logo

logo

logo

logo

logo

الأساسات السطحية

اساسات سطحيه

Shallow foundations - Fondations superficielles

 الأساسات السطحية

الأساسات السطحية

 

أنواع الأساسات السطحية
مبادئ عمل الأساسات السطحية
خطوات تصميم الأساسات السطحية

 

 

الأساسات السطحية هي الأساسات التي تُنفَّذ على أعماق قريبة من سطح الأرض، لنقل حمولات المنشأة إلى التربة وتوزيعها، وحيث يكون عمق التأسيس أقل من عرض الأساس كما هو موضح في الشكل (1).

الوصف: 5-1.psd
الشكل(1)

ينبغي أن تحقق نسبة عمق التأسيس إلى عرض الأساس المتراجحة (1):

الوصف: 5386.jpg

حيث: B عرض الأساس، و Df عمق التأسيس.

وفي بعض المراجع يُشترط أن يكون عمق التأسيس أقل من ضعف عرض الأساس.

تُعد الأساسات السطحية الأكثر استخداماً والأسهل تنفيذاً والأكثر اقتصادية، وتُستخدم عند وجود طبقة ذات قدرة تحمل مناسبة وقريبة من سطح الأرض من دون أن يوضع أسفل منها طبقة ضعيفة قريبة، وبحيث تكون قيمة الهبوط ضمن الحدود المسموح بها.

أنواع الأساسات السطحية

- أساسات منفردة: وهي الأساسات التي تتعرض لحِمْل من عمود واحد فقط.

- أساسات مشتركة بين عمودين.

- أساسات مستمرة: وهي الأساسات الحاملة للجدران أو لعدة أعمدة على صف واحد.

- أساس حصيري: وهو أساس يجمع بين الأعمدة جميعها والجدران الحاملة للمبنى (حصيرة كلية) أو يجمع بين بعض الأعمدة والجدران (حصيرة جزئية).

يبين الشكل (2) هذه الأنواع.

الوصف: 5-2.psd
الشكل (2): أنواع الأساسات السطحية
الوصف: 5-3.psd
الشكل(3)

مبادئ عمل الأساسات السطحية

التأثير المتبادل بين الأساس والتربة:

يقوم الأساس بتوزيع الحمولة التي يتعرض لها من المنشأ على التربة التي يستند إليها فينشأ ضغط باتجاه الأعلى q بين سطح الأساس السفلي والتربة (رد فعل التربة) (الشكل 3).

 

ومع أن القوى المطبقة P ورد فعل التربة في حالة توازن كلي؛ فإن القوّة R التي تمثل الفرق بينهما عند أي مقطع على طول الأساس هي التي تسبب قوى القص والانعطاف.

يعتمد رد فعل التربة على عوامل مختلفة أهمها شكل الأساس ودرجة صلابته، ونوع التربة، وقيمة القوّة المطبقة وشكلها.

يُفضَّل استخدام الأساسات المنتظمة الأشكال إذا كانت الظروف تسمح بذلك، ويستخدم عمليِّاً، في أغلب الحالات، الأساسات الدائرية أو المربعة أو المستطيلة أو شبه المنحرفة.

الأساس الصلد غير قابل للتشوه (لا ينحني بتأثير الانعطاف)، في حين لا يبدي الأساس المرن مقاومة للانعطاف، ويتبع شكل تشوّهه سطح التربة التي يستند إليها، ويراوح أغلب الأساسات بين الصلابة المطلقة والمرونة المطلقة .

ثمة نوعان رئيسيان للترب:

آ - ترب متماسكة، تميل المشبعة منها إلى التصرف بشكل مرن بتأثير الحمولات عليها فيتغير شكلها وليس حجمها.

ب - ترب غير متماسكة، كالبحص والرمل، تتصرف بشكل غير مرن تحت تأثير الحمولات الواقعة عليها.

يعتمد شكل الحمولة المطبَّقة وقيمتها على حجم المنشأ وعمله. وإن تقدير هذه الأحمال عامل رئيس عند التصميم، فعند المبالغة في تقدير قيم حمولة عمود ما، عندما تكون التربة رملية، سوف تنحصر الأضرار بالمادة فقط (أضرار اقتصادية). أما عندما تكون التربة غضارية فمن الممكن أن تسبب مشكلات ناجمة عن فروق في الهبوطات بين الأساسات .

توزع الضغط

بفرض وجود أساس منفرد يحمل حمولة قدرها P (الشكل4)، ففي حالة التوازن فإن رد الفعل يساوي P. فإذا استند هذا الأساس إلى تربة متماسكة مرنة، يأخذ مخطط رد الفعل الشكل (ب). أما في حال كون التربة مفككة فسوف يأخذ الشكل (ج) .

عندما يستند الأساس إلى تربة مرنة متماسكة؛ فإن قيم رد الفعل غير المتساوية تتقارب، وذلك بفضل انضغاط المناطق المعرضة لحمل أكبر.

يقاوم الأساس الذي يستند إلى تربة مفككة الضغط الذي يتعرض له، وإن أي زيادة فوق معدل هذا الضغط لن تؤذيَ هذا الأساس. فإن تشوهت التربة قليلاً عند الوسط؛ فإن الضغط عند الأطراف سوف يزداد ليصل إلى المعدل.

ولذلك يمكن اعتماد الشكل المنتظم لتوزع الضغط أسفل الأساس (رد فعل التربة) الشكل (4 أ) عند تصميم الأساس.

بعض الفرضـيات الأسـاسـية في تصمـيم الأسـاسـات السطحية من الخرسانة المسلحة

يتوزع الضغط الناتج من تأثير قوة مركزة بانتظام تحت أساس منفرد إذا كانت القوة مطبَّقة في مركز ثقل الأساس.

1 - عند التصميم؛ يؤخذ بالحسبان زيادة الضغط الناتجة من تنفيذ المنشأة الهندسية على الضغط الأصلي الناتج من وزن طبقات التربة. تُعتمد هذه الزيادة عند حساب قدرة تحمل التربة والهبوط .

2 - لا يدخل تأثير وزن الأساس والتربة فوقه عند حساب الضغط الذي يسبب القص والانعطاف في الأساس نفسه.

الوصف: 5-4.psd
الشكل(4)

 

تشوه الأساسات السطحية وانهيارها

لتوضيح عمل الأساسات السطحية، يُدرس أساس دائري منعزل يحمل عموداً دائرياً مقطعه مبين في الشكل (5).

الوصف: 5-5.psd
الشكل (5): مقطع شاقولي عند المحور

 

يحاول الضغط أسفل الأساس حني الأساس إلى الأعلى حتى يأخذ شكلاً يشبه الصحن المقعر نحو الأعلى، كما هو واضح في خطوط الكفاف (الكونتور) المبيَّنة بالشكل(6).

الوصف: 5-6.psd
الشكل (6): مسقط علوي للأساس

 

ويستطيل الأساس بشكل محوري (قطري) من الأسفل، في حين ينكمش (يقصر) قطريَّاً من الأعلى.

تُستخدم قضبان التسليح (a) لمقاومة الشد القطري، فتستطيل (تتمدد) وغالباً ما تظهر شقوق في الخرسانة كما هو مبيّن في الشكل (7). وترافق الاستطالة المحورية (القطرية) لأسفل الأساس استطالة محيطية. وبالمثل فإن أعلى الأساس سيكون مضغوطاً بشكل محيطي ومحوري.

الوصف: 5-7.psd
الشكل (7): العمل الافتراضي للقطاعات القطرية المتقابلة

 

بافتراض أن الأساس مسلح بأربعة قضبان بزاوية 45ْ فيما بينها (الشكل 8)، وأن مسقط بعض الشقوق الشعرية الممكن حدوثها أيضاً موضحة في هذا الشكل تميل القطع CDEF وHJKG خارج محيط العمود إلى الانعطاف نحو الأعلى حولCF و GHكما في الشكل. فتعمل القضبان (a) بشكل رابط لتمنع الانهيار بهذه الطريقة. وإذا استُعملت القضبان (b) عوضاً عن (a) فإنها سوف تعمل أيضاً على منع الزيادة في الحركة نحو الأعلى، وبهذا يتمكن الأساس من مقاومة الضغط السفلي. في الوقت نفسه؛ تتعرض الخرسانة غير المتشققة لضغط خارج مجالات الشقوق L و M (الشكل7)، ولا بد من وجود قوة قاصة أيضاً تعمل في منطقة الخرسانة غير المتشققة أيضاً. إن القوى الساكنة (الستاتيكية) المطبقة على المساحة DCFE وعلى المقطع العمودي CF موضحة في الشكل (9).

الوصف: 5-8.psd
الشكل (8): مسقط للتسليح القطري

الوصف: 5-9.psd
الشكل (9): القوى المؤثرة عندما تكون الشقوق بشكل طولي

 

 

يساوي عزم الانعطاف عند وجه العمود حاصل ضرب المساحة DCFE بشدة الضغط p بالذراع ro، وهو بُعد مركز ثقل المساحة عن وجه العمود (M=A.p.ro).

 

الوصف: 5-10.psd
الشكل (10) القوى المؤثرة عندما تكون الشقوق مائلة بزاوية 45 o

وعلى الأغلب تتشكل الشقوق بزاوية 45ْ مع العمود كما هو موضح في الشكل (10).

بدراسة الشكلين (9) و(10)، فإنه من الممكن قبول الافتراضات التالية عند تصميم الأساس:

1.يحدث الضغط والقص الحَرِجان عند وجه العمود إذا كانت الشقوق الناتجة من الشد هناك شاقولية، وهذه هي الحالة الحرجة لعزم الانعطاف .

2.يحدث أعظم قيمة للقوة القاصَّة العرضية (ثقب القص) في الخرسانة غير المتشققة عند وجه العمود عندما تكون الشقوق الناجمة عن الشد شاقولية، وهذه الحالة هي الحالة الحرجة للثقب المباشر، ولكن الشقوق الناجمة عن القص سوف تحدث بزاوية معينة كما هو واضح في الرسم L وM.

3.تبدو أي شقوق ناجمة عن الشد تحت مساحة مقطع العمود شاقولية؛ لأنها سوف تكون عمودية على قوى الشد الأفقية. ولكنها تكون مائلة إلى الأسفل وخارجة عن المحور المحايد خارج مساحة العمود، وذلك بسبب الجمع ما بين قوى الشد الأفقية وقوى القص الشاقولية. وكحالة حدية، فإن زاوية ميل الشقوق يمكن افتراضها 45°.

4.باعتبار زاوية ميل الشقوق 45°، تسبب قوى القص الشاقولية إجهادات شادة وقاصة تؤثر في المقطع المائل، تضاف إلى الإجهادات الناتجة من الانعطاف، وهذا الشرط يُعدّ الحالة الحرجة لإجهادات الشد الرئيسية .

خطوات تصميم الأساسات السطحية

أولاً: الأساسات المنفردة المعرضة لحمولة شاقولية مركزية:

تتصرف الأساسات المربعة والمستطيلة بطريقة الأساسات الدائرية نفسها، ومن الدراسة السابقة يتبين مايلي:

1- التصميم على عزوم الانعطاف: تقع المقاطع الحرجة لعزوم الانعطاف عند وجه العمود وذلك بالاتجاهين كما هو موضح في الشكل (11)، حيث تُحسب عزوم الانعطاف هذه كما يلي:

الوصف: 5-11.psd
الشكل (11): المقاطع التصميمية للأساسات المنفردة

 

بالنسبة إلى القصير JK والضغط المؤثر في المساحة JKHG

بالنسبة إلى الطويل LM والضغط المؤثر في المساحة LMHE

2- التماسك: يحسب على المساحات السابقة نفسها.

3- الإجهادات الشادة الرئيسية : يجري التحقق من هذه الإجهادات عند المقطع الذي يبعد بمسافةd عن أوجه العمود، إذ ينتج القص على المقطع RS الذي يبعد بمسافة d عن وجه العمود CD من تأثير الضغط على المساحة HOSRNG. وكذلك الحال فيما يتعلق بالقص الناتج من تأثير الضغط في الاتجاه الآخر على المساحة PTSO.

4- دراسة الانهيار على الثقب المباشر وغير المباشر:

عندما توضع الأساسات على تربة ذات قدرة تحمل عالية؛ فإن هناك خطراً لانهيار الأساس من جراء الثقب (الشكل 12)، وتسمى هذه الحالة بالثقب المباشر. ويكون ذلك الانهيار في المقطع AB وCD.

الوصف: 5-12.psd
الشكل (12): انهيار ثقب مباشر محتمل للأساس

 

تحدث الشقوق الناجمة عن الشد في الخرسانة تحت المحور المحايد بسبب تمدد حديد التسليح، لذلك فإن الجزء k*d من المقطع الخرساني (غير المتشقق) هو الذي سيقاوم الانهيار بهذه الطريقة (الثقب المباشر).

تُحسب الإجهادات في هذه الحالة كما يلي المعادلة (2):

الوصف: 5373.jpg

حيث:

الوصف: 5362.jpg

k = 0.3

a, bأبعاد العمود

ولكن الانهيار ينجم في الغالب عن الشد بشكل مائل (الشكل13) (ثقب غير مباشر) حيث يُعدّ المقطع الحرج الناتج من الثقب غير المباشر على بعد d/2 من وجه العمود .

الوصف: 5-13.psd
الشكل (13): انهيار ثقب غير مباشر محتمل للأساس

 

هذا، وتحسب الإجهادات في هذه الحالة كما يلي: المعادلة (3)

الوصف: 5351.jpg

حيث:

الوصف: 5341.jpg

k = 0.85

a1=a+d , b1=b+d

ويُفترض أن ارتفاع المقطع الذي يقاوم الانهيار بهذه الطريقة يساوي إلى 0.85d. وهو افتراض مقبول ضمن المجال المحدد لتأثير القوة التي تسبب الانهيار (حيث جرى تكبير هذه القوة بافتراض المقطع الحرج على بعد 0.5 d).

وتجدر الإشارة إلى أن قوى القص هي عادة ما تحكم ارتفاع الأساس ht، وأنه نادراً ما يسبب الضغط في الخرسانة الناجم عن الانعطاف حالة حرجة للإجهادات في الأساسات المصمَّمة تصميماً مقبولاً (أبعاد الأساس مقبولة). ويؤدي الافتراض - بأن كامل عرض الأساس يقاوم الانعطاف - إلى نتائج مقبولة.

ثانياً: الأساسات المشتركة :

تنبع الحاجة إلى استخدام الأساسات المشتركة من الأسباب التالية :

- عندما يكون صف من الأعمدة على نسق واحد قريباً جداً من خط ملكية لبناء آخر مجاور؛ حيث سيؤدي استعمال الأساسات المنفردة إلى تحميلها لا مركزياً.

- عندما يكون عمودان قريبين جداً أحدهما من الآخر؛ وهذا ما يؤدي إلى تداخل الأساسات المنفردة بعضها مع بعض.

- عندما يرغب المهندس المصمم في ربط الأساسين معاً، وذلك لمقاومة قوى الدفع العلوي أو القوى الأفقية.

- عندما يكون المنشأ جسر أو قنطرة لها ركائز مؤلفة من عمودين أو أكثر وتستند إلى تربة ضعيفة التحمل؛ فإنه من المفضل تصميم أساس مشترك.

- عندما يكون مبدأ عمل الأساس المشترك هو الأفضل إنشائيَّاً .

تحدد مقاييس الأساسات المشتركة بحيث تحقق الشرطين التاليين :

1.أن يتطابق مركز ثقل مساحة الأساس مع نقطة تطبيق محصلة الحمولات المطبقة عليه، وهذا ما يؤدي إلى توزع ضغط على التربة توزعاً منتظماً تقريباً.

2.ألاَّ يتجاوز الضغط المطبَّق على التربة الضغط المسموح به.

تُحدَّد خطوات تصميم هذه الأساسات بما يلي :

- بعد تحديد أبعاد الأساس في المسقط من الشرطين السابقين؛ يجري تحديد رد فعل التربة أسفله ورسم مخطط القص والعزم بافتراض الأساس محمّلاً برد فعل التربة. ومن ثم يُحسب ارتفاع الأساس الفعال d من أجل العزم الأعظمي.

- يجري التحقق من الإجهادات الشادة الرئيسية على بعد d من وجه العمود المعرض لأكبر قوة قاصة بحسب مخطط القص.

وكذلك يجري التحقق من الثقب المباشر وغير المباشر حول كل من العمودين.

يُحسب التسليح اللازم للعزمين الأعظمي والأصغري، كما يُحسب التسليح بالاتجاه الثاني (العرضي) على العزم الناتج من رد فعل التربة وإلى مسافة تُحدَّد بنقطة انعدام القص. ومن ثمَّ يوزع تحت العمودين وذلك على شريحة بزاوية 45 درجة من طرفي العمود.

ثالثاً: الأساسات المستمرة (الخطية):

وهي الأساسات التي تحمل حمولة من جدار حامل أو استنادي أو من عدة أعمدة تقع على صف واحد. وتُصمَّم هذه الأساسات كما هو الحال في الأساسات المنفردة مع الأخذ بالحسبان أن في هذه الأساسات لا يوجد ثقب مباشر أو غير مباشر .

رابعاً: الأساسات المنفردة والمستمرة المعرضة لحمولة مركزية وعزم انعطاف

تُصمَّم هذه الأساسات تماماً كما ذكر سابقاً، ولكن رد فعل التربة سيكون موزعاً توزعاً خطيَّاً.

خامساً: الأساسات الحصيرية:

يبيَّن الشكل (14) بعض الجمل الإنشائية الشائعة للحصائر وهي:

1- حصيرة ذات سماكة منتظمة في الأجزاء جميعها (الشكل 14-أ).

2- حصيرة ذات سماكة منتظمة مع زيادة السماكة أسفل الأعمدة (الشكل 14-ب).

3- بلاطات وجوائز الشكل (14-ج): لها جوائز باتجاهين وتقع الأعمدة عند تقاطعات الجوائز.

4- بلاطة مع جدران القبو بعدّها جزءاً من الحصيرة (الشكل 14-د)؛ إذ تعمل الجدران على زيادة صلابة الحصيرة .

يمكن بعد تحديد الجملة الإنشائية للحصيرة، إجراء التصميم الإنشائي للحصائر بطريقتين تقليديتين: الطريقة الصلبة التقليدية، والطريقة المرنة التقريبية. ويمكن استخدام طريقتي الفروق المحدودة والعناصر المحدودة.

تُحدَّد خطوات تصميم الأساسات الحصيرية بالطريقة الصلبة التقليدية بما يلي :

1- حساب رد فعل التربة أسفل الحصيرة عند النقاط الرئيسية (الأعمدة) الطرفية.

2- تُقسّم الحصيرة إلى شرائح بالاتجاهين y,x ( وذلك باستخدام المنصفات بين محاور الأعمدة).

3- تُرسم مخططات القص (V) والعزم (M) لكل شريحة مستقلة (بالاتجاهين y,x).

4- يُحصل على العزوم الأعظمية الموجبة والسالبة من مخططات العزوم لكل الشرائح، ومن ثم تُحسب مساحات التسليح في واحدة العرض للتسليح الموجب والسالب في الاتجاهين y,x.

5- يجري التحقق من الثقب المباشر وغير المباشر للعمود ذي الحمولة الأكبر.

الوصف: 5-14.psd
الشكل (14)الجمل الإنشائية للحصائر 

 

يمكن شرح الطريقة المرنة التقريبية لتصميم الحصائر خطوة خطوة فيما يلي، وذلك كما اقترحتها لجنة معهد الخرسانة الأمريكي 436 لعام 1966. إن عملية التصميم تعتمد اعتماداً رئيسياً على نظرية الصفائح، ويسمح تطبيقها بتقييم تأثيرات حمولة عمود مركزة (عزم، قص، سهم) في المنطقة المحيطة بها. وفي حال تداخل مناطق التأثير لعمودين أو أكثر؛ يمكن استخدام طريقة التراكب للحصول على العزم والقص والسهم الصافي عند أي نقطة.

هذا وتُحدَّد خطوات تصميم الأساسات الحصيرية بالطريقة المرنة التقريبية بما يلي :

1- بفرض سماكة الحصيرة (h): يمكن إجراء ذلك وفقاً للخطوة (5) المشروحة في المقطع السابق في الطريقة الصلبة التقليدية.

2- تُحسب الصلابة المرنة R للحصيرة كما يلي: المعادلة (4)

الوصف: 5332.jpg

حيث:

الوصف: 5324.jpg= معامل يونغ لمادة الأساس.

الوصف: 5315.jpg= عامل بواسون لمادة الأساس.

3- يُحسب نصف قطر القساوة الفعالة كالآتي: المعادلة (5)

الوصف: 5306.jpg

حيث الوصف: 5298.jpg= معامل رد فعل التربة.

إن منطقة التأثير لحمولة أي عمود ستكون بين (3-4)L.

4- يُحسب العزمان المماسي Mt والقطري Mr في جملة الإحداثيات القطبية عند نقطة تأثير العمود الناتج من حمولته من المعادلتين التاليتين (6 و 7) (الشكل 15-أ) :

الوصف: 5288.jpg

الوصف: 5280.jpg

حيث:

الوصف: 5269.jpg=المسافة القطرية من حمولة العمود.

الوصف: 5257.jpg= حمولة العمود.

الوصف: 5246.jpgو الوصف: 5235.jpg= توابع لـ(r/L).

إن تغيرات الوصف: 5227.jpg,الوصف: 5219.jpg مع r/L موضحة في الشكل( 15-ب) .وفي جملة الإحداثيات الديكارتية (الشكل 15- أ) تكون المعادلتان (8 و9)

الوصف: 5210.jpg

الوصف: 5201.jpg

5- تُحسب قوة القص (V) لواحدة الطول من الحصيرة الناتجة من حمولة عمود كالآتي: المعادلة (10)

الوصف: 5193.jpg

إن تغير A3 مع r/ L` موضح في الشكل (15-ب).

الوصف: 5-15.psd
الشكل (15): (15-ب) الطريقة المرنة التقريبية لتصميم الحصيرة

 

6- إذا كان طرف الحصيرة يقع ضمن منطقة تأثير العمود، يُحسب العزم والقص على طول الطرف بافتراض أن الحصيرة مستمرة، ويُطبَّق العزم والقص بإشارة معاكسة لتلك المحسوبة على أطراف الحصيرة لتحقيق الشروط المعروفة.

 

عماد مشلح

 

 

مراجع للاستزادة:

-عبد الفتاح القصبي، هندسة الأساسات: تصميم وتنفيذ الأساسات السطحية، دار الكتب العلمية، 2003.

-عبد الفتاح القصبي، هندسة الأساسات: تصميم وتنفيذ الأساسات العميقة والخاصة، دار الكتب العلمية، 2002.

- J. Atkinson, The Mechanics of Soils and Foundations, McGraw-Hill, 1993.

- J. E. Bowles, Foundation Analysis and Design, McGraw-Hill, 1988.

- V. N. S. Murthy, Principles of Soil Mechanics and Foundation Engineering, UBS Publishers’ Distributors Ltd., 2001.

- B. M. Das, Principles of Foundation Engineering, Cengage – Learning, 2011.

- R. F. Scott, Foundations Analysis, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J. 1981.

 

 

 

 

 


التصنيف : الهندسة الإنشائية
النوع : الهندسة الإنشائية
المجلد: المجلد الثاني
رقم الصفحة ضمن المجلد :
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 554
الكل : 27462563
اليوم : 72600