روش‌های نوآورانه برای شاقول‌سازی دو ساختمان بتنی ۵۷ متری با کجی ۳٫۸ و ۳٫۱ درصد

Maffei, C. E. M., & Gonçalves, H. H. S. (2016). Innovative Techniques Used to Plumb Two 57 m Height Concrete Buildings Leaning 3.8 and 3.1%. Innovative Infrastructure Solutions, 1, 33. DOI: 10.1007/s41062-016-0032-9.

کج شدن یک ساختمان بلند در اثر نشست نامتقارن فونداسیون، الزاماً به معنی پایان عمر آن ساختمان نیست. در برخی شرایط، اگر سازه ظرفیت کافی داشته باشد و علت نشست به‌درستی شناسایی شود، می‌توان با طراحی یک سیستم مناسب انتقال بار و استفاده کنترل‌شده از جک‌های هیدرولیکی، ساختمان را به وضعیت قائم بازگرداند. نمونه‌ای کم‌نظیر از چنین عملیاتی در شهر سانتوس برزیل اجرا شده است. در این پروژه دو برج بتنی ۵۷ متری که یکی حدود ۲٫۰۸ متر و دیگری حدود ۱٫۷۰ متر از شاقول خارج شده بودند، با دو روش متفاوت اصلاح شدند. کجی این دو برج به ترتیب حدود ۳٫۸ و ۳٫۱ درصد گزارش شده است. اهمیت این پروژه فقط در مقدار بسیار زیاد کجی ساختمان‌ها نیست. نکته جالب‌تر آن است که مهندسان برای دو ساختمان مجاور با مشکل ظاهراً مشابه، به دلیل تفاوت شرایط سازه‌ای و اجرایی، دو روش کاملاً متفاوت برای شاقول‌سازی انتخاب کردند.

چرا تعداد زیادی از ساختمان‌های شهر سانتوس کج شده‌اند؟

شهر ساحلی سانتوس در ایالت سائوپائولو برزیل، نمونه شناخته‌شده‌ای از مشکلات ناشی از احداث ساختمان‌های بلند روی خاک‌های نرم است. طبق مقاله، در زمان انجام این مطالعه حدود ۱۰۰ ساختمان با کجی قابل مشاهده در این شهر وجود داشته است. در بسیاری از ساختمان‌های قدیمی این منطقه، فونداسیون‌های سطحی روی لایه‌ای از ماسه متراکم قرار گرفته‌اند، اما در زیر این ماسه، لایه‌های ضخیمی از رس نرم و تراکم‌پذیر وجود دارد. بار ساختمان از طریق لایه ماسه به لایه‌های عمیق‌تر منتقل شده و به مرور زمان باعث تحکیم رس نرم و ایجاد نشست شده است. در مورد برج‌های مورد مطالعه، عامل دیگری نیز شرایط را تشدید کرده بود.

وجود ساختمان‌های مجاور باعث هم‌پوشانی حباب‌های تنش در لایه‌های رس نرم شده بود. در نتیجه، افزایش تنش در خاک در تمام نقاط زیر ساختمان یکسان نبود و نشست‌های متفاوتی در بخش‌های مختلف فونداسیون ایجاد شد. همین نشست تفاضلی به تدریج موجب چرخش ساختمان و خارج شدن آن از حالت قائم شد.

پروفیل خاک محل پروژه و هم‌پوشانی حباب تنش ساختمان‌های مجاور در لایه‌های رس نرم

دو برج ۵۷ متری که بیش از یک متر و نیم کج شده بودند

دو ساختمان مورد بررسی، برج‌های A و B مجتمع Núncio Malzoni هستند که در سال ۱۹۶۷ ساخته شده‌اند. فونداسیون ساختمان‌ها در عمق حدود ۲ متری قرار داشت و پی‌های منفرد توسط تیرهای نسبتاً صلب به یکدیگر متصل شده بودند. با گذشت زمان، نشست تفاضلی باعث ایجاد کجی بسیار قابل توجهی در هر دو برج شد:

برج A: ارتفاع ۵۷ متر، کجی حدود ۳٫۸ درصد و خروج از شاقول حدود ۲٫۰۸ متر

برجB:  ارتفاع ۵۷ متر، کجی حدود ۳٫۱ درصد و خروج از شاقول حدود ۱٫۷۰ متر

اعداد به اندازه کافی گویا هستند. در برج A، بالای ساختمان بیش از دو متر نسبت به موقعیت قائم جابه‌جا شده بود.

نکته عجیب، ساختمان‌ها با این میزان کجی ترک جدی نداشتند. یکی از نکات بسیار مهم این پروژه آن است که با وجود کجی شدید برج‌ها، مقاله گزارش می‌کند که ساختمان‌ها ترک‌خوردگی ناشی از این تغییرشکل را نشان نمی‌دادند. علت مطرح‌شده در مقاله، صلبیت سیستم فونداسیون است. فونداسیون باعث شده بود ساختمان در جریان نشست تا حد زیادی مانند یک جسم صلب حرکت و دوران کند. بنابراین کجی بسیار بزرگی ایجاد شده بود، بدون اینکه الزاماً تغییرشکل‌های نسبی بزرگی در اعضای ساختمان ایجاد شود. این نکته در بررسی ساختمان‌های نشست‌کرده اهمیت زیادی دارد:

شدت کجی ساختمان را نمی‌توان فقط از روی مقدار و تعداد ترک‌ها قضاوت کرد. ممکن است ساختمانی ترک‌های فراوانی داشته باشد ولی کجی کلی آن کم باشد و برعکس، ساختمانی به میزان قابل توجهی دوران کرده باشد ولی به دلیل رفتار نسبتاً صلب فونداسیون و سازه، ترک‌های محدودی در آن مشاهده شود.

وضعیت برج A به مرحله خطرناکی رسیده بود. مشکل فقط ظاهر نامناسب ساختمان نبود. در سال ۱۹۹۵، شهرداری سانتوس برای انجام عملیات مقاوم‌سازی برج A مهلت یک‌ماهه تعیین کرد تا از تعطیلی ساختمان جلوگیری شود. مهندسان سپس تحلیل غیرخطی سازه را انجام دادند. در این تحلیل، رفتار غیرخطی بتن، غیرخطی هندسی و تشکیل مفاصل پلاستیک در نظر گرفته شد و حتی ادامه روند نشست ساختمان تا رسیدن به وضعیت نظری خرابی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد وضعیت Tower A نیازمند اقدام جدی است و خطر بالقوه ناپایداری سازه‌ای وجود دارد. در مقابل، به دلیل تفاوت‌های سازه‌ای، Tower B در همان زمان در شرایط مشابهی از نظر خطر فروپاشی قرار نداشت.

تحلیل غیرخطی برج A و بررسی وضعیت نظری سازه در صورت ادامه روند نشست

برای برج A چهار گزینه بررسی شد

بعد از بررسی سازه، چهار راهکار مطرح شد:

1. مقاوم‌سازی ساختمان برای کاهش خطر در چند سال آینده، بدون توقف روند نشست
2. اجرای زیرسازی و فونداسیون جدید برای جلوگیری از ادامه نشست
3. اجرای فونداسیون جدید همراه با سازه انتقال و جک‌زنی برای بازگرداندن ساختمان به وضعیت قائم
4. تخریب ساختمان و احداث ساختمان جدید

پس از بررسی هزینه و مزایای گزینه‌ها، مالکان گزینه سوم را انتخاب کردند. یعنی قرار شد فقط جلوی نشست گرفته نشود، بلکه ساختمان موجود نیز حفظ شده و کجی بیش از دو متری آن اصلاح شود.

روش اول، ابتدا ساختمان را روی یک فونداسیون جدید قرار دادند

راهکار Tower A را می‌توان در سه بخش اصلی خلاصه کرد: اجرای فونداسیون عمیق جدید، ساخت سازه انتقال بار و سپس جک‌زنی ساختمان. برای انتقال بار ساختمان به لایه مقاوم خاک، ۱۶ شمع درجا با قطرهای متغیر بین ۱ تا ۱٫۴ متر و طول حدود ۵۵ متر اجرا شد. علت این عمق زیاد را باید در پروفیل خاک جستجو کرد. لایه‌های متناوب ماسه و رس نرم تا عمق قابل توجهی ادامه داشتند و خاک مناسب‌تر در حدود عمق ۵۵ متری قرار گرفته بود. اما اجرای شمع به تنهایی کافی نبود. بار ستون‌های موجود ساختمان باید به این شمع‌های جدید منتقل می‌شد. بنابراین یک سازه انتقال بسیار قوی طراحی شد.

تیرهای Vierendeel، واسطه میان ساختمان و شمع‌های جدید:

هفت تیر اصلی انتقال از نوع Vierendeel  با ارتفاع حدود ۴٫۳ متر ساخته شدند. وظیفه این تیرها دریافت بار ستون‌های ساختمان و انتقال آن به شمع‌ها و کلاهک‌های جدید بود. در نقاطی که ستون‌ها مستقیماً با تیرهای اصلی هم‌راستا نبودند، تیرهای انتقال ثانویه نیز اجرا شدند.  در واقع پیش از اینکه ساختمان بالا آورده شود، یک سیستم سازه‌ای جدید زیر آن ساخته شد که می‌توانست وزن ساختمان را دریافت و به فونداسیون عمیق جدید منتقل کند.


سیستم فونداسیون جدید و تیرهای انتقال مورد استفاده برای شاقول‌سازی برج A

۱۴ جک هیدرولیکی برای بلند کردن برج: پس از اجرای شمع‌ها و سازه انتقال، ۱۴ جک هیدرولیکی بین کلاهک شمع‌ها و تیرهای اصلی قرار گرفتند. ظرفیت این جک‌ها بین ۴۰۰ تا ۹۰۰ تن بود. حالا وزن ساختمان می‌توانست از طریق جک‌ها به فونداسیون جدید منتقل شود. با تغییر کنترل‌شده ارتفاع جک‌ها در نقاط مختلف، ساختمان به صورت نامتقارن بالا آورده شد تا دوران ایجادشده در طول سال‌ها به تدریج اصلاح شود.

نحوه استقرار جک هیدرولیکی میان سازه انتقال و فونداسیون جدید برج A

ساختمانی با ۲٫۱ متر کجی، دوباره شاقول شد. نتیجه عملیات قابل توجه بود. برجی که حدود ۲٫۱ متر از حالت قائم خارج شده بود، دوباره شاقول شد. برای رسیدن به این وضعیت، ستونی که بیشترین نشست را تجربه کرده بود حدود ۸۰ سانتی‌متر بالا آورده شد. این دو عدد نباید با یکدیگر اشتباه شوند. ۲٫۱ متر، میزان تقریبی خروج قسمت بالای ساختمان از شاقول بود، در حالی که ۸۰ سانتی‌متر، حداکثر بالا آوردن ساختمان در تراز زیرین برای ایجاد دوران اصلاحی است.

جک‌زنی یکباره انجام نشد. یکی از نکات مهم اجرایی مقاله، نحوه کنترل عملیات است. بار جک‌ها به صورت کاملاً هم‌زمان و پیوسته اعمال نمی‌شد و همین مسئله می‌توانست موجب تغییر نیرو در ستون‌ها و ایجاد نشست‌های تفاضلی جدید شود. بنابراین مراحل اولیه با احتیاط انجام شد و پس از اعمال بار، جابه‌جایی‌ها اندازه‌گیری می‌شدند. در ادامه، تغییرات بار در مراحل جک‌زنی در محدوده‌های کنترل‌شده انجام شد و بعد از هر مرحله، جابه‌جایی ساختمان دوباره اندازه‌گیری شد. مقاله گزارش می‌کند که با این روش، Tower A بدون ایجاد ترک در اثر عملیات جک‌زنی به وضعیت قائم بازگردانده شد. این بخش از مقاله یک پیام اجرایی بسیار مهم دارد:

در شاقول‌سازی ساختمان، ظرفیت جک به تنهایی تعیین‌کننده ایمنی نیست. نحوه توزیع نیرو بین جک‌ها، ترتیب بارگذاری و کنترل جابه‌جایی در هر مرحله اهمیت اساسی دارد.

چرا در زیر بعضی از پی‌ها خاکبرداری کردند؟ مقاله به جزئیات اجرایی جالب دیگری نیز اشاره می‌کند. در زمان جک‌زنی، مقداری از خاک ماسه‌ای زیر پی‌های سطحی برداشته شد. علت این کار کاهش مقاومت و اثر مکش زیر پی بود که بالا آمدن ساختمان را دشوار می‌کرد.

برداشت بخشی از خاک ماسه‌ای زیر پی موجود برای تسهیل حرکت قائم ساختمان هنگام جک‌زنی

برج B، مشکل مشابه اما راه‌حل متفاوت. شاید جذاب‌ترین قسمت مقاله از اینجا شروع شود. Tower B نیز حدود ۱٫۷ متر از شاقول خارج شده بود، اما امکان استفاده از سیستم Tower A وجود نداشت. فضای کافی برای اجرای شمع‌های قطور و تیرهای عظیم Vierendeel در اطراف ساختمان وجود نداشت. بنابراین مهندسان ناچار شدند راهکار دیگری طراحی کنند. ابتدا شمع‌های ریشه‌ای یا Root Pile با قطر حدود ۴۰ سانتی‌متر و طول ۵۵ متر اجرا شدند. جالب اینکه در روش نهایی، این شمع‌ها مستقیماً نقش فونداسیون جدید برای تحمل کل بار ساختمان را نداشتند. مقاله توضیح می‌دهد که اجرای آنها موجب کاهش قابل توجه نرخ نشست تفاضلی شد و احتمال داده شده است که اصطکاک این مجموعه شمع‌ها مانند یک مانع اصطکاکی، اثر هم‌پوشانی حباب تنش ساختمان مجاور را کاهش داده باشد. پس از گذشت حدود ۱۱ سال، با کاهش قابل توجه نرخ نشست تفاضلی، تصمیم گرفته شد روش ساده‌تر و ارزان‌تری برای شاقول‌سازی Tower B اجرا شود.

روش دوم، ستون‌ها را بریدند و ساختمان را روی جک قرار دادند. در Tower B دیگر خبری از سازه انتقال عظیم Tower A نبود. در اطراف هر ستون، دو کنسول بتن‌آرمه ساخته شد. این کنسول‌ها با میلگردهای فولادی پیش‌تنیده به ستون متصل شدند. سپس جک‌های هیدرولیکی کمکی زیر کنسول‌ها قرار گرفتند. بعد از آن، اتفاقی رخ می‌دهد که در نگاه اول کمی بی‌رحمانه به نظر می‌رسد، اما کاملاً مهندسی‌شده بود:

ستون ساختمان بریده شد. بار ستون پس از برش به جک‌های کمکی منتقل شد. سپس جک اصلی در محل نصب شد و بار ستون را تحویل گرفت. این عملیات برای ستون‌های مورد نظر تکرار شد تا ساختمان عملاً بر روی مجموعه جک‌های هیدرولیکی قرار گیرد.

مراحل انتقال بار ستون به جک‌های هیدرولیکی پیش از شروع شاقول‌سازی Tower B

حالا کل ساختمان آماده اصلاح کجی بود. پس از انتقال بار ستون‌ها به جک‌های اصلی، عملیات شاقول‌سازی آغاز شد. نیروی جک‌ها در محدوده‌هایی که از قبل با محاسبات تعیین شده بود کنترل می‌شد و با تغییر ارتفاع جک‌های مختلف، ساختمان به تدریج دوران داده شد تا به وضعیت قائم برسد.

مراحل بریدن ستون، انتقال بار به جک و اصلاح کجی Tower B

بعد از شاقول شدن، ستون‌ها دوباره ساخته شدند. جک‌ها قرار نبود برای همیشه زیر ساختمان باقی بمانند. پس از رسیدن ساختمان به وضعیت مورد نظر، بار دوباره به جک‌های کمکی منتقل شد، جک اصلی خارج گردید و قسمت بریده‌شده ستون با بتن‌آرمه بازسازی شد. به این ترتیب پیوستگی ستون‌ها مجدداً برقرار شد. و یکی از جالب‌ترین اعداد مقاله همین‌جاست: عملیات نهایی تراز کردن Tower B تنها پنج روز طول کشید.

البته این پنج روز را نباید با مدت کل پروژه اشتباه گرفت. مطالعات، آماده‌سازی سازه، اجرای شمع‌ها، کنسول‌ها و سایر عملیات مقدماتی قبل از آن انجام شده بود. پنج روز مربوط به مرحله نهایی شاقول‌سازی ساختمان است.

ساختمان هنگام شاقول‌سازی تخلیه نشد. یکی دیگر از نکات قابل توجه پروژه این است که طبق مقاله، در عملیات Tower A و Tower B تخلیه کامل ساختمان ضروری تشخیص داده نشد. اما یک مشکل عملی وجود داشت. وقتی بخش‌های مختلف ساختمان نسبت به یکدیگر جابه‌جا می‌شوند، لوله‌های آب و فاضلاب، کابل‌های برق و سایر تأسیسات نمی‌توانند مانند یک عضو صلب رفتار کنند. بنابراین در Tower B بخشی از تأسیسات به صورت موقت به سیستم‌های انعطاف‌پذیر خارجی منتقل شد تا هنگام حرکت ساختمان همچنان قابل استفاده باشند. پس از پایان عملیات، تأسیسات اصلی دوباره متصل شدند. این جزئیات شاید در نگاه اول فرعی به نظر برسند، ولی در پروژه واقعی شاقول‌سازی دقیقاً همین مسائل هستند که فاصله میان یک «طرح روی کاغذ» و یک عملیات اجرایی قابل انجام را مشخص می‌کنند.

نتیجه کار چه شد؟ در نهایت هر دو برج به وضعیت قائم بازگردانده شدند، اما رفتار بلندمدت آنها یکسان نبود. در Tower A  بار ساختمان به فونداسیون عمیق جدیدی منتقل شده بود که روی لایه مقاوم قرار داشت. مقاله بیان می‌کند این سیستم جلوی ادامه نشست را گرفت. اما Tower B روی فونداسیون جدیدی مشابه Tower A منتقل نشد. بنابراین نویسندگان انتظار داشتند نشست مطلق آن همچنان با مقادیر اندک ادامه پیدا کند، ولی نشست تفاضلی و در نتیجه ایجاد مجدد کجی بسیار ناچیز باشد. برآورد مقاله این بود که حدود ۱۰۰ سال طول می‌کشد تا آثار قابل مشاهده خروج مجدد ساختمان از شاقول ظاهر شود. شش سال پس از اجرای عملیات نیز ساکنان مشکل خاصی گزارش نکرده بودند و ساختمان از نظر ظاهری همچنان شاقول بود.

یک نتیجه مهم، یک مشکل می‌تواند دو راه‌حل کاملاً متفاوت داشته باشد. شاید مهم‌ترین درس این پروژه همین باشد. Tower A و Tower B در کنار یکدیگر قرار داشتند، ارتفاع آنها یکسان بود، هر دو بر اثر نشست تفاضلی خاک کج شده بودند و هر دو به اصلاح هندسی نیاز داشتند. اما روش اصلاح آنها یکسان نبود. در Tower A  ابتدا یک فونداسیون عمیق جدید و سازه انتقال بار ساخته شد و سپس ساختمان با جک روی این سیستم جدید قرار گرفت. در  Tower B، به دلیل محدودیت فضا و همچنین تغییر شرایط نشست، از روش دیگری استفاده شد. ستون‌ها به صورت کنترل‌شده بریده شدند، بار آنها به جک‌ها منتقل شد و ساختمان روی همان سیستم موجود اصلاح گردید. بنابراین انتخاب روش شاقول‌سازی ساختمان را نمی‌توان صرفاً بر اساس مقدار کجی تعیین کرد. شرایط خاک، ادامه‌دار بودن یا متوقف شدن نشست، نوع فونداسیون، سیستم سازه‌ای، فضای اجرایی، امکان انتقال بار، وضعیت ساختمان‌های مجاور و حتی محدودیت‌های اقتصادی می‌توانند روش مناسب را کاملاً تغییر دهند.

شاقول‌سازی بدون پایش نیرو و جابه‌جایی قابل اتکا نیست. مقاله به اختلاف میان نیروهای پیش‌بینی‌شده و نیروهای واقعی برخی شمع‌ها و جک‌ها نیز اشاره می‌کند. یکی از دلایل این اختلاف، ساده‌سازی‌های اجتناب‌ناپذیر مدل‌های محاسباتی بود. دلیل دیگر به ماهیت واقعی عملیات جک‌زنی مربوط می‌شد. جک‌ها کاملاً هم‌زمان و پیوسته بارگذاری نمی‌شدند و حرکت یک نقطه می‌توانست به دلیل صلبیت سازه، نیروهای نقاط دیگر را نیز تغییر دهد. به همین دلیل، محاسبات اولیه باید در زمان اجرا با اندازه‌گیری واقعی نیرو و جابه‌جایی ساختمان همراه شوند. مدل عددی می‌تواند رفتار مورد انتظار را پیش‌بینی کند، اما ساختمان واقعی در حین جک‌زنی خودش اطلاعات تازه‌ای درباره رفتار سازه، فونداسیون و خاک در اختیار مهندس قرار می‌دهد.

جمع‌بندی: پروژه برج‌های Núncio Malzoni نشان می‌دهد حتی کجی بسیار زیاد یک ساختمان بلند لزوماً به معنی غیرقابل اصلاح بودن آن نیست. در این پروژه دو ساختمان بتنی ۵۷ متری با خروج از شاقول حدود ۲٫۰۸ و ۱٫۷۰ متر با موفقیت اصلاح شدند. برای  Tower A، ابتدا بار ساختمان با استفاده از ۱۶ شمع عمیق ۵۵ متری و تیرهای انتقال عظیم به یک فونداسیون جدید منتقل شد. سپس ۱۴ جک هیدرولیکی با ظرفیت ۴۰۰ تا ۹۰۰ تن ساختمان را به صورت کنترل‌شده به وضعیت قائم بازگرداندند. حداکثر بالا آوردن در یک سمت ساختمان حدود ۸۰ سانتی‌متر بود. در Tower B شرایط متفاوت بود. ستون‌ها پس از اجرای کنسول‌های بتن‌آرمه و استقرار جک‌های کمکی به صورت کنترل‌شده بریده شدند، بار ساختمان به جک‌های اصلی منتقل شد و سپس با تغییر ارتفاع جک‌ها، ساختمان شاقول شد. پس از پایان عملیات نیز ستون‌ها مجدداً بازسازی شدند. این پروژه یک اصل مهم در اصلاح نشست ساختمان را به‌خوبی نشان می‌دهد: هدف فقط بالا آوردن ساختمان نیست، بلکه باید ابتدا مسیر انتقال بار، رفتار فونداسیون و خاک و نحوه واکنش سازه به جک‌زنی مشخص شود و سپس عملیات اصلاح به صورت مرحله‌ای و تحت پایش انجام گیرد.