تعریف فونداسیون
فونداسیون، پایین‌ترین قسمت هر ساختمان و یا سازه شهری می‌باشد که در تماس مستقیم با خاک قرار دارد و وزن کل سازه را به زمین منتقل می‌کند. به‌طورکلی، فونداسیون (پی) را می‌توان به دودسته‌ی سطحی و عمیق طبقه‌بندی کرد.
یک فونداسیون سطحی، وزن سازه را به لایه موجود در عمق کم‌عمق منتقل می‌کند؛ درحالی‌که فونداسیون عمیق، وزن را به لایه عمیق‌تر در زیر سطح زمین منتقل می‌کند.
بنای بلندی مانند آسمان خراش یا بنای ساخته‌شده در خاک بسیار ضعیف، احتیاج به خاک‌برداری فونداسیون عمیق دارد. اگر ساختمان ساخته‌شده دارای طرحی برای افزایش ارتفاع باشد، فونداسیون عمیق پیشنهاد می‌شود.
نصب فونداسیون در ساخت‌وساز
برای احداث فونداسیون، سنگرها به عمق بیشتری در خاک حفر می‌شوند تا اینکه به یک‌لایه سخت برسند. برای به دست آوردن پایه مستحکم‌تر، بتن به داخل گودال ریخته می‌شود. شبکه‌های قفسی آرماتور، برای تقویت استحکام فونداسیون در داخل گودال قرار می‌گیرند.
میله‌های فولادی بیرون آمده از بتن، مانند استخوان‌بندی سازه در زیر روبنا عمل می‌کنند. پس از خاک‌برداری و نصب صحیح فونداسیون، می‌توان ساخت‌وساز را آغاز کرد.
ساخت فونداسیون را می‌توان با بتن، فولاد، سنگ، آجر و غیره انجام داد. مواد و نوع فونداسیون انتخاب‌شده برای سازه موردنظر، بستگی به بار ساختمان و نوع خاک زیرین دارد.
طراحی فونداسیون، باید اثرات متفاوتی از ساخت‌وساز در محیط داشته باشد. به‌عنوان‌مثال، کارهای حفاری و شمع کوبی انجام‌شده برای فونداسیون عمیق، ممکن است منجر به فرسایش خاک و متعاقبا نشست سازه شود. این موارد گاهی اوقات می‌تواند باعث نشست ساختمان‌های اطراف نیز بشود.
چنین تأثیراتی باید قبل از عملیات خاک‌برداری پی، موردمطالعه و بررسی قرار گیرد. دفع مواد زائد از عملیات، باید به‌درستی انجام شود. ساخت فونداسیون، باید برای مقاومت در برابر حمله خارجی مواد مضر انجام گیرد.
فونداسیون هر سازه به‌گونه‌ای طراحی‌شده است که:
- • خاک زیر سازه، دچار شکست برشی نمی‌شود
- • نشست ناشی از وزن اولیه سازه، محدود می‌شود
- • فشار تحمل مجاز را می‌توان به‌عنوان فشاری که خاک بدون شکست می‌تواند تحمل کند، در نظر گرفت.
هدف از فونداسیون چیست؟
فونداسیون برای کلیه سازه‌های باربری برای اهداف زیر نصب می‌شوند:
- • فونداسیون، دلیل اصلی استحکام هر ساختمان است. هر چه پایه قوی‌تر باشد، سازه با ثبات‌تر است.
- • طراحی و ساخت مناسب فونداسیون، سطح مناسبی را برای توسعه زیرساخت در سطح مناسب و زیربنای مستحکم فراهم می‌کند.
- • فونداسیون ویژه طراحی‌شده، در جلوگیری از تحرکات جانبی مواد پشتیبان مؤثر است.
- • یک فونداسیون مناسب، وزن سازه را به‌طور یکنواخت روی سطح بستر توزیع می‌کند. این انتقال یکنواخت به جلوگیری از نشست نابرابر ساختمان کمک می‌کند. نشست ناهموار، یک اثر نامطلوب ساختمانی است.
- • فونداسیون، وزن روبنای سازه را به‌طور یکنواخت از بستر (کف لایه) به خاک زیر بستر منتقل می‌کند. این بار منتقل‌شده به خاک، باید در ظرفیت تحمل مجاز خاک باشد.
- نقش فونداسیون در ساخت‌وساز
کارکردهای اصلی فونداسیون را می‌توان به ترتیب زیر طبقه‌بندی کرد:
- فراهم کردن پایداری جانبی کلی برای سازه
- تأمین سطح برای ساخت زیربنا
- توزیع مساوی وزن سازه
- کاهش شدت بار مطابق با ظرفیت ایمنی تحمل خاک
- مقاومت در برابر اثر حرکت خاک
- رفع فرسایش و زیر شویی خاک
الزامات یک فونداسیون خوب
طراحی و ساخت یک فونداسیون مناسب، باید مطابق با الزامات اساسی زیر انجام شود:
- طراحی و ساخت فونداسیون باید بتواند پایدار باشد و همچنین بار مرده و وارده را به خاک منتقل کند. این انتقال باید بدون ایجاد هرگونه نشست که می‌تواند استحکام ساختمان را ضعیف کند، انجام شود.
- با ساخت فونداسیون مستحکم، می‌توان از نشست ناهموار برای زیربنا جلوگیری کرد. این مسائل در مناطقی که بارهای وارده ازنظر ماهیت یکنواخت نیستند، مشخص‌تر است.
- با توجه به خاک و منطقه، توصیه می‌شود فونداسیون عمیق‌تر نصب شود تا بتواند از هرگونه آسیب و خسارت جلوگیری کند. تغییر دما، ازجمله مواردی است که می‌تواند روی اندازه و عمق فونداسیون درگذر زمان تأثیر بگذارد.
- مکان فونداسیون، باید درجایی انتخاب شود که تحت تأثیر آثار و یا عوامل آینده قرار نگیرد.
انواع فونداسیون
فونداسیون سطحی یا کم‌عمق
وقتی عمق فونداسیون کمتر از عرض آن باشد، آن‌وقت آن را فونداسیون سطحی می‌نامیم. به‌طورکلی، فونداسیون کم‌عمق، حداکثر 2 متر عمیق‌تر از پایین‌ترین طبقه قرار می‌گیرد.
فونداسیون سطحی معمولاً وقتی استفاده می‌شود که (1) ظرفیت تحمل خاک، در عمق کم کافی باشد و یا (2) مصالح فونداسیون و یا بستر خاک منجر به نشست پیش از موعد ساختمان نشوند.
فونداسیون سطحی، حداقل حدود 800 میلی‌متر و حداکثر بیش از 4 متر عمق دارد و برای ساختمان‌های کم ارتفاع مناسب است.
پی سطحی، یکی از عناصر مهم در ساخت‌وساز می‌باشد که بار ستون، تیر، دال و ساختارهای نگه‌دارنده را به خاک منتقل می‌کند.
طراحی پی سطحی برای انتقال صحیح بار موارد ذکرشده به خاک باید طوری انجام شود که
- از نشست اولیه بیش‌ازحد جلوگیری کند
- نشست ناهموار را به حداقل برساند
- در برابر واژگونی و لغزش، ایمنی کافی فراهم کند.
پی سطحی، یکی از ساده‌ترین و محبوب‌ترین نوع فونداسیون در سراسر جهان است. یک‌پایه ستون جداشده، بیشتر برای پشتیبانی از یک ستون واحد استفاده می‌شود. این نوع فونداسیون، زمانی مناسب است که ستون‌ها در فاصله نزدیک به هم قرار داشته باشند.
- فونداسیون پله‌ای
- فونداسیون گسترده
- فونداسیون شیب‌دار
انواع پی‌های سطحی
- فونداسیون پله‌ای: در این نوع فونداسیون، پله‌هایی در طرفین پی نصب می‌شود که به آن pocestar می‌گویند. این پله‌ها، از پایین تا اندازه ستون شروع می‌شوند. از پی پله‌ای معمولا زمانی استفاده می‌شود که بار سنگینی از روبنای فوقانی پایین می‌آید.
- فونداسیون گسترده: این فونداسیون، شامل یک دال ضخیم بتن مسلح بوده که تمام مساحت موردنظر را می‌پوشاند. فونداسیون گسترده، برای مواردی مناسب است که مانند فونداسیون پله‌ای، بار سنگین زیادی از قسمت بالای سازه به زیربنا وارد نمی‌شود.
- فونداسیون شیب‌دار: در این نوع فونداسیون، شیب زیربنا با توجه به‌اندازه ستون مشخص می‌شود و شکلی شبیه به ذوزنقه را می‌سازد. این پی، همچنین به‌عنوان فونداسیون شیب‌دار ذوزنقه‌ای نیز معروف است.
مزایای استفاده از فونداسیون مجزا یا منفرد
- در این نوع فونداسیون، مواد لازم برای قالب بتن‌ریزی، کمتر از حد معمول است که این، متعاقبا باعث صرفه‌جویی در هزینه‌ها می‌شود.
- نیروی کار ماهر، لازم نیست.
- به دلیل شکل ساده، در وقت نیز صرفه‌جویی می‌شود.
سازگاری
- درجایی که ستون‌ها زیاد فاصله نداشته باشند.
- وزن کمتری روی فونداسیون باشد.
- ظرفیت تحمل ایمنی خاک، به‌طورکلی در عمق کم بالا باشد.
انواع فونداسیون و موارد استفاده آن‌ها در ساخت‌وساز
فونداسیون دیواری
پایه‌های دیواری، نوعی پی نواری هستند که برای پشتیبانی از دیوارهای ساختاری یا غیر ساختاری برای انتقال و توزیع بارها به خاک استفاده می‌شوند. تمام فونداسیون‌ها در امتداد جهت دیوار نصب می‌شوند. ضخامت و اندازه زیربنا، بر اساس نوع خاک موجود در محل مشخص می‌شود. عرض زیربنا، عموماً بین 2 تا 3 برابر عرض دیوار در نظر گرفته می‌شود.
فونداسیون دیواری را می‌توان از بتن ساده، یا سنگ آجری آرمه ساخت. این نوع فونداسیون، برای ساختمان‌های کوچک مناسب است.
سازگاری:
این فونداسیون، می‌تواند برای سازه‌های باربری و ساخت دیوارهای مرزی مؤثرتر باشد.
فونداسیون مرکب، بار بیش از یک ستون را تحمل می‌کند و با افزایش تعداد ستون‌های متکی بر پی، درنهایت به پی‌های نواری منجر می‌شود که طول آن‌ها چند برابر عرضشان می‌باشد. این فونداسیون، برای مواردی است که پایه ستون‌ها با یکدیگر همپوشانی داشته باشند و ظرفیت تحمل خاک کمتر از حد معمول باشد. در چنین شرایطی، اگر ستون‌ها بافاصله نزدیک از هم قرارگرفته باشند و اگر پایه‌های جداگانه باهم همپوشانی داشته باشند، در چنین حالتی، بهتر است به‌جای فونداسیون منفرد از فونداسیون مرکب استفاده کرد.
فونداسیون مرکب
در شرایط زیر می‌توان از فونداسیون مرکب استفاده کرد:
- هنگامی‌که فاصله مرکز تا مرکز بین ستون‌ها کم باشد و خاک از ظرفیت تحمل پایینی برخوردار باشد. پایه ستون‌های مجزا ممکن است با یکدیگر همپوشانی داشته باشند.
- در صورت قرار گرفتن ستون در نزدیکی خط زمین و خط فاضلاب، مرکز ثقل ستون با پایه یکجا قرار نخواهد گرفت. سپس، لازم است در کنار فونداسیون، ستون داخلی مجاور نصب کنید.
- ابعاد یک‌طرف فونداسیون، به هر دلیلی محدودشده باشد، به‌طوری‌که ممکن است پایه ستون‌ها ترکیب شوند.
سازگاری:
- برای ستون‌هایی که بافاصله نزدیک هم قرار گرفتند.
- ستونی که در نزدیکی خط زمین یا خط فاضلاب قرار دارد.
هنگامی‌که دو یا چندپایه توسط یک دال متصل می‌شود، به‌عنوان پایه ترکیبی شناخته می‌شود و دال اتصال، به‌عنوان بست رکابی شناخته می‌شود. هنگامی‌که یک‌پایه مربع یا مستطیل در نزدیکی خط زمین و اگر به‌طور متمرکز در زیرستون قرار داشته باشد، زیربنا به املاک مجاور گسترش می‌یابد که ممکن است مجاز نباشد. برای چنین شرایطی، یک‌پایه ترکیبی ذوزنقه می‌تواند جایگزین شود.
پی باسکولی
گاهی اوقات، هنگامی‌که فاصله بین این ستون و ستون مجاور زیاد است، پایه ذوزنقه‌ای مرکب، کاملاً باریک و با لنگر خمشی بالا خواهد بود. در چنین حالتی ممکن است پی باسکولی ایجاد شود. شناژی که برای اتصال دو ستون‌پایه گسترده فراهم می‌شود، در تماس با خاک باقی نمی‌ماند و بنابراین هیچ‌گونه فشاری به خاک منتقل نمی‌شود.
عملکرد اصلی شناژ، در انتقال بار از ستون بیرونی به ستون داخلی می‌باشد. در حین انتقال این بار از پی باسکولی، نیروی برشی و لنگر خمشی ایجاد می‌شود که باید هنگام طراحی تیر موردتوجه قرار بگیرد.
شکل زیر موقعیت متفاوتی را از استفاده‌ی پی باسکولی با توجه به شرایط فیزیکی در هر مورد خاص نشان می‌دهد.
سازگاری:
ستون در نزدیکی خط زمین قرار دارد و ابعاد آن محدود است.
پی گسترده
پی گسترده که به آن پی یکپارچه نیز می‌گویند، از یک‌لایه بتن مسلح برای انتقال بار ساختمان به خاک زیرین قسمت تحتانی این لایه بتن تشکیل می‌شود.
پی گسترده، همچنین برای خاک با ظرفیت تحمل کم استفاده می‌شود؛ زیرا وزن ساختمان را در کل مساحت ساختمان و نه در منطقه کوچک‌تر و یا در یک نقطه مشخص توزیع می‌کند و درنهایت بار تنش در هر منطقه روی خاک را کاهش می‌دهد.
مفهوم تنش برای مهندسین عمران بسیار ساده است. ما می‌دانیم که تنش، نسبت وزن به مساحت است. به‌عنوان‌مثال، اگر مساحت یک ساختمان 100 مترمربع و وزن سازه 100 تن باشد، تنش ناشی از پی گسترده، 1 تن در هر مترمربع خواهد بود.
در مورد دیگر، اگر همان ساختمان دارای 4 فونداسیون مجزا باشد و مساحت هر یک از آن‌ها 1 مترمربع باشد، آنگاه مساحت کل زیربنا؛ 4 مترمربع و تنش در خاک، در حدود 25 تن در هر مربع خواهد بود. وجود پی مرکب، درنتیجه باعث افزایش بار در واحد سطح فونداسیون می‌شود.
سازگاری:
توصیه می‌شود که وقتی خاک زیربنا فشرده‌شده و از خاک رس بسیار نرم و رسوبات آبرفتی است، پایه‌های نواری یا شمعی بدون خاک‌برداری بیش‌ازحد، زیربنایی مستحکم ایجاد نخواهند کرد.
پی عمیق
فونداسیونی که در آن، عمق پی بیشتر از عرض آن باشد، به‌عنوان پی عمیق شناخته می‌شود.
فونداسیون شمعی
فونداسیون شمعی، نوعی از فونداسیون عمیق است که از بتن، چوب یا فولاد ساخته می‌شود. این فونداسیون، مانند ستونی با قطر کم است که به داخل زمین فرورفته و دارای عمق بیشتری نسبت به پایه‌های کم‌عمق می‌باشد.
این نوع فونداسیون، زمانی استفاده می‌شود که خاک زیر پایه فاقد ظرفیت تحمل کافی برای حمل بار ساختمان در اعماق خاک تا اقشار سخت باشد. کارکرد اصلی فونداسیون پایه‌ای، انتقال بارها به سطح پایین زمین با ترکیبی از شمع اصطکاک و شمع ستونی در قسمت انتهای شمع و یا پایه است.
سازگاری:
در موارد زیر از فونداسیون شمعی استفاده می‌کنیم:
- لایه بالایی خاک، قابل تراکم یا ضعیف باشد
- حضور نیروهای افقی
- وجود خاک‌های گسترده در فونداسیون
- بودن در معرض نیروهای بالابرنده
- فرسایش خاک
فونداسیون کیسون (صندوقه ای)
کیسون، یکی از انواع سازه‌های ضد آب است که در ساخت سد بتونی به‌عنوان ستون ساخت پل در رودخانه یا برای تعمیر کشتی‌ها استفاده می‌شود. کیسون، یک جعبه توخالی یا استوانه از پیش‌ساخته است که در آب و یا زمین تا عمق دلخواه فرورفته و سپس با بتن پر می‌شود و به‌این‌ترتیب یک فونداسیون را تشکیل می‌دهد.
از این نوع فونداسیون، بیشتر برای ساخت‌وساز پل و سایر سازه‌های آبی که در زیر رودخانه‌ها قرار می‌گیرند، استفاده می‌شود. این امر به این دلیل است که کیسون، می‌تواند به محل ساخت‌وساز در زیرآب غرق شود تا از آن به‌عنوان فونداسیون استفاده گردد.
ساختار این فونداسیون با فونداسیون شمعی مشابه است ولی روش نصب متفاوتی دارد. هنگامی‌که خاک از مقاومت تحمل کافی در زیر لایه‌های سطحی برخوردار باشد، از این فونداسیون استفاده می‌شود.
فونداسیون کیسون، یکی از انواع فونداسیون‌های عمیق است که در زیر سطح زمین‌ساخته می‌شود، سپس با استفاده از خاک‌برداری یا لایروبی مواد از داخل کیسون، به سطح موردنیاز فرو می‌رود.
سازگاری:
در ساخت سازه‌های روی آب مانند پل از این فونداسیون استفاده می‌شود.
