوله، ضخامت دیواره، نوع سیال، دمای طراحی و دمای کاری جنس ضخامت عایق و استاندارد بکار رفته را در بر می گیرد. علاوه بر Line List اکثر پروژه ها لیستی از شیرهای مورد استفاده در سیستم Piping نیز دارند شماره شیر که برای هر شیر بطور منحصر به فرد تعیین می شود، سیستم مربوطه، کلاس و احتمالاً نوع شیر را مشخص می کند؛ نمونه Line List در ادامه آورده شده است.

لیست تجهیزات (Equipment List)

این مدرک تجهیزات را که باید در محدوده واحد فرآیند یا واحدهای جانبی قرار گیرند همراه با شماره بندی توضیحات فرآیندی لیست می کند. نمونه لیست تجهیزات در ادامه آمده است.

Piping Specification

مدرکی است که براساس استانداردهای مختلف طراحی خارج می شود. چکیده استانداردهای طراحی است. این مدرک محدودیت های کاری را در طراحی و خرید و ساخت و ساز و… براساس مسائل اقتصادی منطقه، مسائل فنی و هماهنگی گروههای مختلف کاری ایجاد می شود. این مدرک در حقیقت بایدها و نبایدهای موجود در استاندارد را پوشش می دهد.

مزیت های این مدرک شامل موارد زیر است:

1- جلوگیری از اتلاف دقت  در پروژه در مراجعه به تک تک استانداردها.

2- سلیقه ای کار نشدن پروژه و یک دست و تیپ بودن کار.

3- جلوگیری از اشتباهات فنی در مسائل حائز اهمیت.

4- مسائل و محدودیت اقتصادی منطقه در موجود و یا نبودن امکانات ساخت و یا خرید از جمله مهمترین Specها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

- Piping Material Specification (P.M.S)

- Insulation Specification

- Painting Specification

- Supporting Specification

Plot Plan

Plot Plan یکی از مدارک مهم وکلیدی می‌باشد که طی فاز مهندسی ایجاد می‌گردد و از آن برای جانمایی تجهیزات و قسمتهای مختلف مانند واحدهای پروسس، لوله کشی و… و همچنین ثبت روال فعالیتهای عمده مهندسی و ساخت استفاده می گردد.

Plot Plan واحد فرآیند عبارت است از یک نقشه آرایش یافته که مشخص کننده محدوده کار یک کارخانه، جاده، ساختمانهای صنعتی و غیرصنعتی، تجهیزات و محل قرارگیری آنها سازه های مورد نیاز واحد، مانند Piperack (سازه ای است که لوله به صورت دسته بر روی آن قرار می گیرد) و… که این موارد برای یک فرآیند مشخص طراحی می گردد.

Plot Plan نهایی تمام اجزاء را با شماره های مخصوص مشخص می کند و با مقیاس اشکال تجهیزات و امکانات نگهداری را در نمادهای عمودی و افقی دو بعدی نشان می دهد، عموماً آرایش ها و نقشه های سه بعدی برای تجسم بهتر به کار برده می شود.

زمینه‌های مختلف استفاده از Plot Plan در قسمت های مختلف پروژه در بخش زیر توضیح داده شده است.

- طراحی لوله: Plot Plan به منظور جانمایی تجهیزات و تیم های لوله کشی فرآیند و بررسی عدم برخورد لوله ها به هم و همچنین برآورد اجناس و مقادیر لوله مورد استفاده قرار می گیرد.

- سازه: Plot Plan به منظور ایجاد نقشه های نواحی مختلف از لحاظ ارتفاعی و محلهای تخلیه و زیرزمینی، طراحی فونداسیون و سازه ها و لوله ها، محیطهای محصور و محیطهای مسقف و برآورد تمامی اجناس عمده بکار می رود.

- مهندسی برق: Plot Plan به منظور ایجاد نقشه های تفکیکی محیط تعیین مکان سویچرها و پستهای فرعی و مراکز کنترل موتور، تعیین مسیر کابلها و تخمین اجناس عمده به کار می رود.

- مهندس ابزار دقیق: Plot Plan جهت تعیین مکانهای ابزار دقیق اتاقهای کنترل، مسیر کابلها، کنترل خانه اصلی و برآورد اجناس عمده مورد استفاده قرار می گیرد.

- مهندسی سیستم ها: Plot Plan جهت تسهیل طراحی هیدرولیکی، سایز کردن لوله و نیازهای قطع جریان امکانات مورد استفاده قرار می گیرد.

- زمان بندی و کنترل پروژه: Plot Plan جهت زمان بندی فعالیتهای مهندسی در دوره های تعیین شده مورد استفاده قرار می گیرد.

- ساخت: Plot Plan جهت زمان بندی مراحل ساخت تمام تجهیزات کارخانه مطالعات مربوط به طنابها و کابلهای مورد استفاده در جابجایی های تجهیزات و باربرداریهای عظیم بررسی قابلیت های ساخت و فضاهای لازم جهت هدایت در طول دوره ساخت مورد استفاده قرار می گیرد.

- برآورد هزینه: Plot Plan جهت برآورد کلی کارخانه یا پالایشگاه بکار برده می‌شود.

- استفاده کارفرما: Plot Plan جهت بررسی های امنیتی، اپراتوری، نگهداری و نیز به منظور ایجاد یک نقشه همزمان با ساخت از چیدمان کارخانه و مسائل کنترل پیمانکاران مورد استفاده قرار می گیرد.

نمونه یک Plot Plan در ذیل آمده است.

نقشه های طراحی Piping

براساس P&ID و Plot Plan و Specها نقشه های طراحی Piping تهیه می شوند این نقشه ها مسیر و شکل دقیق سیستم Piping را نشان می دهد و اصلی ترین document مورد استفاده توسط مهندسین Piping است. این نقشه ها معمولاً شامل نماهای elevation و Plan می شوند (نمای Plan نما از بالا و نمای elevation نمای از جانب است).

یک نمای Plan از یک سیستم Piping به طور نمونه در شکل A آورده شده است. این نما لوله ها و مخازن اصلی و همچنین چگونگی عبور لوله از ساختمان را نشان می‌دهد وی از طرف دیگر نمای پلان تفاوت ارتفاع را به خوبی نشان نمی دهد لذا برای مشخص شدن مسیر Piping هر دو نمای Plan و elevation لازم است. (شکل B نمای elevation را نشان می دهد) برای مثال ارتفاع نازل A به آسانی قابل تشخیص نیست همان طوری که در این شکلها دیده می شود. Piping به صورت یک خط توپر نشان داده می شود.

زمانی که مسیر Piping مشخص شد باید با اندازه گیری نسبت به نقاط مبنا روی نقشه تعیین گردد. معمولاً Piping نسبت به دیوار یا ستون ساختمان که محل آنها ثابت است، اندازه گیری می شود.

مبنای دیگر در سیستم Piping موقعیت شمال (Plant North Arrow) است موقعیت شمال در نقشه های Piping نمایش داده شده و بعنوان یک جهت ثابت مبنا برای طراحی Piping به کار می رود، البته جهت شمال نشان داده شده در نقشه لزوماً شمال واقعی نیست بلکه به صورت قراردادی اینطور فرض می شود موقعیت شمال معمولاً موازی با یک سری خطوط ستونهای ساختمان انتخاب می شود و مرسوم است که مسیر Piping حتی المکان موازی یا عمود بر موقعیت شمال باشد، تا بتوان بیشترین استفاده را از سازه های ساختمان به عنوان تکیه گاه (Support) کرد.

مدلهای اشل (Scale) و نقشه های مرکب

برای جلوگیری از تداخل کارها و ایجاد فضای لازم برای نصب تمام دستگاهها از نقشه های مرکب استفاده می شود. به این ترتیب هر گروه قادر خواهد بود بطور مستقل از گروههای دیگر کار خود را انجام دهد.

نقشه های مرکب ترکیبی از نقشه های سازه ای، وسایل سیستم و Piping در هر حوزه که شامل سیستم Piping سیستمهای HVAC و تجهیزات دیگر می شود. این نقشه ها به عنوان ابزار طراحی امکان استفاده موثر از فضای موجود را فراهم می کند.

از طرفی ممکن است از نقشه مرکب استفاده نشود. در عوض مدل اشل شده یا ماکت بکار رود مدل Scale در واقع نسخه کوچک شده پروژه واقعی است که شامل سازه ها، تجهیزات و Piping می شود... 

اجرای ساختمان مسکونی شهرک لاله

. خاک برداری:

قبل از شروع هر نوع عملیات ساختمانی باید زمین محل ساختمان بازدید شده و وضعیت و فاصله آن نسبت به خیابان ها و جاده های اطراف و همچنین چگونگی دسترسی به خیابان های اصلی مورد بازرسی قرار گیرد. بعد از بررسی های کافی و در صورت نبود مشکل اقدام به آغاز پروژه می نماییم. در این بررسی ها باید دقت شود تا ما مشکلی از لحاظ ورود و یا خروج ماشین آلات نداشته باشیم و ضمنا جای کافی برای مصالح پای کار فراهم کنیم. سپس نوبت به خاک برداری می رسد .برای انجام این عمل از ماشیت آلات ساختمانی مانند لودر استفاده می شود .لودر خاک های اضافی را یرداشته و به وسیله کامیون از محل خارج می کنند.

2. پیاده سازی نقشه

 پس از بازدید محل وریشه‌کنی ، نوبت به پیاده کردن نقشه بر روی زمین می شود. منظور از پیاده کردن نقشه یعنی انتقال نقشه ساختمان از روی کاغذ بر روی زمین به وسیله ابزار آلات در دسترس با ابعاد اصلی به طوری که محل دقیق پی ها و ستون ها و دیوار ها و عرض پی ها روی زمین به خوبی مشخص باشد. باید دقت داشت که این مرحله یکی از مهمترین مراحل ساخت می باشد چرا که کوچکترین اشتباهات در این مرحله قابل صرفنظر نبوده و اگر این خطا ها از مقدار مجاز آیین نامه ای بیشتر باشد ، باید اقدام به تخریب کل ساختمان کرد. حال برای پیاده کردن نقشه دو راه داریم اگر ساختمان مهم و بزرگ بود می بایست از دوربین های نقشه برداری استفاده شود ولی برای پیاده کردن نقشه ساختمان های معمولی و کوچک از متر و ریسمان بنایی می توان بهره برد که دقت لازم برای کارهای معمولی را دارند. برای پیاده کردن نقشه با متر و ریسمان کار ابتدا باید محل کلی ساختمان را روی زمین مشخص نموده و بعد با کشیدن ریسمان کار به  یکی از امتداد های تعیین شده و ریختن گچ ، یکی از خطوط اصلی ساختمان را تعیین کرد و بعد خطوط دیگر را با همین روش مشخص می کنیم . البته برای ایجاد زاویه ی قایمه می توان از اعداد فیثاغورثی بهرا برد مانند اعداد 3و4و5 که در آن دو تای اولی اضلاع جانبی اند و عدد آخر که از همه بزرگتر می باشد مقدار عدد وتر می باشد

عرض و طول و عمق پی ها کاملا بستگی به وزن ساختمان و قدرت تحمل خاک محل ساختمان دارد در ساختمان های بزرگ قبل از شروع کار بوسیله آزمایشات مکانیک خاک قدرت مجاز تحملی زمین را تعیین نموده واز روی آن محاسبات ابعاد پی را تعیین می نمایند ولی در ساختمان های کوچک که آزمایشات مکانیک خاک در دسترس نیست باید از مقاومت زمین در مقابل بار ساختمان مطمئن شویم . اغلب مواقع قدرت مجاز تحملی زمین برای ساختمان های کوچک با مشاهده خاک پی و دیدن طبقات آن و طرز قرار گزفتن دانه ها به روی همدیگر یا با ضربه زدن به وسیله کلنگ به محل پی قابل تشخیص می باشد .

3. گود برداری

در این قسمت از عملیات اقدام به خاکبرداری محل نقشه می شود تا به خاک بکر رسید. انجام این عمل به آن علت است که همانطور که گفتیم زمین ، بار کلی ساختمان را تحمل می کند لذا باید پی ها بر روی یک سطح محکم و بدون رانش قرار بگیرد تا در آینده پس از اتمام پروژه و در نتیجه ی بارگذاری ، پی ها نشست بیش از حد نداشته باشند و یا اینکه نشستهای متفاوت داشته باشند. البته اگر زمین موجود ، بدون خاکبرداری ، بکر باشد ، باز هم باید اقدام به گودبرداری کرد. این عمل بدان علت است که همانطور که می دانیم پی از قسمتهای مهم سازه می باشد. و جنس آن از بتن می باشد همانطور که می دانیم بتن از دو المان آرماتور آهنی و ملات سیمان ماسه شن تشکیل شده است. آهن در مقابل سولفاتها و موادی همچون کلر و آب حساس است و در صورت وجود این عوامل در کنار آهن ، آهن زنگ زده و مقاومت فشاری و کششی خود را از دست می دهد. همچنین ملات سیمان هم در مقابل آب ضربه پذیر است و مقاومت خود را از دست می دهد. بنابر این سطح زیرین پی ها باید حداقل 1.5 الی 2 متر پایین تر از تراز کف زمین باشد.

در موقع گودبرداری چنانچه محل گودبرداری بزرگ نباشد از وسائل معمولی مانند بیل و کلنگ و فرقون ( چرخ دستی ) استفاده می گردد , برای این کار تا عمق معینی که عمل پرتاب خاک با بیل به بالا امکان پذیر است ( مثلاً 2 متر ) عمل گود برداری را ادامه می دهند و بعد از آن پله ای ایجاد نموده و خاک حاصله از عمق پائین تر از پله را روی پله ایجاد شده ریخته و از روی پله دوباره به خارج منتقل می نمایند . برای گود برداری های بزرگتر استفاده از بیل و کلنگ مقرون به صرفه نبوده و بهتر است از وسایل مکانیکی مانند لودر و غیره استفاده شود . در این گونه موارد برای خارج کردن خاک از محل گود برداری و حمل آن بخارج کارگاه معمولاً از سطح شیبدار استفاده می گردد . بدین طریق که در ضمن گودبرداری سطح شیبداری در کنار گود برای کامیون و غیره ایجاد می گردد که بعد از اتمام کار این قسمت بوسیله کارگر برداشته می شود .

استفاده از دستک و سازه نگهبان :

 برای اینکه در هنگام گود برداری دیوار همسایه

نشست نکند وپی آن دچار لغزش نشود ،از دستک و سازه نگهبان استفاده می کنند ،در اینجا از سازه نگهبان برای این منظور استفاده شده است .4. پیاده کردن محل پی ها و شناژها و آرماتور گذاری

بعد از گود برداری و مشخص نمودن محل پی ها و شناژ های رابط پی ها ابتدا در محل های مورد نظر در حدود 40 تا 50 سانتی متر ملات آهک و شفته ریخته می شود . شفته مخلوطی است از خاک مناسب و آهک شکفته و آب . ( خاک مناسب برای شفته خاکی است که قطر دانه های تشکیل دهنده آن از لحاظ بزرگی و کوچکی متفاوت بوده به طوری که دانه های ریزتر فضای خالی بین دانه های درشت تر را پر نموده و در نتیجه جسم متراکم و توپری بدست می آید . ) بعد از شفته ریزی ، در حدود 5 الی 10 سانتی متر بتن مگر روی آن ریخته می شود به این بتن ، بتن لاغر هم گفته می شود چرا که بتنی است که سیمان آن نسبت به سایر بتن ها کم بوده و در حدود 100 الی 150 کیلو گرم در متر مکعب می باشد. این کار به دو دلیل انجام می شود. اول آنکه حد فاصلی بین بتن اصلی و خاک می باشد دوم آنکه... 

ساختمان سازی

مقدمه

امروزه مطالعه و تحقیق روی رفتار سازه ها به منظور دسترسی به حداکثر ایمنی، همزمان با معیارهای در سراسر جهان رشد فزاینده ای یافته است. به طوریکه آزمایش روی تک تک اجزاء و یا ترکیبی از چند جزء یک سازه، در مقیاسهای بزرگ و واقعی، یک از مهمترین و اساسی ترین نکات مورد توجه پژوهشگران صنعت ساختمان است.

وسایل آزمایشگاهی موجود در کشور ما را ملزم می سازد که روی نمونه های با ابعاد کوچک و یا نمونه هایی با مقیاس کوچک آزمایشهایی صورت گیرد که این کار حداکثر می تواند گویای رفتار تک تک عناصر تشکیل دهندة سازه بدون در نظر گرفتن عملکرد واقعی آنها در سازة اصلی و در کنار دیگر عناصر ساختمان باشد و بررسی نحوة تاثیر بعضی از عوامل موثر بر موضوع مورد مطالعه محدود گردد.

عملکرد نمونه مورد آزمایش به نکاتی که اهم آنها به قرار زیر است، بستگی دارد:

      ü        هندسه سازة

      ü        اندازة سازه

      ü        استفادة همزمان از مصالح گوناگون در کنار یکدیگر

      ü        تاثیر نوع اتصال و پیوستگی اجزاء و مصالح به یکدیگر

لذا در هنگام آزمایش بیاد موارد فوق کاملاً مدنظر گرفته شود، تا نتایج حاصل، واقعی و با درصد بالایی قابل اعتماد باشند. به عنوان مثال، ‌برای بررسی رفتار یک پل بایستی تنشها و تغییر شکلهای ناشی از نیروهای شامل وزن پل، تردد وسایل نقلیه، ارتعاشات، باد، تغییرات درجحه حرارت و … در نظر گرفته شوند.

شایان ذکر است، که تمامی اینها با آزمایشهای سادة کششی و فشاری، روی یک قسمت کوچک از نمونة مصالح به کار فته در یک عضو از سازة پل بدست نمی آید.

همین طور استفاده از فرمولهای محاسباتی و تعمیم آنها به نکات تازه و ناشناخته، ما را ملزم می سازد که اعضای واقعی سازه و یا در مواقعی حتی،‌خود سازه را تحت اثر بارهای بهره برداری مورد آزمایش قرار دهیم، تا بتوان براساس نتایج آزمایش به آگاهیهای معتبری دست یابیم.

داشتن اطلاعات دقیق و معتبر بخصو برای تولید انبوه حایز اهمت فراوان است. با توجه به مشکلات گوناگون در جوامع بشری، که صنعت ساختمان به سوی تولید انبوه روی آورده است، طرح یک عضو سازه ای با ظرفیت باربری بیش از حد لازم، علاوه بر اتلاف مصالح با ارزش ساختمانی، زیانهای اقتصادی فراوانی به دنبال خواهد داشت.

از سوی دیگر، تکیه بر آزمایشهای کلاسیک سازه ای، عدم آگاه دقیق از کارکرد هماهنگ اجزای یک سازه و به فرمولهای به دست آمده و نتایج تجربیات گذشته بسنده‌کردن، راه را برای پژوهشهای آتی و پیشرفت، مسدود خواهد کرد.

با وجود اینکه روشهای عددی مثل روش المانهای محدود، ابزار خوبی جهت مطالعه رفتار سازه های ساختمانی هستند و بسیاری از پیش بینی های طراحی، نظریات و توصیه‌ها بر پایة نتایج آنها استوار است. با وجود این، استفاده از همین روشها هم، فرضیاتی ساده کنده که گاهی دور از واقعیت اند را شامل می شود.

باتوجه به موارد مذکور، به گوشه ای از اهمیت کاربرد استفاده از آزمایشگاه سازه پی می بریم. به طوری که حتی، بسیاری از کشورهای جهان سوم مانند اندونزی، یمن، عربستان، الجزایر، تونس و سنگاپور نیز اقدام به راه اندازی چنین آزمایشگاه هایی در کشورهای خود کرده اند.

ایران در میان کشورهای در حال توسعه، نخستین کشوری بود، که پژوهشگران آن به مطالغه و پژوهش در زمینه های علمی، روی آوردند. ولی به علت کمبود امکانات و تجهیزات آزمایشگاهی، پژوهشهای در دست مطالعه، روند مطلوب را نداشته و در بسیاری از موارد به حال تعلیق درآمده اند. امروزه، برای تحقیق در زمینه های سازه ها، از دو روش بنیادی به شرح زیر که در آزمایشگاههای انجام می پذیرد، استفاده می شود:

اول : آزمایش اعضای سازه با اندازة واقعی در ماشین های آزمایشی (یونیورسال تست) با ظرفیت زیاد و ابعاد بزرگ.

دوم: آزمایش سازه با اندازه واقعی آن با استفاده از یک سیستم معادل، شامل کف قوی[1] ، قابهای بارگذاری[2] و تجهیزات تکیه گاهی[3].

در پایان، ذکر این نکته را لازم می داند که وقتی درباره اهمیت آزمایش در مقیاسهای بزرگ سخن به میان می آید معنایش این نیست، که همواره به چنین آزمایشهایی (با صرف وقت و هزینه زیاد) نیاز داریم، بلکه این گونه آزمایشگاه را وقتی تأئید نهایی مورد نیاز باشد، یا اینکه بخواهیم تئوریهای موجود را اصلاح کرده و شناخت دقیقتری از رفتار سازه به دست آوریم، انجام می دهیم.

هدف

به منظور آزمایش بر اجزای ساختمانی در اندازه های حقیقی و بزرگ و بررسی رفتار آنها، احداث آزمایشگاه سازه در مراکز علمی و دانشگاهی کشور، امری ضروری و اجتناب ناپذیر است.

از جمله مهمترین عناصر تشکیل دهنده یک آزمایشگاه سازه، کف قوی و قابهای استوار شده بروی آن است. هدف از پروژه مورد بحث در این گزرش طرح یک کف قوی و سازه های مربوط به آن و همچنین تحقیق بر روی مصالح جهت ساختن این گونه کف قوی است که ایجاد یک آزمایشگاه سازه مجهز را توصیه می نماید.

فصل اول

معرفی کفهای قوی و ملحقات آن

1-1- مقدمه

آزمایشگاههای تحقیقاتی سازه که در اغلب کشورهای جهان ساخته شده، دارای امکانات گوناگون و پیشرفته ای هستند. این آزمایشگاه ها، برای تحقیق و مطالعه پژوهشگران تسهیلات لازم را فراهم می آورند و حصول نتایج مطمئن و واقعی را ممکن می سازند. از جمله تجهیزات ضروری برای مجهز ساختن و راه اندازی آزمایشگاه سازه عبارتند از:

      ü        کف قوی

      ü        دیوار قوی[1]

      ü        قابهای بارگذاری

      ü        ماشینهای آزمایشی (یونیورسال تست)

      ü        تجهیزات تکیه گاهی

      ü        سیستم های کنترل کامپیوتری

      ü        سیستمهای هیدرولیکی و جکها

با بررسیهای انجام شده از مراکز علمی و تحقیقاتی کشور، مشخص شد که در کشور ما نه تنها برای آزمایش خود سازه، بلکه حتی برای آزمایش اعضای آن در اندازه واقعی خود، آزمایشگاهی وجود ندارد و احساس می شود که برای فراهم نمودن زمینه های جدید تحقیقاتی وجود آزمایشگاههای سازه لازم و ضروری است، و گام اول در راه ایجاد چنین آزمایشگاهی، باید در جهت داشتن یک کف قوی و مناسب باشد، تا بتواند نیازهای پژوهشگران را از نظر ابعاد و ظرفیتهای بارگذاری گوناگون تأمین کند.

این فصل به معرفی انواع کفهای قوی، قابهای بارگذاری و مثالی از یک آزمایشگاه سازه می پردازد.

1-2- خلاصه ای از پیشرفتهای جهانی در این زمینه

برای انجام دادن مطالعه و تحقیق روی رفتار سازها و عملکرد اجزای آنها، اصولاً‌دو روش موجود است.

روش اول، کارهای آزمایشگاهی و روش دوم، کارهای تحلیلی و آنالیتیکی است. در روش آزمایشگاهی، مقیاس اجزای سازه تعیین و ساخته می‌شوند و پس از پیوستن آنها به هم و ایجاد سازه های موردنظر، سازه ها تحت انواع بارگذاریها و حالات تکیه گاهی مورد آزمایش قرار می گیرند و سرانجام نتایج با رفتار واقعی سازه ها تصحیح می‌شوند.

در روش تحلیلی از فرمول های خالص ریاضی حاصل از پدیده های فیزیکی مدل شده جهت یک آنالیز عددی به کمک کامپیوتر استفاده می شود.

امروزه آزمایشگاه های تحقیقاتی سازه که در اغلب کشورهای جهان ساخته می شوند دارای امکانات گوناگون پیشرفته ای هستند. مثلاً آزمایشگاه بزرگی که برای دانشگاه شهر سرپونگ[2] در کشور اندونزی تاسیس شده است. دارای امکانات متعددی برای آزمایش روی مصالح، اجزاء سازه، و سازه‌های واقعی است. در این آزمایشگاه که مساحت ساختمان آن بالغ بر 8800 مترمربع است. یک کف قوی بتن آرمه به ابعاد 40 متر در 40 متر (1600 مترمربع) ساخته شده است. در این آزمایشگاه علاوه بر قابهای بارگیذاری نصب شده روی کف قوی با ظرفیت باربری KN 4000، تجهیزات دیگری نیز ساخته شده است که قسمتهای مختلف آن به شرح زیر است:

-         آزمایشگاه ماشین‌های کوچک آزمایشگاهی

-         آزمایشگاه دستگاههای آزمایشی استاندارد

-         آزمایشگاه دستگاههای آزمایشی استاتیکی

-         آزمایشگاه تست‌های غیرتخریبی NDT

-         آزمایشگاه ماشین‌های تشدید

-         آزمایشگاه اندازه‌گیری وارفتگی و افت مصالح

-         آزمایشگاه اشعه ایکس و ایزوتوپ

-         آزمایشگاه متالوگرافی و عکسبرداری

-         کارگاههای جوشکاری، مکانیکی و الکترونیکی

کلیه این قسمتها دارای سیستم تغذیه روغن هیدرولیک تحت فشار مرکزی است. در ضمن یک سیستم کامپیوتری مرکزی تمام عملیاتی را که انجام می‌گیرد در کنترل دارد.

همین‌طور در آزمایشگاه سازه دانشگاه شهر بوخوم[3] در آلمان، یک کف قوی به مساحت 300 متر مربع وجود دارد که قادر است ستونهای تا ارتفاع 10 متر را زیر بار فشاری MN 20 و یا بار کششی MN 10 و یا تحت بار دینامیکی MN8+ قرار دهد.

1-3- معرفی کفهای قوی

کف قوی، سازه ای است صلب که دارای تجهیزات مخصوص برای نصب و مهار قابهای بارگذاری و تجهیزات تکیه گاهی است.

اعضای سازه و یا خود سازه با ابعاد دواقعی و یا مدل کوچکتر شده اش بروی این کف قوی و در زیر قابهای بارگذاری تحت آزمایشهای گوناگون استاتیکی و دینامیکی فشار، کشش و خمش قرار می گیرد، تا ظرفیت باربری و عملکرد مصالح گوناگون در کنار یکدیگر در نقاط مختلف سازه و در اتصالات بررسی و مطالعه شود.

کف قوی معمولاً‌براساس 51231 DIN طرح می شود. طراحی یک کف قوی مخصوصاً بستگی به حالت محلی براساس نیروهای اعمال شده به آن دارد.

کف قوی در سه تیپ مختلف ساخته و عرضه می شود:

1.کف قوی تمام فولادی

2.کف قوی بتن آرمه

3.کف قوی بتن پیش تنیده

دو مورد آخر (ردیفهای 2و3) دارای شبکه بولت ای فولادی جهت مهار و مونتاژ قابهای بارگذاری و تجهیزات تکیه گاهی هستند که بست قورباغه ای[4] نامیده می شود.

جایی که ابعاد نمونه کوچک است و لنگرهای خمشی نسبتاً کم هستند. کف قوی فولادی مناسبتر و سیستم مهار و مونتاژ قابهای بارگذاری ریلی است. در حالیکه ابعاد نمونة مورد آزمایش اگر بزرگتر باشند، لنگرهای خمشی بزرگی اعمال می شود و کف قوی پیش تنیده مناسبتر است.

معمولاً کفهای قوی را همراه را با یک دیوار قوی می سازند که کفهای افقی برای آزمایش سازه ها تحت اثر بارهای قائم و دیواره های قائم جهت آزمایش سازه ها، تحت اثر نیروهای افقی مورد استفاده قرار می گیرند.

در آزمایشگاههایی که کفهای قوی و دیواره های قوی باهم ساخته می شوند. معمولاً‌ دیواره بروی یکی از اضلاع کناری کف قرار می گیرد، ولی بسته به نوع آزمایش می‌‌تواند در هر محل مناسبی طراحی و اجرا شود. قابهای بارگذاری با روشهای گوناگون که مفصلاً شرح داده خواهد شد روی کف قوی نصب و مهار می شوند. همچنین تجهیزات تکیه گاهی نیز برای آزمایش های خمش روی کف به همان ترتیب نصب و مهار می‌گردند.

1-4- معیارهای طراحی کفهای قوی

معیارهایی که در طرح یک کف قوی می توان در نظر گرفت، عبارتند از:

1-4-1- مصالح ساخت کفهای قوی

کفهای قوی را بسته به نوع شکل سازه ای و همچنین ابعاد و موارد مصرف آنها می‌توان از فولاد، بتن آرمه، بتن آرمه پیش تنیده، بتن آرمه مختلط با فولاد ساخت.

1-4-2- ابعاد کف قوی

ابعاد کفهای قوی تابعی از اندازة قطعاتی هستند که باید تحت آزمایش قرار گیرند. باید در نظر داشت که قطعات متعددی ممکن است به طور همزمان مورد آزمایش قرار بگیرند. همچنین بایستی طول به عرض کف، طوری رعایت شود که پایداری سازه کف بر اثر بارهای وارده تأمین گردد.

در حالتی که کف قوی از نوع بتن پیش تنیده یا بتن آرمه باشد، انتخاب صحیح ابعاد کف حایز اهمیت است. زیرا ابعاد این نوع کفها، ابعاد ساختمان آزمایشگاه را تعیین می‌کنند. همچنین محل نصب سایر تجهیزات آزمایشگاهی در ارتباط با محل استقرار کف قوی خواهد بود.

چنانچه در نظر داشته باشیم در یک ساختمان آزمایشگاه موجود، یک کف قوی بسازیم و یا ابعاد کف موجود را گسترش دهیم، در صورتی که کف موردنظر از بتن آرمه یا بتن پیش تنیده باشد، بعلت مشکلات اجرایی امکان پذیر نخواهد بود.

برای ساختن این نوع کفها زیرسازیهای بخصوصی تدارک دیده می شود که امکان اجرای آن در یک ساختمان موجود با دشواری صورت خواهد گرفت.

همچنین ساختن یک کف قوی از این نوع، عملیات ساختمانی حجیمی را به همراه دارد که اجرای آن در زیر سقف یک آزمایشگاه مشکلاتی را بوجود می آورد.

گسترش کفهای موجود نیز از نظر تأمین یکپارچگی کف و مشکلاتی که در تدارک آزمایشهای دقیق بوجود خواهد آورد، نامممکن خواهد بود، بخصوص در مورد کفهای پیش تنیده به جهت مسیرهای انتخاب شده برای کابل های پیش تنیدگی (تندان)، گسترش کف عملی نمی باشد.

بنابراین در طرح ابعاد یک کف قوی از نوع بتن آرمه یا بتن پیش تنیده بایستی نیازهای موجود و خواسته های قابل پیش بینی در نظر گرفته شود.

1-4-3- شکل سازه ای کفهای قوی

کفهای قوی از نظر شکل سازه ای به سه دسته به شرح  زیر تقسیم می شوند:

      ü        کفهای قوی با سیستم یک بعدی

      ü        کفهای قوی با سیستم دو بعدی

      ü        کفهای قوی با سیستم سه بعدی

1-4-3-1- کفهای قوی با سیستم یک بعدی (خطی)

این گونه کفها به منظور آزمایشهای خمش روی تیرهای فلزی، بتنی، چوبی و … ساخته می شوند. قابهای بارگذاری بروی این کفها، فقط در امتداد طولی کف جابجا می‌شوند و از این رو باید به هنگام طرح کف، چگونگی کار آن را کاملاً در نظر گرفت. کشل مقطع کفهای قوی با سیستم یک بعدی طبق آیین نامه 51231 DIN یکی از چهار شکل به شرح زیر است:

مقطع مربع مستطیل توپر    ، مقطع مربع مستطیل توخالی    ، مقطع I شکل    ، و مقطع H شکل   .

جنس مصالح کفها قوی با مقطع مربع مستطیل توپر عموماً بتنی است. اما کفهای قوی در سه مورد دیگر (مقطع مربع مستطیل توخالی، مقطع I شکل و مقطع H شکل) تماماً از فولاد ساخته  می شود. از معیارهای انتخاب مقطع های گوناگون ...