فونداسیون چیست؟

فونداسیون یا پی (Foundation) پایین ترین و در عین حال مهمترین قسمت ساختمان است که با خاک در تماس مستقیم می باشد و بارها را از سازه به خاک منتقل می کند. به طور کلی، پی را می توان به دو دسته از جمله پی های کم عمق و عمیق طبقه بندی کرد. فونداسیون کم عمق بار را به یک لایه موجود در عمق کم خاک منتقل می کند و پی عمیق بار را به عمیق ترین قسمت خاک منتقل خواهد کرد. برای شناخت بیشتر فونداسیون با ما همراه باشید.

اهمیت وجود فونداسیون در ساختمان

فونداسیون ها از سازه ها پشتیبانی می کنند و بار آنها را به لایه هایی از خاک یا سنگ منتقل می کنند که دارای ظرفیت باربری کافی و ویژگی های استقرار مناسب برای حمایت از آنها هستند.

برای احداث فونداسیون ابتدا نیاز است به سطح سفتی از خاک رسید. برای این کار باید زمین را خاکبرداری کرد و با انجام تست های آزمایشی، از سختی خاک مطمئن شد. سپس با قالب بندی و قرار دادن آرماتورهای طولی و عرضی، بتن ریزی فونداسیون انجام می شود.

پس از سخت شدن بتن پی و شروع عمل آوری بتن، می توان بعد از چند روز فرآیند ساخت بنا را آغاز کرد. در گذشته به جای بتن از آجر، سنگ و ملات استفاده می شد. نوع متریال ساخت پی به بارهای وارد و نوع خاک زیر سازه بستگی دارد.

در طراحی پی باید اثرات مختلف ساخت و ساز بر محیط وجود داشته باشد. به عنوان مثال، کارهای حفاری و شمع گذاری برای پی سازی عمیق ممکن است منجر به ایجاد اختلال نامطلوب در خاک و پی سازه اطراف شود. این موارد گاهی اوقات می توانند باعث ایجاد خطر در ساختمان های مجاور شوند. چنین اثراتی باید قبل از انجام پی ریزی مورد مطالعه قرار گیرند.

پایه و اساس هر سازه به گونه ای طراحی می شود که بتواند موارد زیر را شامل شود :

• خاک زیرین ساختار فونداسیون دچار شکست برشی نشود.
• نشست ساختمان هنگام اعمال بار سرویس باید در حد مجاز باشد.
• مقاومت فشاری مجاز را می توان فشاری دانست که خاک می تواند بدون شکست تحمل کند.

هدف از اجرای فونداسیون

پی ها برای اهداف زیر کاربرد دارند:

• پی، دلیل اصلی ثبات هر سازه ای است. پی محکم تر، ساختار پایدارتری را ایجاد می کند.
• طراحی مناسب و ساخت پی ها، سطح مناسبی را برای توسعه زیرسازی روی یک بستر محکم فراهم می کنند.
• فونداسیون از ایجاد حرکت های جانبی خاک جلوگیری می کند.
• یک پی مناسب می تواند بار را به طور یکنواختی توزیع کند. این انتقال یکنواخت به جلوگیری از حرکت نابرابر ساختمان کمک خواهد کرد. نشست دیفرانسیل یک اثر نامطلوب ساختمانی است که باید مورد توجه مهندس محاسب قرار گیرد.
• پی برای توزیع کامل بار از سازه در یک سطح بزرگ و سپس به خاک زیرین استفاده می شود. این بار منتقل شده به خاک، باید در حد تحمل مجاز خاک باشد.

عملکردهای اصلی فونداسیون را می توان شامل موارد زیر دانست:

• پایداری جانبی کلی را برای سازه فراهم می کند.
• فونداسیون در خدمت تأمین یک سطح برای ساخت زیرسازی است.
• توزیع بار به طور مساوی انجام می شود.
• از شدت بار کاسته می شود تا در راستای ظرفیت تحمل ایمن خاک باشد.
• در برابر حرکت خاک مقاومت می کند و ساختمان را ایستاده نگه می دارد.
• آبشستگی (در اثر عبور جریان آب) و مسائل مربوط به رطوبت زمین با ساخت پی تا حدودی بر طرف می شود.

انواع اصلی فونداسیون

در دنیای مهندسی سازه، دو دسته معمول برای طراحی فونداسیون در ساختمان ها وجود دارد که عبارتند از :

پی کم عمق (Shallow Foundation)

همانطور که از نامش پیداست، این پی ها عمق کمی دارند. نسبت عمق به عرض آنها مساوی یا کمتر از عدد 1 است. آنها مقرون به صرفه تر از فونداسیون های عمیق هستند زیرا حجم کمتری از حفاری مورد نیاز است زیرا پی های کم عمق به طور معمول در لایه های سختی که درست در نزدیکی سطح زمین قرار دارند قرار می گیرند.

پی عمیق (Deep Foundation)

هنگامی که نیاز است به خاک های مستحکم برسیم، پی عمیق ضروری است. این فونداسیون ها معمولاً در مناطقی استفاده می شوند که ظرفیت بارگیری خاک ناکافی یا کم، سطوح آب بالاتر، نشست های زیاد خاک و از نظر فنی مناطقی با خاک طبیعی نرم وجود دارد. رایج ترین انواع پی عمیق آنهایی هستند که دارای شمع هستند. شمع ها معمولاً برای رسیدن به لایه های سخت خاک استفاده می شوند.

انواع فونداسیون کم عمیق

در زیر به معرفی انواع پی کم عمق اشاره می کنیم :

پی تکی (Isolated Footing)

پایه تکی رایج ترین و پرکاربردترین نوع فونداسیون است. معمولاً به صورت یک ساختار مربع شکل، مستطیلی یا حتی دایره ای از بتن ساخته می شود و برای هر ستون احداث می شود. این پی یک انتخاب کاملاً مناسب برای سازه های سبک مانند ساختمان های مسکونی کم متراژ با تعداد طبقات کم و عدم خطر لرزه خیزی است.

فونداسیون مرکب (Combined Footing)

پی مرکب برای پشتیبانی بیش از یک ستون استفاده می شود. این مورد زمانی قابل اجراست که ستون ها به هم نزدیک باشند. در طراحی پی مرکب، مهم است که مرکز فونداسیون ها با دو بار ترکیبی از هر پی منطبق باشد. به این ترتیب، فشار تحمل خاک در زیر پی به طور یکنواخت گسترش می یابد تا از نشست های ناهموار خاک جلوگیری می شود.

پی طره ای یا باسکولی (Strap Footing)

این پی از دو فونداسیون جداگانه و متحدالمرکز که با یک شناژ به هم متصل می شوند، ساخته شده است. این پی زمانی مناسب است که فاصله ستون ها زیاد است یا بار ستون برون محوری بر پی وارد می شود. شناژ باید به صورت یک تیرچه مستطیل شکل باشد که بین دو ستون قرار دارد. عرض شناژ معمولاً برابر با عرض بزرگترین ستون به اضافه 100 میلی متر است و عمق آن با توجه به حداکثر گشتاور خمش تعیین می شود.

فونداسیون نواری (Strap Footing)

پی نواری از یک ساختار پیوسته تشکیل شده است که معمولاً از ستون های ساختمان در دو جهت (X و Y) پشتیبانی می کند. همچنین می توان از آن در مواردی استفاده کرد که چندین ستون در امتداد هم قرار گرفته اند و فاصله بسیار کمی از یکدیگر دارند. پی نواری در حال حاضر محبوب ترین نوع فونداسیون در احداث ساختمان های متعارف شهری است. طراحی پی نواری و دیگر فونداسیون ها با استفاده از نرم افزار SAFE انجام می شود.

پی گسترده (Mat Foundation)

فونداسیون گسترده یا رادیه ژنرال یک پی ضخیم است که از آن برای تحمل کل وزن سازه استفاده می کنند. این نوع فونداسیون در مواردی که بار ستون بسیار سنگین است و زمانی که ظرفیت باربری خاک بسیار کم است، استفاده می شود. پی گسترده را می توان برای ساختمان های بلند مرتبه یا سازه های حساس استفاده کرد، به شرطی که فشار باربری خاک بتواند فشار تحمل ناشی از بار کلی سازه را تحمل کند.

انواع فونداسیون عمیق

پی های عمیق به انواع زیر تقسیم می شوند :

 شمع کوبیدنی (Driven Pile)

شمع های کوبیدنی با استفاده از لرزش چکش یا ماشین های مخصوص به زمین رانده می شوند. آنها از شمع های پیش ساخته بتنی و فولاد (H-Beam) یا شمع فولادی لوله ای با ظرفیت 800 تا سه هزار کیلو نیوتن تشکیل شده اند. اگرچه این نوع شمع ها ارزان هستند و به راحتی نصب می شود اما اجرای آنها از نظر ایمنی نیاز به دقت بالایی دارد. هنگام استفاده از این شمع کنترل سر و صدا و ارتعاش نیز یک چالش است و برای خاک هایی که به طور طبیعی دارای تخته سنگ سفت هستند توصیه نمی شود.

شمع کوچک (Mini Pile)

مینی شمع ها شمع های حفر شده ای با قطر کوچکتر هستند که در فضاهای محدود استفاده می شوند و دسترسی ضعیفی دارند که می توانند تا 1000 کیلو نیوتن بار را تحمل کنند. آنها معمولاً از قطر 0.3 متر تشکیل شده اند و از سکوهای کوچکتر معمولاً کمتر از 2 متر ارتفاع استفاده می کنند.

شمع درجا (Bored Pile)

شاید متداول ترین نوع فونداسیون عمیق در ساختمان سازی استفاده از شمع های درجا باشد. پیش حفاری با توجه به محل اجرای شمع استفاده می شود. یک سیستم پوشش و بنتونیت برای تثبیت گمانه ضروری است. شمع درجا برای ساختمان های بلند و پروژه های حساس یک انتخاب بی چون چراست.

الزامات احداث یک فونداسیون

طراحی و ساخت پی با عملکرد بالا باید با توجه به برخی از الزامات اساسی به شرح زیر انجام شود :

• طراحی و ساخت پی به گونه ای انجام می شود که بتواند باعث ماندگاری و همچنین انتقال بار مرده و بارهای تحمیل شده به خاک شود. این انتقال باید بدون هیچگونه نشستی صورت گیرد که این می تواند منجر به مسائل پایداری برای سازه شود.
• با داشتن یک پایه سفت و سخت برای پی، می توان از نشست های مختلف جلوگیری کرد. این موارد در مناطقی که بارهای سرویس که از نظر ماهیت یکنواخت نیستند، بارزتر است.
• بر اساس خاک و منطقه توصیه می شود که فوندانسیون عمیق تر ایجاد شود تا این بتواند از هر نوع آسیب در بلند مدت جلوگیری کند. این مسائل عمدتاً به دلیل مشکل جمع شدگی (شرینکیج) و تورم ناشی از تغییرات دما ایجاد می شوند.
• محل استقرار فوندانسیون باید در منطقه ای باشد که تحت تأثیر کارهای عمرانی سنگین در آینده قرار نگیرد.

طراحی فونداسیون به چه صورت است؟

طراحی پی، ایجاد یک طرح ساخت و ساز برای ایجاد یک بستر مستحکم برای ساختمان است. این عملکرد کاملاً تخصصی است و معمولاً توسط یک مهندس سازه انجام می شود. پی پایه سازه ای است که روی زمین قرار گرفته و از بقیه ساختمان پشتیبانی می کند. بنابراین، طراحی فونداسیون باید شامل مطالعه گسترده زمین زیر پی و همچنین طرح و مواد ساخت پی انجام شود. در طراحی پی باید به موارد زیر توجه کرد :

عمق فونداسیون

انواع مختلفی از فوندانسیون ساختمان وجود دارند. به استثنای فوندانسیون های دال بر روی سطح که در سطح زمین ریخته می شوند، بیشتر فونداسیون ها ممکن است در عمق های مختلفی نصب شوند. عمق مورد نیاز هر فونداسیون، می تواند به عوامل مختلفی بستگی داشته باشد :

• ظرفیت تحمل خاک : این مهم تعیین می کند که خاک موجود باید چه مقدار باری (وزن یا نیرو) را تحمل کند.
• نوع خاک : انواع مختلف خاک دارای ویژگی های مختلفی هستند که می توانند در مناسب بودن آنها برای حمایت از یک فوندانسیون تأثیر بگذارند.
• عمق یخ زدگی : عمقی که خاک در سردترین زمان سال یخ می زند، معروف به عمق یخ زدگی یا خط سرما است. این مهم اغلب برای تعیین حداقل عمق برای بسیاری از انواع فونداسیون ها استفاده می شود.
• جدول آب زیرزمینی : یک جدول آب زیرزمینی می تواند عمق فونداسیون و همچنین نوع پی که می توان از آن استفاده کرد را محدود کند. ارتفاع آب زیرزمینی معمولاً در یک مطالعه خاک لحاظ می شود.
• حداقل عمق : با نادیده گرفتن عوامل دیگر، حداقل عمق پی به طور معمول کمتر از 75 سانتی متر نیست.

متریال ساخت فونداسیون

فونداسیون ها معمولاً با سنگ، آجر و بتن ساخته می شوند. مصالح بنایی مقاومت فشاری بالایی دارند و در برابر آسیب رطوبت و خاک بسیار مقاوم تر از چوب و فلز هستند. یک فونداسیون ساخته شده از سنگ یا آجر به طور معمول در بالای سطح زمین گسترش می یابد تا سایر مصالح ساختمانی را از رطوبت و سایر اثرات مخرب تماس با زمین محافظت کند.

این پی ها معمولاً با آرماتور تقویت می شوند. پیمانکاران اغلب از سیمان هیدرولیکی برای آب بندی در اطراف لوله ها استفاده می کنند. در این میان، مهمترین متریال ساخت فونداسیون، بتن مسلح است. این نوع متریال اکنون در بیشتر پروژه ها در مقیاس مختلف استفاده می شود  و به ویژه در مناطق زلزله خیز و با بستر خاکی ضعیف ضروری است.

انتقال بار فونداسیون

فونداسیون ها باید به گونه ای طراحی شوند که بارهای تحمیل شده توسط ساختمان را به طور یکنواخت به خاک منتقل کنند. این بارها مجموع بار مرده، بار زنده و بارهای جانبی هستند. ظرفیت بارگیری خالص وارد شده به خاک، نباید بیش از ظرفیت تحمل خاک باشد.

در طراحی فونداسیون همچنین باید به پایداری ساختمان نیز توجه کرد تا مطمئن شد که تمام حرکت های جانبی ساختمان کنترل شود تا از آسیب رساندن به سازه جلوگیری شود. علاوه بر این، باید طراحی کلی پی و مشخصات زمین مورد مطالعه قرار گیرند تا استراتژی های ساختاری بالقوه شناسایی و اجرا شوند.

جمع بندی

یک ساختمان برای انتقال بار از بالاترین نقطه تا پایین ترین قسمت خود، نیاز به فونداسیون دارد. طیف گسترده ای از انواع پی وجود دارند که باید بر اساس میزان بارهای وارده، شرایط زمین و خاک، وجود آب های زیر زمینی، در دسترس بودن فضا، حساسیت به سر و صدا و ارتعاش و موارد دیگر انتخاب شود. در هر صورت، پی باید با توجه به نیازهای پروژه و شرایط خاک طراحی شود.

منابع :

https://theconstructor.org//

https://www.thebalancesmb.com/