فوندانسیون چیست و انواع فونداسیونها
فوندانسیون چیست و انواع فونداسیون ها، یا پی ساختمان یکی از مهمترین بخشهای هر سازه است که نقش پایه و اساس ساختمان را ایفا میکند. انتخاب صحیح نوع فوندانسیون نه تنها باعث افزایش پایداری و طول عمر ساختمان میشود، بلکه از ترکخوردگی، نشست یا آسیبهای جدی به سازه جلوگیری میکند. فوندانسیونها به دو دسته اصلی سطحی (Shallow Foundation) و عمیق (Deep Foundation) تقسیم میشوند که هر کدام بسته به شرایط خاک، وزن ساختمان و نوع سازه کاربرد خاص خود را دارند. درک صحیح انواع فوندانسیونها برای مهندسان، معماران و حتی خریداران و علاقهمندان به ساختمانسازی ضروری است، زیرا پایهای محکم باعث امنیت و آرامش ساکنان میشود.
انواع فونداسیونها
فونداسیون (پی) بخش کلیدی هر سازه است که بارهای وارده از سازه را به زمین منتقل میکند. انتخاب نوع فونداسیون به عواملی مانند نوع خاک، بار سازه، شرایط محیطی، بودجه پروژه و الزامات طراحی بستگی دارد. این جزوه به بررسی انواع فونداسیونها، ویژگیها، کاربردها، مزایا، معایب، نکات اجرایی و یک مثال عددی کاملتر برای هر نوع میپردازد. مثالها با فرمولهای آییننامههای مربوطه (مانند مبحث 7 و 9 مقررات ملی ساختمان ایران، ACI 318-19 و Eurocode 7) گسترش یافتهاند تا درک عملیتری ارائه دهند. رفرنسها از منابع معتبر استخراج شدهاند.
فونداسیون یا پی، بخش اصلی و حیاتی هر سازه است که وظیفه انتقال بار ساختمان به زمین را بر عهده دارد. انتخاب نوع فونداسیون — چه سطحی مانند پی نواری و گسترده، و چه عمیق مانند شمع و شالوده — به شرایط خاک، نوع سازه و بارهای وارده بستگی دارد. درک دقیق رفتار فونداسیونها برای طراحی ایمن و اقتصادی سازه ضروری است. در دوره جامع محاسبات عمران نظام مهندسی – قبولی تضمینی ۱۴۰۴ تمامی مباحث مرتبط با طراحی و محاسبه انواع پیها بهصورت کاربردی و با مثالهای واقعی آموزش داده میشود تا مهندسان بتوانند با اطمینان کامل در آزمون محاسبات نظام مهندسی پذیرفته شوند و در پروژههای اجرایی عملکرد حرفهایتری داشته باشند.
فونداسیون سطحی (Shallow Foundation)
فونداسیونهای سطحی در عمق کم (معمولاً کمتر از 3 متر) اجرا میشوند و برای سازههایی با بار سبک تا متوسط و خاک با ظرفیت باربری مناسب مناسباند. این فونداسیونها به دلیل سادگی اجرا و هزینه کمتر، در پروژههای کوچک و متوسط بسیار رایج هستند. طراحی آنها بر اساس ظرفیت باربری خاک (از مبحث 7 مقررات ملی ساختمان ایران)، کنترل برش و خمش (از مبحث 9 یا ACI 318) و نشست مجاز انجام میشود.
1.1. پی منفرد (Isolated Footing)
توضیحات:
پی منفرد برای انتقال بار یک ستون به زمین استفاده میشود. این پیها معمولاً به شکل مربع، مستطیل یا دایره طراحی شده و بار ستون را بهصورت متمرکز به خاک زیرین منتقل میکنند. طراحی پی منفرد به ظرفیت باربری خاک، ابعاد ستون و بارهای وارده بستگی دارد.
کاربردها:
- ساختمانهای مسکونی کمارتفاع (1 تا 3 طبقه).
- سازههای صنعتی با ستونهای مجزا.
- سازههای سبک در خاکهای با ظرفیت باربری بالا.
مزایا:
- اجرای سریع و اقتصادی.
- مناسب برای خاکهای مقاوم با نشست کم.
- نیاز به تجهیزات ساده.
معایب:
- نامناسب برای خاکهای سست یا بارهای سنگین.
- محدودیت در استفاده برای ستونهای نزدیک به هم.
نکات اجرایی:
- خاک زیر پی باید کاملاً کوبیده و یکنواخت شود.
- ابعاد پی باید تنش وارد بر خاک را کمتر از ظرفیت مجاز خاک نگه دارد.
- استفاده از بتن مسلح با آرماتورهای مناسب برای تحمل خمش و برش ضروری است.
1.2. پی نواری (Strip Footing)
توضیحات:
پی نواری برای انتقال بار دیوارهای باربر یا ردیفی از ستونهای نزدیک به هم استفاده میشود. این پیها بهصورت نوارهای طولی بتنی اجرا شده و بار را بهصورت خطی به خاک منتقل میکنند. عرض و عمق پی به بار دیوار و ظرفیت خاک بستگی دارد.
کاربردها:
- دیوارهای باربر در ساختمانهای مسکونی.
- دیوارهای حائل یا دیوارهای زیرزمین.
- سازههایی با ستونهای نزدیک به هم.
مزایا:
- توزیع یکنواختتر بار نسبت به پی منفرد.
- مناسب برای سازههای طویل مانند دیوارها.
- هزینه اجرای نسبتاً پایین.
معایب:
- نامناسب برای خاکهای با نشست زیاد یا سست.
- نیاز به تراکم مناسب خاک زیر پی.
نکات اجرایی:
- عرض پی باید متناسب با بار و ظرفیت خاک باشد.
- آرماتورهای طولی و عرضی برای مقاومت در برابر خمش و برش ضروریاند.
- خاک زیر پی باید عاری از مواد آلی و کاملاً کوبیده شود.
1.3. پی گسترده (Mat/Raft Foundation)
توضیحات:
پی گسترده یا رادیه کل سطح زیر سازه را بهصورت یک دال بتنی بزرگ پوشش میدهد و بار را بهصورت یکنواخت در سطح وسیعی از خاک توزیع میکند. این نوع پی برای خاکهای ضعیف یا سازههای سنگین مناسب است و از نشست غیریکنواخت جلوگیری میکند.
کاربردها:
- برجها و ساختمانهای بلند.
- خاکهای سست یا با نشست غیریکنواخت.
- سازههای صنعتی سنگین مانند سیلوها یا مخازن.
مزایا:
- کاهش تنشهای موضعی در خاک.
- افزایش پایداری کلی سازه.
- مناسب برای خاکهای ناهمگن.
معایب:
- هزینه بالا به دلیل حجم زیاد بتن و آرماتور.
- نیاز به طراحی و اجرای دقیق.
نکات اجرایی:
- ضخامت دال باید متناسب با بار و ظرفیت خاک باشد.
- آرماتورهای دوجهته برای مقاومت در برابر خمش و برش ضروریاند.
- درزهای انبساط برای کنترل ترکخوردگی بتن استفاده میشوند.
1.4. پی مرکب (Combined Footing)
توضیحات:
فونداسیون مرکب به مجموعهای از دو فونداسیون منفرد گفته میشود. پی مرکب برای دو یا چند ستون نزدیک به هم که امکان استفاده از پی منفرد برای آنها وجود ندارد، استفاده میشود. این پیها بار چند ستون را بهصورت ترکیبی به خاک منتقل کرده و معمولاً به شکل مستطیل یا ذوزنقه اجرا میشوند.
کاربردها:
- ستونهای نزدیک به مرز زمین یا دیوارهای مجاور.
- سازههایی با ستونهای نزدیک به هم (فاصله کمتر از دو برابر عرض پی).
مزایا:
- بهینهسازی فضا و کاهش تعداد پیها.
- مناسب برای شرایط خاص طراحی.
معایب:
- طراحی پیچیدهتر نسبت به پی منفرد.
- هزینه بالاتر نسبت به پی منفرد.
نکات اجرایی:
- مرکز ثقل پی باید با مرکز ثقل بارهای ستونها همراستا باشد.
- آرماتورگذاری برای تحمل لنگرهای خمشی ضروری است.
1-5 پی عمیق (شمعی)
پی شمعی نوعی فونداسیون عمیق است که بار ساختمان را از طریق ستونهای بلند و باریک (شمع) به لایههای عمیق و مقاوم زمین منتقل میکند. این روش زمانی استفاده میشود که خاک سطحی ضعیف، شل یا ناپایدار باشد و نتواند وزن سازه را تحمل کند. شمعها میتوانند از بتن، فولاد یا چوب ساخته شوند و به صورت کوبیده، حفاریشده یا پیشساخته در زمین قرار میگیرند.
1-5-1 دلایل استفاده از شمع در سازهها
- ضعف خاک سطحی
شمعها بار را به لایههای محکمتر و عمیقتر خاک منتقل میکنند
- جلوگیری از نشستهای زیاد یا نامتقارن
در ساختمانهای سنگین یا نامتعادل، شمع باعث میشود نشست یکنواخت و کنترلشده باشد و از ترکخوردگی سازه جلوگیری شود.
وجود سطح آب زیرزمینی بالا
در مناطقی با آب زیرزمینی زیاد، اجرای پی سطحی دشوار است و شمع میتواند از زیر آب اجرا شود.
- انتقال بارهای سنگین
سازههای سنگین مانند برجها، پلها، سیلوها و نیروگاهها نیاز به شمع دارند تا بارها به اعماق زمین منتقل شود.
مقاومت در برابر نیروهای جانبی
شمعها پایداری جانبی ایجاد میکنند و برای پلها، اسکلهها یا سکوهای نفتی مهم هستند.
جلوگیری از لغزش یا رانش خاک
در شیبها یا خاکهای ناپایدار، شمعها مانند میخ عمل میکنند و پایداری شیب را افزایش میدهند
شرایط خاص ژئوتکنیکی
خاکهای قابل انبساط، ریزدانه، نیاز به شمع دارند، زیرا پی سطحی مناسب نیست.
1-5-2 کاربردهای پی شمعی
- سازههای سنگین و مرتفع (برجها، نیروگاهها، سیلوها)
- پلها، اسکلهها و سکوهای نفتی
- مناطق با خاک سطحی ضعیف یا ناپایدار
- خاکهای باتلاقی، توربی یا ریزدانههای ضعیف
- سازههایی در مناطق با سطح آب زیرزمینی بالا
- مکانهایی با خطر نشست نامتقارن یا زیاد
1-5-3 معایب پی شمعی
- هزینه و زمان اجرای زیاد نسبت به پی سطحی
- نیاز به تجهیزات خاص (کوبنده، حفاری، قالببندی)
- احتمال آسیب به شمعها در حین کوبیدن یا حفاری
- ایجاد صدا و لرزش زیاد در محیط اجرای شمعهای کوبیده
- نیاز به نظارت دقیق ژئوتکنیکی و محاسبات دقیق
1-5-4 نکات اجرایی پی شمعی
- انتخاب نوع شمع (بتنی، فولادی، چوبی) متناسب با بار و شرایط خاک
- بررسی و آزمایش خاک قبل از اجرا برای تعیین طول و تعداد شمعها
- رعایت حداقل پوشش بتنی و آرماتور در شمعهای بتن مسلح
- کنترل عمق و تراکم شمعها هنگام کوبیدن یا قالببندی
- هماهنگی با طراحی سازه برای انتقال بار صحیح به شمعها
- نظارت مستمر بر نشست و عملکرد شمعها پس از اجرا
1-5-5 طبقه بندی شمعها بر اساس روش نصب
شمعها از لحاظ روش نصب در سه گروه زير طبقه :شوند
الف) شمعهای با جابجایی بزرگ
شمعهاي با جابجايي بزرگ كه نصب آنها در زمين همراه با جابجايي زياد در خاک مجاور (و وقوع پديده انبساط حفره) است و شامل موارد زیر است :
ب) شمع فولادی یا بتنی پیش ساخته و نوک بسته (ته بسته)
شمع توخالي كه در حين كوبش توده خاک در داخل آن قفل شود و مانع ورود خاک گردد
پ) شمعهای با جابجایی کوچک
شمعهاي با جابجايي كوچك كه نصب آنها در زمين، خاک اطراف را زياد جابجا نمیشود
- شمع فولادي يا بتني جدار نازک پيش ساخته (و يا پيشتنيده ) با مقطع توخالي نوکباز كه به هنگام نصب، توده خاک درون آن قفل نگردد. شمع بتني درجا همراه با غلاف فولادي، چنانچه غلاف فولادي نوک باز ابتدا به صورت كوبش اجرا و سپس داخل آن تخليه و بتن ريزي شود
- شمع فولادي با مقاطع H و I شكل
ت) شمعهای بدون جابجایی
شمعهاي بدون جابجايي كه نصب آنها در زمين، خاک اطراف را جابجا نميباشد كند و شامل موارد زير میباشد:
- شمع بتني درجاريز
- قرار دادن شمع بتني پيشساخته در داخل چاه حفر شده و پر كردن اطراف آن با بتنريزي يا تزريق ملات سيمان
جدول زیر راهنمای مناسبی برای انتخاب نوع شمع میباشد :
2- عوامل مؤثر در انتخاب نوع فونداسیون
نوع خاک:
-
- ظرفیت باربری، نوع خاک (رسی، ماسهای، سنگی) و سطح آب زیرزمینی از عوامل کلیدیاند.
- آزمایشهای ژئوتکنیکی مانند SPT یا CPT برای ارزیابی خاک ضروری است.
بار سازه:
-
- وزن سازه، نوع بار (استاتیکی یا دینامیکی) و توزیع بارها بر انتخاب فونداسیون تأثیر میگذارد.
شرایط محیطی:
-
- زلزلهخیزی، یخبندان، رطوبت و تغییرات دمایی در طراحی نقش دارند.
هزینه و زمان اجرا:
-
- بودجه و محدودیتهای زمانی میتوانند نوع فونداسیون را محدود کنند.
الزامات طراحی:
-
- استانداردهای مهندسی (مانند آییننامه 2800 ایران یا ACI) باید رعایت شوند.
3- آرماتورهای مورد استفاده در فونداسیونها
از آنجایی که بتن در فشار قوی ولی در کشش ضعیف است، برای تأمین مقاومت کششی از میلگرد )آرماتور( استفاده میشود. آرماتورها نقش اساسی در تحمل نیروهای کششی و جلوگیری از ترک خوردگی بتن دارند.
3-1 آرماتورهای اصلی (کششی یا فشاری )
در دو جهت عمود بر هم قرار داده میشوند و معمولاً در پایینترین بخش فونداسیون بسته میشوند. قطر آنها معمولاً بین 12 تا 25 میلیمتر است و فاصله آنها بین 15 تا 20 سانتیمتر تنظیم میشود.
3-2 آرماتورهای فرعی
عمود بر میلگردهای اصلی قرار میگیرند و باعث پخش یکنواخت بار و جلوگیری از ترکهای موضعی میشوند. قطر معمول آنها بین 8 تا 12 میلیمتر است.
3-3 آرماتورهای تقویتی
در نواحی خاص مانند زیر ستونها، اطراف بازشوها و لبههای فونداسیون برای افزایش مقاومت استفاده میشوند.
3-4 خاموت ها
در فونداسیونهای نواری یا شناژها استفاده میشوند و نقش آنها مقاومت در برابر برش و پیچش و نگهداری میلگردها در جای خود است.
4- نحوه چیدمان آرماتورها در انواع فونداسیون
5- نیروها و اثراتی که فونداسیون براساس آن طراحی میشود
فونداسیون باید بتواند تمام نیروهایی را که از سازه بالایی میگیرد، بهصورت ایمن به خاک منتقل کند. این نیروها معمولاً به چند دسته تقسیم میشوند:
بارهای قائم (عمودی)
الف) بارهای مرده (Dead Loads)
- وزن خود سازه شامل: تیر، ستون، دیوار، سقف، کف و خود فونداسیون.
- این بار ثابت و دائمی است.
- مثلاً وزن بتن، آجر، ملات، و پوششها.
- در طراحی فونداسیون، مجموع بار مرده ستونها نقش اساسی دارد.
ب) بارهای زنده (Live Loads)
- بارهایی که در طول عمر سازه ممکن است تغییر کنند:
مثل وزن افراد، وسایل، ماشینآلات، مبلمان، یا برف روی سقف. - این بارها توسط ستونها به پی منتقل میشوند.
- فونداسیون باید طوری طراحی شود که تنشهای ناشی از مجموع بارهای مرده و زنده از ظرفیت باربری خاک (Bearing Capacity) بیشتر نباشد.
نیروهای افقی (جانبی)
این نیروها باعث حرکت یا لغزش فونداسیون روی خاک میشوند و باید در طراحی لحاظ شوند:
الف) نیروی باد (Wind Load)
- در ساختمانهای بلند یا دارای سطح زیاد در ارتفاع (مانند برجها و سولهها)، نیروی باد قابل توجه است.
- نیروی باد از طریق تیرها و ستونها به پی منتقل میشود.
- فونداسیون باید بتواند در برابر لغزش یا واژگونی ناشی از این نیرو مقاومت کند.
ب) نیروی زلزله (Seismic Load)
- در مناطق لرزهخیز، زلزله یکی از مهمترین پارامترهای طراحی است.
- نیروهای افقی و قائم ناشی از زلزله از طریق ستونها به فونداسیون منتقل میشوند.
- طراحی فونداسیون باید به گونهای باشد که بتواند تغییرمکانها و نیروهای دینامیکی را تحمل کند بدون جدا شدن از خاک یا لغزش.
لنگر خمشی (Moments)
- بر اثر خارج از مرکز بودن بار ستون یا نیروی جانبی (مثل باد یا زلزله)، لنگر خمشی در پایه ستون ایجاد میشود.
- این لنگر باعث میشود فونداسیون تمایل به چرخش داشته باشد.
- بنابراین پی باید به اندازه کافی بزرگ یا سخت باشد تا این لنگر را تحمل کند بدون اینکه یک سمت آن از خاک جدا شود.
- در فونداسیونهای متصل (مثل پی نواری یا گسترده)، این لنگرها بین پیها پخش میشوند.
نیروهای برشی (Shear Forces)
- در محل تماس فونداسیون با خاک و در مجاورت ستونها، نیروی برشی به وجود میآید.
- طراحی برش در فونداسیونها برای جلوگیری از شکست پانچ (Punching Shear) و برش یکطرفه (One-way Shear ) انجام میشود.
- برش پانچ: وقتی ستون به داخل پی “فرو” میرود (در پیهای گسترده و ضخیم).
- برش یکطرفه: در امتداد عرض پی، معمولاً در زیر ستونها و کنارهها.
نیروهای کششی (Tension)
- در مواردی خاص ممکن است بخشی از فونداسیون تحت نیروی کششی قرار گیرد، مثلاً:
- هنگام زلزله یا باد قوی که باعث واژگونی سازه میشود.
- در فونداسیون دکلها، تانکها یا سازههای سبک ولی مرتفع.
- در این حالت، بتن بهتنهایی کافی نیست و باید از میلگردهای کششی یا بولتهای مهاری (Anchor bolts) استفاده شود.
تنش خاک
خاک به فونداسیون واکنش فشاری وارد میکند.
- این واکنش باید با تنش مجاز خاک (q_allowable) تطابق داشته باشد.
- توزیع این تنش معمولاً خطی یا غیرخطی است، بسته به نوع خاک و موقعیت بار.
به طور کلی :
فونداسیون بر اساس ترکیبی از نیروهای زیر طراحی میشود:
- P (بار عمودی)
- H (بار جانبی)
- M (لنگر خمشی)
- V (نیروی برشی)
- تنش خاک
در نهایت هدف طراحی این است که:
- تنشهای زیر پی ≤ مقاومت مجاز خاک
- تنشهای داخل بتن و فولاد ≤ مقاومت مصالح
- نشستها و دورانها ≤ حدود مجاز آییننامهای
بعد از بررسی انواع پیها و نقش هر یک در انتقال بار سازه به زمین، لازم است به یکی از روشهای اجرایی نوین در ساختوساز شهری اشاره شود که بهصورت مستقیم با نوع و عملکرد پی، بهویژه پیهای عمیق، در ارتباط است. در پروژههایی که عمق گودبرداری زیاد بوده و تعداد طبقات زیرزمین بالا است، استفاده از پیهای سطحی بهدلیل محدودیت ظرفیت باربری، نشست زیاد و مشکلات پایداری جدارهی گود عملاً امکانپذیر نیست.
در چنین شرایطی، انتخاب و بهکارگیری پیهای عمیق مانند شمعها (Pile) و دیوارهای دیافراگمی (Diaphragm Walls) بهعنوان اجزای اصلی سیستم پی و نگهدارندهی گود، ضروری میشود.
این نوع پیها علاوه بر انتقال بارهای قائم به لایههای مقاومتر زمین، نقش مؤثری در حفظ پایداری جانبی خاک دارند و بستری مناسب برای اجرای روشهای مدرن ساخت فراهم میکنند. یکی از مهمترین روشهایی که بهصورت مستقیم از این نوع پیها بهره میگیرد، روش تاپدان (Top-Down) است.
در این روش، با اتکا به مقاومت و پایداری حاصل از دیوارهای دیافراگمی و شمعها، امکان اجرای همزمان طبقات فوقانی و زیرزمینی فراهم میشود.
بنابراین، روش تاپدان را میتوان راهکاری کارآمد برای استفادهی بهینه از پیهای عمیق در پروژههای دارای گودبرداری عمیق و محدودیت فضایی دانست.
6- روش اجرای بالا-پایین (Top-down)
فلسفه به کارگیری روش بالا-پایین در ساخت ساختمانها و پایدارسازی گودهای ساختمانی، استفاده از سازه اصلی برای پایدارسازی دیواره گود است.
به عبارت دیگر در این روش، در دوره ساخت نیز مشابه زمان بهره برداری، خاک به سازه اصلی تکیه میکند و از ظرفیت سازه اصلی برای پایداری دیواره خاکی بهرهبرداری میشود. بدین ترتیب اجزای سازهای اختصاصی برای محافظت موقت از خاک وجود ندارد. به علت سختی بالای سازه، در روش بالا-پایین تغییرشکلهای ایجاد شده در اطراف گود کاهش مییابد.
اندازه گیریهای گسترده میدانی و تحلیلهای عددی مختلف نشان میدهد، با توجه به سختی بسیار زیاد سقفها، روش بالا-پایین در کنترل تغییرشکلهای دیواره گود و نیز نشست زمین اطراف مؤثر است و کمترین مقدار تغییرشکل را منجر میشود. از این رو روش اجرای بالا-پایین یکی از ایمنترین روشهای گودبرداری و ساخت سازه برای محیطهای متراکم و حساس شهری محسوب میگردد
این روش در استاندارد کشور انگلستان،( BS:8002 2015) به عنوان یک روش محافظت از دیوارههای خاکی معرفی شده است. در استانداردها، آیین نامهها و سایر ضوابط فنی در جهان، در این خصوص مطالبی مشاهده نشده است
6-1 مزیتهای روش بالا-پایین
عملکرد ساختمانی
روش اجرای بالا-پایین از مزیت مهمی در عملکرد ساختمانی پروژه و کاربری آن برخوردار است. با توجه به امکان احداث زود هنگام طبقات همکف و بالاتر از همکف، امکان بهره برداری مرحلهای و زودهنگام از این طبقات وجود خواهد داشت.
این امکان میتواند مزایای قابل توجه اقتصادی و اجتماعی در پی داشته باشد. به عبارت دیگر، با شکلگیری زود هنگام نمایانترین بخش یک ساختمان، امکان بازاریابی و فروش پروژه وجود دارد و تاثیر قابل توجهی در اقتصاد پروژه خصوصا در پروژههای تجاری و اداری خواهد داشت.
در صورت وسیع بودن پروژه، امکان بهره برداری مرحلهای نیز فراهم خواهد بود. همچنین امکان بهرهبرداری ترافیکی یا بازگشایی معابر اطراف، پارک خودرو، دپو مصالح و نظایر آن میتواند آثار اجتماعی بسیار سودمندی ایجاد نماید. عموماً در پروژههای با طبقات زیاد مثبت و منفی و یا کاربری تجاری، این مزیت روش اجرای بالا-پایین بسیار چشمگیر میباشد.
ایمنی
روش اجرای بالا-پایین به عنوان یک روش جایگزین گودبرداری، ذاتاً از عملکرد بسیار ایمنی برخوردار است، به طوری که در گروه ایمن ترین روشهای گودبرداری جای میگیرد. به زبان ساده در این روش قبل از عملیات خاکبرداری، احداث سازه نگهدارنده خاک آغاز شده و در اغلب موارد احداث سازه مقدم بر خاکبرداری در هرمرحله است.
البته سازه اجرا شده در طول عملیات خاکبرداری، سازه نهایی نیست و به تدریج سازه نهایی شکل میگیرد. بررسی نتایج پایش پروژههای اجرا شده با روش بالا-پایین نشان میدهد تغییرشکلهای ناشی از گودبرداری در مقایسه با سایر روشهای گودبرداری کوچکتر است. البته شایان توجه است که ماهیت ایمن روش اجرای باالا-پایین، منتج از طراحی، اجرا و نظارت صحیح است و ایمن بودن روش نباید منجر به سهلانگاری در رعایت اصول اساسی بهکارگیری این روش شود.
کاهش هزینه
مهمترین مزیت روش اجرای بالا-پایین از نظر هزینه، حذف هزینههای پایدارسازی موقت گود است. البته هزینههای ناشی از الگوی اجرای معکوس، به هزینههای احداث سازه متداول اضافه میگردد.
غالباً استفاده از روش اجرای بالا-پایین، در مجموع هزینههای پایدارسازی گود و احداث سازه، منجر به کاهش هزینه میگردد. البته این کاهش هزینه الزاماً در تمام پروژهها وجود ندارد و میزان اختلاف هزینه متناسب با شرایط مختلف تغییر میکند. اما در یک اظهار نظر کلی در اغلب موارد می توان انتظار این کاهش سرجمع را داشت.
کاهش زمان ساخت
درباره مزیتهای زمانی روش اجرای بالا-پایین، اظهار نظر کلی چندان ممکن نیست. به عبارت دیگر، اینکه روش اجرای بالا-پایین منجر به کاهش زمان اجرای پروژه میگردد یا نه، به عواملی همچون تجهیزات به کار گرفته شاده، فرآیند طراحی شده برای اجرا، به ویژه در بخش عملیات خاکی، اجرای روش بالا-پایین بهصورت کامل (دو سویه به بالا و پایین)، اعمال مدیریت دقیق کارگاهی به ویژه در فصل مشترکهای اجرایی، تعداد طبقات مثبت و منفی، شرایط ژئوتکنیکی و زیرسطحی پروژه وابسته است.
از بین این عوامل، اجرای بالا-پایین کامل و دو سویه در طبقات مثبت و منفی به طور همزمان و نیز برنامهریزی انجام عملیات خاکی به شکل مناسب، نقش بسیار تاثیرگذاری در بهینه کردن زمان پروژه دارند. به بیان دیگر اگر این دو عامل رعایت گردد، در اغلب موارد روش بالا-پایین منجر به کاهش زمان اجرا خواهد شد
کاهش مشکلات حقوقی
روشهایی که بتوان با آنها گودهای عمیق را پایدارسازی نمود، محدود هستند. در برخی روشهای متداول مانند میخکوبی و مهاربندی، بخشی از اجزای سازه نگهبان وارد زمینهای اطراف پروژه میشود. براساس قانون مدنی کشور، مالکیت زمین مستلزم مالکیت فضای بالا و پایین آن زمین میباشد.
بنابراین ورود اجزای پایدارسازی گود به محدوده زمینهای همجوار، نیازمند کسب رضایت همسایهها است. در سالهای اخیر ورود به حریم همجواریها باعث ایجاد مشکلات حقوقی برای پروژهها شده و گاهی کسب رضایت از همسایگان، زمانبندی پروژه را تغییر داده و هزینه های اضافی به کارفرما تحمیل کرده است. در روش بالا-پایین، هیچ یک از اجزاء پایدارسازی، خارج از محدوده زمین پروژه نیست و از اینرو استفاده از این روش در چنین پروژههایی به عنوان راهکاری مناسب و کم هزینه برای اجرا به شمار میرود.
6-2 محدودیتهای روش اجرای بالا-پایین
در کنار مزایای اشاره شده، روش اجرای بالا-پایین محدودیتهایی نیز دارد. یکی از محدودیتهای اصلی روش اجرای بالا-پایین، ناشی از فضای محدود کار زیرزمینی است که بسیاری از رویههای اجرایی میبایست متناسبسازی و تغییر داده شود.
در کار زیرزمینی دقت در عملیات کاهش مییابد و حفظ دقت مستلزم استفاده از تجهیزات خاصتری میباشد که لزوماً به سادگی در دسترس نیست. بنابراین اجرا و ساخت سازه با رعایت رواداریهای مجاز در روش متعارف ساخت، در بخش زیرسازه به راحتی امکانپذیر نیست و این روش اجرا مستلزم رواداریهای مجاز بزرگتری میباشد. اگرچه در خصوص میزان رواداریهای اجرایی در روش بالا- پایین هیچ مستند و منبع علمی شناسایی نشده است، لیکن طراحان و مجریان این روش، باید با آگاهی از این ویژگی ذاتی دست به انتخاب روش بزنند
محدودیت دیگر روش اجرای بالا-پایین در اجرای ساختمان در مناطق شهری است. کار در عمق زمین و در مساحت محدود، صعوبت اجرایی بیشتری دارد و برای زمینهای خیلی کوچک و خیلی عمیق، این روش قابلیت کمتری خواهد داشت. در فضای محدود، راندمان تجهیزات و ماشین آلات کاهش می-یابد و عملیات اجرایی کُند شده و گاهی این محدودیت منجر به کاهش کیفیت میگردد.
آب زیرزمینی همواره باعث صعوبت عملیات اجرایی در زیر سطح زمین است. لیکن در اجرای بالا-پایین، به علت ماهیت پیچیدهتر آن، وجود آب زیرزمینی دشواری مضاعف را در پی دارد. گِل شدن خاک، کاهش راندمان ماشاین آلات در زیر سقف طبقات، تخلیه سختتر خاک و چسبیدن آن به مخزن خاک، لزوم مهار آب و تخلیه آن و نیز اضافه شدن فرآیند آببندی و زهکشی در شرایط محدود کاری زیرزمین، از سختیهای عملیات اجرایی این روش در حضور آب زیرزمینی است.
روش بالا-پایین نیازمند یک بازشو با ابعاد مناسب برای تخلیه خاک و ارسال ماشین آلات است. بنابراین باید امکان تامین این بازشو در پروژه وجود داشته باشد. موقعیت بازشو و مشخصات آن کاملاً وابسته به روش و تجهیزات مورد استفاده برای تخلیه خاک است.
در روش اجرای بالا-پایین سازه به صورت تدریجی ساخته میشود. بنابراین درزهای اجرایی متعددی وجود خواهد داشت. اگرچه رعایت اصول فنی اجرای درز سرد ضروری است، لیکن با این وجود، تعدد درزهای اجرایی خصوصاً در شرایط حضور آب، ریسک نفوذ آب را بالا میبرد. در صورت وجود تیر فولادی در سازه زیرزمین، انتقال و جابجایی تیر یا هر نوع اجزاء سنگین سازهای دیگر، بهعلت محدودیت کار جرثقیل در زیر سقف، در طبقات منفی، با دشواری زیادی همراه خواهد بود. بر اسااس محدودیتهای اشاره شده، لازم است امکانپذیری اجرای بالا-پایین قبل از انتخاب این روش اجرا، برای هر سازه بهطور مستقل صورت گیرد
6-3 مراحل روش ساخت بالا-پایین
به طور کلی اجرای سازه بهروش بالا-پایین شامل بخشهای مختلفی به شرح ذیل است :
الف) حفاری محل نصب اجزای قائم باربر (چاه یا ترانشهکنی)
ب) اجرای اجزاء قائم باربر (ستونهای سازه، دیوار حائل مدفون)
پ) عملیات خاکی زیرزمینی
ت)اجرای سازه در زیرزمین
ث)اجرای سازه در طبقات روی زمین
د) ساخت زیرزمینی و از بالا-پایین اجزای مختلف سازه
6-3-1 حفاری محل نصب اجزای قائم باربر (چاه یا ترانشهکنی)
اولین گام از اجرای سازه به روش بالا-پایین، حفاری محل اجزای باربر قائم، شامل ستونها و دیوار حائل مدفون در صورت نیاز میباشد. بسته به نوع اجزای سازهای، روشهای مختلفی برای حفاری وجود دارد. حفاری را میتوان به صورت دستی و با نیروی کار انسانی یا به کمک ماشین آلات به شکل چاه یا ترانشه انجام داد. انتخاب ماشین آلات بستگی به نوع و شکل اجزای باربر قائم، شرایط ژئوتکنیکی، ابعاد پروژه، ماشین آلات در دسترس و شرایط اقتصادی پروژه دارد.
6-3-2 اجرای اجزاء قائم باربر (ستونهای سازه، دیوار حائل مدفون)
در روش اجرای بالا-پایین، تمام اجزای قائم باربر که شامل ستونها و تمام یا بخشی از دیوار حائل سازه میباشد، بر پی اولیهای استقرار مییابد. پی اولیه سازه بالا-پایین، اغلب شمعهای بتنی منفرد میباشد و تمامی بارهای مرده، بارهای ناشی از فشار خاک و بارهای زنده، حین اجرای سازه به وسیله این شمعها به زمین منتقل میگردد. بنابراین ظرفیت باربری و نشست آنها باید در حد مجاز آییننامهای باشد. بنابراین پس از حفاری چاهها، مرحله بعدی اجرا در روش ساخت بالا-پایین، اجرای پی اولیه میباشد. پی اولیه اگرچه ممکن است لزوماً شمع نباشد و میتواند بصورت پی منفرد اجرا شود، لیکن به علت حساسیت کنترل نشستها، عملکرد منفرد آنها و دشواری کنترل کیفیت در چاه، ترجیح به استفاده از شمع است. اهمیت طراحی و عملکرد پی اولیه بیشتر از پی نهایی است، چراکه سازه در دوره ساخت به نشست حساستر است
6-3-2-1 اجرای پی اولیه
همانطور که اشاره شد، در روش بالا-پایین، یک پی اولیه وظیفه انتقال بارها به زمین در دوره ساختمان و تا قبل از تکمیل خاکبرداری و فراهم شدن امکان اجرای پی اصلی سازه را بر عهده دارد. در این بخش مراحل اجرای پی اولیه سازه تشریح میگردد. بدیهی است اتصال سازه به پی اصلی و دائمی سازه و انتقال بارها به آن مستلزم رعایت نکاتی طی فرانید اجرای میباشد. با عنایت به اینکه پی اولیه اغلب و ترجیحاً از نوع شمع میباشد،
6-3-3 عملیات خاکی زیرزمینی
در اجرای سازه بهروش بالا-پایین، سرعت عملیات تحت تاثیر بسیار زیاد میزان بهرهوری در عملیات خاکی و ساخت طبقات زیرزمین است. عملیات خاکبرداری در این روش در زیر سقف طبقات زیرزمین انجام میشود. خاکهای کَنده شده باید به سمت خروجی یا خروجیهای تعبیه شده در سقف حمل گردد. تداخل جبهه های کاری بین تکمیل اجزای سازهای در طبقات زیرزمین و انجام خاکبرداری سبب میشود عملیات خاکبرداری در اجرا به روش بالا-پایین پیوسته نباشد. بنابراین تلاش برای بهینهسازی انجام عملیات خاکبرداری از موضوعات مهم و مورد توجه پژوهشگران در این حوزه است
بهطور کلی در روش ساخت بالا-پایین انجام عملیات خاکی دارای سه مرحله است که هریک با ماشین آلات مناسب و الگوی خاص خود انجام میشود. مرحله اول، کَندن خاک در زیر سقف اجرا شده زیرزمینها و در فضای کاری محدود مابین اجزای سازهای است. مرحله دوم، حمل خاک به محلهای تعبیه شده برای خروج یا بازشوهای سقف است. سومین مرحله نیز بالا کشیدن و انتقال خاک دپو شده به تراز سطح زمین (صفر) و در نهایت بارگیری و حمل است
6-3-4 ساخت و اجرای سایر اجزاء سازه
اجرای سازه بهروش بالا-پایین شامل دو قسمت اساسی اجرای بخش زیرزمین و اجرای سازه روی زمین میباشد. مراحل اجرای بخش روی زمین مشابه پروژههای معمول است. بنابراین در این بخش مراحل اجرای دیوارهای سازه ای، سقف، شالوده گسترده یا نواری و تکمیل طبقات زیرزمین تشریح می شود
6-3-4-1 تسطیح و آماده سازی سایت جهت اجرای سازه پس از نصب اجزای قائم باربر
پس از نصب تمامی اجزای قائم باربر، باید محل پروژه جهت ادامه عملیات ساختمانی آماده شود. این آمادهسازی مربوط به اجرای عایق (در صورت نیاز) و اجرای دیوار حائل از بالا-پایین (در صورت انتخاب این روش برای اجرای دیوار) و همچنین تسطیح و آمادهسازی زمین به منظور اجرای سقف میباشد
با توجه به مدیریت اجرای پروژه و توالی گامهای اجرایی، میتوان برخی از فرآیندها را بهطور موازی پیش برد. به عنوان مثال پس از نصب ستونهای یک جبهه از پروژه و ایجاد فضای کاری، میتوان در یک منطقه تعریف شده از مکان پروژه، اقدام به عملیات اجرایی در یک گام جلوتر و اجرای سقف و دیوار بتنی نمود.
6-3-4-2 اجرای دیوار حائل و دیوار برشی
پس از پرکردن چاه با مخلوط مناسب و تسطیح زمین، نوبت به تکمیل سازه در اولین طبقه زیرزمین میرسد. در این مرحله اجرای دیوارهای پیرامونی (دیوار حائل) و اجرای دیوار برشی (در صورت وجود) اولویت دارد. در ساخت به روش بالا-پایین، حتی اگر از دیوار حائل پیوسته مدفون استفاده شود، در برخی مواقع یک دیوار بتنی سازه بر روی دیوارهای شمعی اجرا می شود.
6-3-4-3 اجرای سقف
در اجرای سازه بهروش بالا-پایین، استفاده از انواع مختلف سیستمهای سقف امکانپذیر است. سقفهای از نوع عرشه فولادی، کامپوزیت، دالهای مجوف، تیرچه بلوک، و تیر و دال را میتوان در این روش بهکار برد. انتخاب سیستم سقف در طبقات زیرزمین تابع نظرات مشاور سازه در خصوص طراحی سیستم سازهای برای بارهای بهرهبرداری و همچنین مشاور و مجری ساخت به روش بالا-پایین در خصوص ملاحظات اجرایی است. استفاده از سیستم های سقف از نوع دالهای بتنی، بهدلیل نیاز به سپری شدن زمان برای رسیدن مقاومت بتن به 70% مقاومت مشخصه طرح و سپس رسیدن زمان باز کردن قالب، عملیات خاکبرداری در زیر تراز سقف را به تعویق میاندازد و عملاً تا زمان باز کردن قالب، نمیتوان عملیات خاکبرداری زیر تراز سقف را ادامه داد
6-3-4-4 اجرای شالوده گسترده یا نواری
اجرای پی تقریباً آخرین مرحله از ساخت زیرزمین بهروش بالا-پایین محسوب میشود. همانند اجرای از پایین به بالا پس از رسیدن به تراز زیر پی، خاک تسطیح و یک لایه بتن مگر ریخته میشود. سپس، عملیات آرماتوربندی پی همانند ساخت از پایین به بالا انجام میشود. تنها نکته، مهار میلگردهای شمع داخل پی است که اگر در طراحی این موضوع لحاظ و در نقشههای اجرایی منعکس شده باشد، ضرورت دارد که مهار میلگردهای شمع داخل پی انجام شود
از طرف دیگر در ستونهای فولادی که بهروش ایرانی نصب میگردند، بسته به نظر مشاور سازه و طراحی انجام شده، یک صفحه ستون بر روی پی پس از رسیدن به تراز مربوطه نصب میگردد و مهارهای روی صفحه ستون از طریق آن در پی قرار میگیرند و پس از آرماتوربندی پی، در نهایت بتنریزی انجام میشود.
6-3-4-5 بستن بازشوهای موقت و تکمیل سازه زیرزمین
پس از بتنریزی پی و تکمیل سازه در طبقات زیرزمین و همچنین خروج تمامی ماشین آلات ساختمانی از جمله ماشین آلات خاکبرداری، بازشوهای موقت همانند بازشوی تخلیه خاک و بازشوی ورود مصالح و نظایر آن که برای ساخت به روش بالا-پایین در سقف تعبیه شده بودند، بهترتیب از پایین به بالا بسته و سازه در طبقات زیرزمین کامل میشود. به این ترتیب عملیات ساختمانی در طبقات زیرزمین به پایان میرسد
نتیجهگیری
انتخاب نوع فونداسیون از مهمترین مراحل در فرآیند طراحی سازه بهشمار میآید و نیازمند تحلیل جامع شرایط ژئوتکنیکی، ویژگیهای مکانیکی خاک، نوع و شدت بارهای وارد بر سازه، و محدودیتهای اجرایی پروژه است. بر اساس دستورالعملهای ارائهشده در مبحث هفتم مقررات ملی ساختمان ایران (طراحی پی و پیسازی)، انتخاب سیستم فونداسیون باید بر مبنای ظرفیت باربری خاک، میزان نشست مجاز، و پایداری کلی سازه صورت گیرد.
بهطور کلی، فونداسیونهای سطحی زمانی مورد استفاده قرار میگیرند که لایههای سطحی خاک از مقاومت کافی برخوردار بوده و توزیع بار سازه در سطح نسبتاً وسیعی امکانپذیر باشد. در مقابل، فونداسیونهای عمیق نظیر شمعها و شالودههای شمعی، در شرایطی بهکار میروند که لایههای سطحی خاک ضعیف بوده و انتقال بار به اعماق بیشتر زمین ضرورت داشته باشد. در موارد خاص، از فونداسیونهای ویژه مانند فونداسیونهای ترکیبی، فونداسیونهای صندوقهای (Caisson) یا سیستمهای بهسازی خاک استفاده میشود تا پاسخ مناسبی در برابر شرایط پیچیده ژئوتکنیکی فراهم گردد.
مطابق با الزامات آییننامهای، تحلیل و طراحی فونداسیون باید با در نظر گرفتن عوامل مؤثری چون نوع خاک، سطح آب زیرزمینی، بارگذاریهای دینامیکی و اثرات متقابل خاک و سازه انجام گیرد. همچنین، انجام آزمایشهای صحرایی و آزمایشگاهی خاک از قبیل آزمایش نفوذ استاندارد (SPT)، آزمایش بارگذاری صفحهای و آزمایش برش مستقیم، برای تعیین دقیق پارامترهای طراحی الزامی است. در نهایت، دستیابی به یک طرح بهینه و ایمن مستلزم همکاری نزدیک میان مهندسان عمران، ژئوتکنیک و طراحان سازه و پایبندی به ضوابط آییننامههای معتبر ملی و بینالمللی است.
گردآورندگان:
