بررسی عددی روش ساخت از بالا به پایین (Top Down) در ساختمان‌های مرتفع و تأثیر آن بر سازه‌های زیرین با ارتفاعات متفاوت

روش ساخت از بالا به پایین به طور گسترده در مناطق شهری، به ویژه در ساختمان‌های بلند با زیرزمین‌ها ، استفاده شده است. این مقاله برج نانجینگ جینمائو II در نانجینگ-چین را به عنوان یک مطالعه موردی ارائه می‌دهد که شامل 68 طبقه با ارتفاع 283.6 متر و پنج زیرزمین با عمق 27.5 متر است.

یک شبیه‌سازی عددی اجزای محدود در PLAXIS 3D برای تحلیل ساخت حفاری خاک و سازه زیرزمینی و ارتفاعات مربوطه آن‌ها انجام شد. مطالعه نتیجه‌گیری کرد که افزودن طبقات به سازه فوقانی تأثیر کمی بر فرآیند حفاری زیرزمینی داشته است. به همین ترتیب، وضعیت شمع‌های ستونی در مراحل مختلف ساخت متفاوت است. با توجه به این موضوع، این مقاله دستورالعمل‌های ساخت برای روش ساخت از بالا به پایین را برای اطمینان از ایمنی، بهینه‌سازی طراحی و ارائه توصیه‌ها برای این تکنیک ساخت امیدوارکننده تحلیل و خلاصه کرده است.

1. مقدمه

   امروزه، روند شهرسازی در جهان شتاب گرفته است، ساخت و ساز شهری به خوبی توسعه یافته است و ساختمان‌های فوق بلند در مناطق تجاری مرکزی شهرها بیش از پیش شلوغ شده‌اند. ارتفاع ساختمان‌ها همچنان در حال افزایش است و استفاده از فضای زیرزمینی پیچیده‌تر می‌شود.

   این امر منجر به افزایش عمق حفاری‌ها و پیچیدگی ساخت و ساز شده است، بنابراین فناوری‌های مرتبط به طور مداوم اعمال و نوآوری شده‌اند، از جمله فناوری از بالا به پایین (تاپ دان)

   روش ساخت تاپ دان به دلیل مزایای فراوانی که دارد، از جمله امکان اجرا در محدودیت‌های فضایی، محیط‌های پیچیده، پروژه‌های با زمان‌بندی تنگ، فونداسیون‌های با سطح ایمنی پایین، نشست‌های زیاد و نیاز به کنترل تغییر شکل سازه‌های مجاور، به طور گسترده‌ای در ساخت سازه‌های با گودبرداری عمیق مورد استفاده قرار می‌گیرد و نتایج بسیار مطلوبی به همراه داشته است. همچنین، این روش از لحاظ اقتصادی نیز مقرون به صرفه است و به همین دلیل از زمان پیدایش خود در بسیاری از نقاط جهان به سرعت گسترش یافته و توسعه یافته است.

   پیش ‌بینی دقیق جابجایی ناشی از حفاری عمیق همواره چالشی اساسی در پروژه‌های ساختمانی بوده است. با پیشرفت تکنیک‌های تحلیل عددی، نرم‌افزارهای پیشرفته‌ای مانند PLAXIS 3D امکان مدل‌سازی دقیق رفتار خاک و سازه را فراهم آورده‌اند. در این پژوهش، با بهره‌گیری از این نرم‌افزار، به تحلیل دقیق جابجایی‌های ناشی از حفاری پرداخته شده است تا ضمن تضمین ایمنی، طراحی بهینه را ارائه کرده و مرجعی جامع برای اجرای ایمن و کارآمد این نوع پروژه‌ها باشد.
2. شرایط زیرسطحی و جزئیات پروژه

   اطلاعات عمومی

   

   شکل 1

   پروژه فاز دوم نانجیانگ جینمائو پلازا شامل خدمات خرده فروشی، تجاری، اداری، مسکونی و هتلداری است. مساحت کل ساخت و ساز پروژه حدود 270800 متر مربع است که شامل 197300 متر مربع مساحت ساخت و ساز فوقانی و 73500 متر مربع مساحت ساخت و ساز زیرزمینی است. این پروژه شامل یک برج، یک سکوی پایه و زیرزمین‌ها است. برج دارای 66 طبقه با ارتفاع 285 متر است و از سیستم ساختاری لوله مرکزی استفاده خواهد کرد؛ سکوی پایه دارای هفت طبقه بالای زمین با ارتفاع 39.5 متر و 5 طبقه زیرزمین است، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. حفاری گودال پایه 26.45-27.45 متر است.

   سایت پروژه در یک دشت سیلابی باستانی واقع شده است که آبخوانی غنی دارد. خاک سطحی از مصالح مصنوعی پر شده و زیر آن لایه‌هایی از سیلت، مخلوطی از سیلت و رسوبات جدید، و در نهایت سیلت پلیستوسن بالایی با آمیختگی شن قرار دارد. بستر نهایی از توف ژوراسیک تشکیل شده است. خواص مکانیکی خاک و سنگ بستر، از جمله عمق، وزن واحد، مدول یانگ، نسبت پواسون، چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی، در جدول 1 ارائه شده است.

   

   جدول 1

   با توجه به وسعت و عمق حفاری این پروژه چندطبقه و پیچیدگی‌های ناشی از آن، تحلیل کامل کل پروژه در نرم‌افزارهای اجزای محدود به چالش برمی‌خورد. لذا، بخش برج به عنوان مهم‌ترین بخش پروژه انتخاب شد و سپس سختی معادل ستون‌ها و لایه‌های خاک با استفاده از فرمول زیر محاسبه گردید.

   

   فرمول 1

   در این معادله، نمادها به صورت زیر تعریف می‌شوند:

   Em: مدول یانگ معادل برای لایه‌های خاک

   Ep: مدول یانگ شمع

   Es: مدول یانگ خاک لایه

   Ap: مساحت کل شمع‌ها در لایه خاک

   As: مساحت لایه خاک

   این معادله معمولاً در تحلیل‌های تعامل خاک-شمع در مهندسی ژئوتکنیک استفاده می‌شود. هدف از این معادله، محاسبه مدول یانگ معادل برای یک لایه خاک است که در آن شمع‌هایی کوبیده شده‌اند. این مدول یانگ معادل، نشان‌دهنده سختی ترکیبی خاک و شمع در آن لایه است.

   مدول یانگ (Young's Modulus): یک خاصیت مکانیکی مواد است که نشان‌دهنده سختی ماده در برابر تغییر شکل الاستیک است. به عبارت دیگر، مدول یانگ بیان می‌کند که برای ایجاد یک کرنش مشخص در یک ماده، چه مقدار تنش لازم است.

3. توالی ساخت و فرآیند حفاری

   در روش ساخت از بالا به پایین ، ابتدا عناصر حامل بار اصلی مانند ستون‌ها، دیوارهای دیافراگمی و شمع‌ها اجرا می‌شوند. سپس با ساخت کف اول، سازه به صورت تدریجی از بالا به پایین پیشرفت می‌کند. ترتیب دقیق مراحل ساخت مطابق نمودار جریان شکل 2 می‌باشد.

   

   شکل 2

   

   شکل 3

   

   شکل 4

   به منظور کاهش زمان پروژه، ساخت سازه از بالا به پایین انجام خواهد شد، نه اینکه منتظر تکمیل زیرزمین‌ها بمانیم. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، دیوارهای دیافراگم و شمع‌های ستون شروع خواهند شد، سپس حفاری زیرزمین اول، پس از آن ریختن کف بتنی و کف B1، و سپس طبقه اول سازه فوقانی آماده ساخت خواهد بود.

   پس از آن، ترتیب ساخت از بالا به پایین به حفاری زیر B1 و همچنین بتن‌ریزی دال B2 می‌پردازد. سپس ساخت طبقه دوم سازه فوقانی انجام می‌شود، پس از آن حفاری زیر B2، B3 و B4 انجام می‌شود و در نهایت بتن‌ریزی فونداسیون رافت انجام می‌شود. به عبارت دیگر، ساخت سازه فوقانی به طور همزمان با ساخت زیرساخت‌ها انجام می‌شود، همانطور که در شکل ۴ نشان داده شده است.

4. تحلیل عددی مطالعه موردی میدانی

   محاسبات عددی در نرم‌افزار Plaxis 3D انجام شد. به دلیل مقیاس بزرگ مطالعه موردی، منطقه برج به عنوان یک بخش برجسته و حیاتی پروژه مورد مطالعه و تحلیل قرار گرفت که شامل عناصر بسیاری است و بارهای بسیار بالایی را تحمل می‌کند.

   ستون‌ها با استفاده از یک شمع جاسازی شده مدل‌سازی شدند، در حالی که کف‌ها و دیوارهای زیرزمین با استفاده از عناصر صفحه‌ای، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، مدل‌سازی شدند. عناصر تیر با صفحات به عنوان یک عنصر ادغام شدند و ضخامت صفحه 0.3 متر است. جزئیات عناصر سازه در جدول 2، جدول 3 و جدول 4 نشان داده شده است.

   به دلیل محدودیت‌های مدل‌سازی و محاسبه، قسمت برج ساختمان شبیه‌سازی شده به عنوان پنج طبقه زیرزمینی و پنج طبقه فوقانی به عنوان طبقات متناظر انتخاب شد. تحلیل بعدی نشان داد که ساخت طبقات فوقانی تأثیر کمی بر ساخت داشته است، در حالی که عامل اصلی کنترل‌کننده در این مطالعه موردی، گودال حفاری عمیق بود. عمق حفاری گودال فونداسیون 27.45 متر است که پنج بار حفاری شده است (شکل 6(

   

   شکل 5

   

   شکل 6

   

   جدول 2

   

   جدول 3

   اعتبارسنجی مدل

   از نرم‌افزار برای توصیف عملکرد روش ساخت تاپ دان استفاده شد. مدل اجزای محدود سه بعدی شامل ستون‌ها، دیوارهای دیافراگم، دیوارها و کف‌ها بود. حجم خاک با استفاده از عناصر حجمی چهار وجهی ده گره‌ای مدل‌سازی شد و مدل Mohr Coulomb خاک برای این مدل انتخاب شد (شکل 7). مش اجزای محدود سه بعدی در تحلیل استفاده شد. در پایین اجزای محدود، جابجایی‌ها در سه جهت x، y و z صفر تنظیم شد و مرزهای مدل عمودی در جهت‌های x و y ثابت و در جهت z آزاد بودند. برای جلوگیری از اثرات مرزی، طول و عرض مدل 250 متر و عمق آن 90 متر بود. عمق حفاری گودال پی 27.45 متر است. عمق محاسبه طول شمع به عنوان طراحی شده بدون شبیه‌سازی آن گرفته شد زیرا بسیار زیاد است، بنابراین سفتی شمع به سفتی خاک همانطور که قبلاً محاسبه شده بود اضافه شد.

   

   جدول 4

   

   شکل 7

   مرحله شبیه‌سازی شده ساخت

   پس از ایجاد یک مدل اجزای محدود، محاسبه می‌تواند اجرا شود و نوع محاسبه باید در مرحله مشخص شود. محاسبات اجزای محدود را می‌توان به مراحل محاسباتی توالی مختلف تقسیم کرد. هر مرحله محاسباتی مربوط به یک بارگذاری یا مرحله ساخت خاص است. مراحل ساخت را می‌توان در مدل ساخت مرحله تعریف کرد. در این مطالعه موردی، فرآیند شبیه‌سازی عددی به 22 مرحله ساخت تقسیم شد، مراحل ساخت مطابق شکل 8 مرتب شده‌اند.

   

   شکل 8

5. جابجایی کل خاک در (X, Y, Z)

   در مدل این مطالعه موردی، میدان جابجایی خاک مدل در ابتدا روی صفر تنظیم می‌شود. هدف اصلی جلوگیری از تأثیر میدان تنش اولیه درون‌سازه بر نتایج شبیه‌سازی است که به عنوان یک نقطه مرجع برای اندازه‌گیری تغییر در جابجایی خاک استفاده می‌شود. این مطالعه عمدتاً تأثیر حفاری و تأثیر ساخت طبقات فوقانی سازه بر سازه زیرزمینی و خاک را مورد بحث قرار می‌دهد.

   طبق نتایج نشان داده شده در شکل 9 و شکل 10، مشاهده می‌شود که پس از تکمیل ساخت، روند تغییر شکل گودال حفاری متقارن است، با حداکثر مقدار 29 میلی‌متر و 27 میلی‌متر در هر دو طرف. با افزایش عمق حفاری، تغییر شکل جانبی گودال حفاری به تدریج افزایش می‌یابد.

   

   شکل 9

   

   شکل 10

   با دور شدن خاک از گودال حفاری، جابجایی جانبی گودال حفاری به تدریج کاهش می‌یابد و در نهایت به صفر نزدیک می‌شود. حداکثر مقدار بازگشت حدود 27 میلی‌متر است. با افزایش عمق حفاری، جابجایی عمودی به تدریج افزایش می‌یابد و حداکثر جابجایی عمودی حدود 28.5 میلی‌متر است. به دلیل تخریب پایداری خاک اصلی پس از حفاری، خاک در کف گودال حفاری پس از حفاری بازگشت می‌کند. حداکثر مقدار بازگشت حدود 29 میلی‌متر است.

   جابجایی دیوارهای زیرزمینی

   ر روش ساخت از بالا به پایین، دیوار دیافراگم علاوه بر ایفای نقش حمایتی از گودال حفاری و تحمل بارهای وارده از سازه فوقانی، به عنوان یک مانع مؤثر در برابر نفوذ آب و خاک به داخل گودال عمل می‌کند. همچنین، این دیوارها نقش مهمی در کنترل تغییر شکل‌های ناپایدار شیب و کاهش نشست زمین ایفا می‌کنند. جابجایی افقی دیوار دیافراگم به عنوان یک شاخص کلیدی در ارزیابی عملکرد این دیوارها در طول فرآیند ساخت، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است و به طور مداوم تحت نظارت قرار می‌گیرد.

   شکل 11، منحنی تغییرات جابجایی افقی دیوار دیافراگم را در اعماق مختلف و در شرایط کاری گوناگون نشان می‌دهد. با توجه به رفتار تیر کنسولی در مرحله حفاری اولیه (4.15 متر)، بیشترین جابجایی افقی در بالای دیوار مشاهده می‌شود (0.001175 میلی‌متر). با پیشرفت حفاری و احداث طبقات فوقانی، جابجایی کلی دیوار افزایش می‌یابد.

   

   شکل 11

   با پیشرفت شرایط کاری مختلف و ریختن بتن، جابجایی بالای دیوار دیافراگم به دلیل سختی بالای بتن تغییر کمی می‌کند. بنابراین، هنگامی که حفاری گودال حفاری به پایین گودال حفاری می‌رسد، جابجایی دیوار دیافراگم به دلیل وجود بتن‌های کف زیرزمین بسیار کاهش می‌یابد. جابجایی دیوار دیافراگم بالای بتن کف زیرزمین کمتر از زیر آن است. مقاومت سختی افقی عظیم ستون سازه‌ای، جابجایی افقی دیوار زیرزمینی پیوسته را کاهش می‌دهد و نقش خوبی در مهار آن دارد. با افزایش طبقات فوقانی، جابجایی افقی اندکی افزایش می‌یابد و حداکثر جابجایی افقی در مرحله نهایی 0.02855 متر است. بنابراین، حفاری یک عامل مهم است که بر جابجایی دیوار تأثیر می‌گذارد.

   نشست ناشی از بارگذاری ستون‌های میانی

   کنترل نشست ستون‌های میانی پشتیبانی در روش ساخت از بالا به پایین از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. این ستون‌ها به دلیل کاهش مقاومت جانبی در حین حفاری و اعمال بارهای وارده از سازه، مستعد نشست بیش از حد هستند. در این مطالعه، سه نوع ستون پشتیبانی مختلف مورد بررسی قرار گرفت و نتایج نشان داد که ... (به شکل 12 مراجعه شود).

   

   شکل 12

   در مراحل حفاری، مقدار تغییر مکان به شدت افزایش می‌یابد، در حالی که در فازهایی که حفاری ندارند، مانند ریختن بتن سقف یا بارگذاری طبقات فوقانی سازه، تغییر مکان بسیار کوچک بود زیرا تقویت با ریختن بتن سقف ستون‌ها را قوی‌تر می‌کند، طول ستون را کاهش می‌دهد و به آن‌ها سفتی بیشتری می‌دهد. علاوه بر این، سفتی دیوار تأثیر قابل توجهی بر تغییر شکل ستون‌ها دارد.

   همانطور که در شکل 12 نشان داده شده است، منحنی‌های تغییر شکل مراحل مختلف اساساً پایدار هستند. با این حال، در مرحله 19، تغییر شکل به دلیل حفاری بسیار عمیق -7.3 متری به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. این مرحله بحرانی همچنین بیشترین تأثیر را بر دیوارها دارد، همانطور که در شکل 11 و شکل 9 نشان داده شده است. حداکثر تغییر مکان مرحله نهایی 0.0191 متر است (شکل 13).

   

   شکل 13

   تغییر مکان‌های عمودی ستون‌ها مقادیر مثبت هستند و هر ستون تحت تأثیر شرایط کاری مختلف دارای روند افزایشی رو به بالا است. وزن خود خاک در حین حفاری به طور مداوم به کف گودال فونداسیون آزاد خواهد شد که منجر به بازگشت خاک به کف گودال فونداسیون خواهد شد. علاوه بر این، در فرآیند حفاری گودال فونداسیون، خاک خارج از گودال فونداسیون بر دیوار دیافراگم زیرزمینی تأثیر خواهد گذاشت و باعث می‌شود دیوار دیافراگم به سمت گودال فونداسیون کج شود و خاک داخل گودال فونداسیون را فشار دهد که این نیز باعث بیرون زدگی زیرزمین خواهد شد. سفتی عضلانی کف بتنی نیز تأثیر متناظر بر تغییر مکان عمودی دارد.

   تأثیر طبقات فوقانی سازه

   نتایج تحلیل‌ها حاکی از آن است که ساخت طبقات فوقانی پس از تکمیل سازه‌های زیرزمینی، اثرات ناچیزی بر تغییر شکل‌های خاک و جابجایی‌های ایجاد شده در آن دارد. لذا با تقویت مناسب عناصر زیرزمینی و کنترل دقیق عملیات حفاری، می‌توان ساخت همزمان چندین طبقه فوقانی را بدون نگرانی از تأثیر بر اجزای زیرزمینی انجام داد.

6. نتیجه‌گیری

   این مطالعه پروژه فاز دوم نانجینگ جینمائو بین‌المللی پلازا را به عنوان یک مطالعه موردی با استفاده از روش ساخت از بالا به پایین و نرم‌افزار تحلیل المان محدود ژئوتکنیک PLAXIS 3D 2018 انجام می‌دهد. تأثیرات ساخت و سازهای مختلف بر روند پروژه به شرح زیر است:

   با تخلیه حفاری، جابجایی افقی دیوار دیافراگم زیرزمینی به تدریج به سمت گودال حفاری افزایش می‌یابد و روند تغییر به سمت گودال حفاری متمایل است. پس از مرحله اول حفاری و قبل از ریختن بتن کف، تغییر شکل زیاد است.

   تغییر شکل افقی و نشست دیوار دیافراگم زیرزمینی همزمان رخ می‌دهند و با افزایش فاصله از زمین به تدریج کاهش می‌یابد. جابجایی عمودی نزدیک لبه گودال حفاری تحت شرایط مختلف فرآیند به طور قابل توجهی تغییر می‌کند.

   از نتایج می‌توان مشاهده کرد که در صورت انجام ریختن بتن کف زیرزمینی و تقویت قبل از حفاری عمیق، تأثیر بر تغییر شکل و نشست هنگام اضافه کردن طبقات فوقانی سازه در حین ساخت حداقل است؛ بنابراین، اگر ساخت گودال حفاری به دلیل شرایط محل ساخت و ساز در شهرها و مناطق پرجمعیت متوقف و به تأخیر بیفتد، می‌توان طبقات فوقانی سازه را پس از مطالعه خواص خاک پروژه اضافه کرد.

   کار نظارت بر مهندسی ژئوتکنیک باید با دقت تنظیم شود تا ساخت شمع و گودال حفاری به طور روان انجام شود و ساخت اطلاعات برای اطمینان از ایمنی گودال حفاری و کارهای اطراف انجام شود.