نشست ساختمان

تعریف نشست
نشست بیانگر پایین رفتن سازه به دلایل فشردگی و تغییر شکلی است که در خاک زیر پی بوجود می آید. هر سازه اعم از ساختمان، دیوار، مخزن سد، خیابان و امثال آن که بر روی خاک احداث می شود، در اثر وزن خود تنش هایی در خاک و در ترازهای مختلف زیر پی ایجاد می کند.
این تنشها سبب تغییر حجم خاک شده و منجر به نشست می شوند. مقدار این نشست بستگی کامل به تنش ایجاد شده و خصوصیات فیزیکی، مکانیکی تنش- کرنش خاک دارد. کلیه مواد وقتی تحت تأثیر نیرو قرار گیرند، تغییر شکل می دهند. این تغییر شکل برای یک نیروی معین، ممکن است یکنواخت بوده یا افزایشی و پیشرفت کننده باشد که به مقدار نیرو، نوع نیرو (استاتیکی یا دینامیکی)، مدت زمانی که نیرو بر جسم وارد می شود و بالاخره ویژگی های مکانیکی جسم یا ماده ای که تحت نیرو قرار گرفته است، بستگی دارد.
در آنالیز و طراحی هر سازه، توجه به رفتار جسم تحت تأثیر نیرو، یکی از عمده ترین و اساسی ترین نکات است. بسیاری از مواد و مصالحی که در امور مهندسی به کار گرفته می شوند، بطور قابل قبولی یکنواخت و ایزوتروپیک بوده، به میزان قابل توجهی از قانون هوک پیروی می کنند. مثلا یک میله فولادی که تحت کشش قرار گیرد، به مقدار پیش بینی شده و در محدوده خاصیت الاستیکی فولاد افزایش طول می یابد. بتن نیز با اختلاف کم و بیشی به همین نحو عمل می کند ولی رابطه بین نیروی وارد و تغییر شکل بتن به دقیقی و مشخصی فولاد نیست. در همین راستا خاک از نظر یکنواختی و خصوصیات مکانیکی در شرایطی به مراتب پایین تر از فولاد و بتن است. در نتیجه رفتار خاکی که تحت تأثیر نیرویی (مثلا حاصل از احداث یک بنا) قرار گیرد، کمتر از رفتار فولاد و بتن قابل پیش بینی است، لذا باید با دقت معمولی تغییر شکل حاصل از وارد شدن نیرو بر خاک را پیش بینی و بر اورد کرد و متعاقبا اثر این تغییر شکل به سازه ای را که بر روی آن احداث می شود، مشخص کرد. با وجودی که مقدار نشست ساختمان را فقط در شرایط بسیار استثنائی می توان با دقت بالایی براورد و محاسبه کرد، اما تحلیل تئوری پدیده نشست حداقل به مهندس طراح این امکان را می دهد تا عواملی را که سبب نشست ساختمان یا سازه می گردد، نوع و شکل توزیع آن، و همچنین حدود آن را برآورد کند. دانستن و شناختن همین عوامل، پیش نیاز ضوابط لازم برای طراحی هر سازه ای است. در چهارچوب محدودیتهایی که برای طراحی پی به مهندس سازه، اعمال می شود (مانند رعایت شرایط اقتصادی، خصوصیات سازه ای، معیارهای طراحی و ویژگی های خاک)، هدف مهندس این است که در درجه نخست نشست را بطور کلی از سازه حذف کند و اگر این خواسته امکان پذیر نباشد، مقدار نشست را بطور قابل توجهی تقلیل داده، در محدوده نشست مجاز برای سازه مورد نظر نگه دارد. حصول چنین هدفی بر حسب شرایط موجود، اعمال شرایطی را ایجاب می کند. از جمله کم کردن بار وارد از سازه به خاک یا تقویت و افزایش مقاومت خاک با روشهای گوناگون شناخته شده.

روش های بررسی و برآورد نشست خاک
بررسی میزان نشستی که در اثر احداث یک سازه (قبل از احداث آن) ممکن است در خاک اتفاق افتد به یکی از روش های پنجگانه زیر صورت می گیرد:
1. تخمین میزان نشست از روی بررسی رفتار سازه های موجود در اطراف محل احداث سازه و اندازه گیری مقدار نشست سازه های موجود در منطقه و تعمیم آن به سازه مورد نظره
2. اجرای آزمایش بارگذاری صحرایی با مقیاس بزرگ قبل از شروع عملیات ساختمانی در محل اجرای طرح
3. بارگذاری محلی با صفحه کوچک در محلی که باید پی سازه احداث شود و برآورد نشست احتمالی با استفاده از نتایج به دست آمده از بارگذاری با صفحه کوک از طریق کاربرد روابط شناخته شده مربوط
4. انجام آزمایش های محدود آزمایشگاهی بر روی نمونه هایی که از محل احداث سازه گرفته شده است.
5. بررسی کامل ژئوتکنیک شرایط محلی و حفر گمانه های کافی و لازم همراه با نمونه برداریها، اندازه گیری ها و انجام آزمایشهای صحرایی ضروری، اجرای آزمایشهای آزمایشگاهی که خصوصیات فیزیکی لایه های مختلف خاک را مشخص کند (مانند تعیین رطوبت خاک، تعیین حدود روانی و خمیری خاک ها، توزیع دانه بندی خاک، طبقه بندی خاکها، تعیین وزن مخصوص نسبی، تراکم، وزن مخصوص موجود خاک و ...) و آزمایش های تعیین پارامترهای مکانیکی دینامیکی خاک (مانند تعیین میزان چسبندگی و زوایه اصطکاک داخلی خاک و آزمایش تحکیم و ...).
روشهای اول و دوم در طبیعت خود نارسایی هایی دارند. با روش اول اگر ناممکن نباشد، بسیار مشکل است که با دقت مطلوبی میزان نشست واقعی یک ساختمان برنامه ریزی شده را از روی ساختمان موجود دیگری به دست آورد. چرا که کاملا محتمل است شرایط خاک در دو محل کاملا یکسان نباشد یا نحوه بارگذاری در ساختمان مختلف، متفاوت با روش طراحی آنها متفاوت باشند. با این وجود، بررسی رفتار ساختمان¬های موجود در منطقه ای که در نظر است ساختمان یا سازه جدیدی به وجود آید، اصولا روش تجربی پسندیده و شایسته ای است و اطلاعات کلی و عمومی از رفتار خاک منطقه را به دست می دهد. ضمن آنکه نمی توان با چنین اطلاعات کلی و با متغیرهای متعدد مقدار نشست واقعی سازه جدیدی را محاسبه یا برآورد کرد. در روش دوم واقعیت این است که شرایط بارگذاری صحرایی با مقیاس بزرگ بندرت بطور دقیق مشابه بارگذاری حاصل از احداث سازه خواهد بود. لذا نتیجه به دست آمده از این روش برای محاسبه نشست ساختمان جدید غیر قابل اعتماد است. مخصوصا اگر در زیر ناحیه بارگذاری با مقیاس بزرگ، لایه خاک ریز دانه و چسبنده ای مانند رس، سیلت یا مخلوطی از آنها وجود داشته باشد که نتایج به دست آمده را اشتباه آمیز و در شرایطی کاملا گمراه کننده می کند. ضمن آنکه بارگذاری صحرایی با مقیاس بزرگ با توجه به اطلاعات محدود به دست آمده، هزینه سنگین و سرسام آوری دارد.
روش سوم نیز در واقع دارای همان محدودیتهای روش دوم است، مضافا بارگذاری با صفحه کوچک که معمولا مربعی به ابعاد 30 یا 50 سانتیمتر یا دایره ای با همین قطر است در بهترین شرایط و خوشبینانه ترین اوضاع، توزیع تنش را تا عمقی معادل دو برابر عرض صفحه بارگذاری یا دو برابر قطر دایره صفحه معین می کند و در نتیجه نشست های محتمل را در همین محدوده به دست می دهد که برای برآورد کل نشست در عمقها و لایه هایی که تنش ایجاد می شود، کافی نیست، اگر چه هزینه انجام آن ناچیز است. با روش چهارم تا میزان محدودتر و با روش پنجم تا حد مطلوب و دلخواه، می توان ویژگیهای تغییر حجم خاک و قابلیت تراکم پذیری آنها را با روشهای دقیق استاندارد شده در آزمایشگاه و بر روی نمونه های معرف که از گمانه زنی به دست آمده اند، ارزیابی کرد.
بررسی های ژئوتکنیکی محل اجرای سازه هم اطلاعات جامع و کاملی از لایه های زیرین خاک به دست می دهد و هم برآورد میزان نشست های احتمالی با دقت بیشتری قابل محاسبه است. ضمن آنکه روش پنجم کلیه اطلاعات لازم و عواملی را که برای پیشگیری نارساییها و مشکلات احتمالی آینده ناشی از ویژگی های خاک، مورد نیاز است در دسترس قرار می دهد. هزینه چنین روشی در قیاس با هزینه احداث سازه با هزینه های رفع مشکلات به وجود آمده پس از احداث ساختمان که از عدم اطلاع ویژگیها و خصوصیات خاک ناشی شده است، بسیار کمتر و درصد ناچیزی است.


قابلیت فشردگی خاک و انواع نشست
مجموع نیرویی که از طرف سازه بر پی وارد می شود، بطور عمده در جهت قائم به سمت پایین است و در نتیجه تنشهایی که در توده خاک و در زیر پی به وجود می آید، عمدتا در جهت قائم است و جزیی از آن نیز در اطراف عمل می کند. در شرایط متعارف تنشهای ایجاد شده به مراتب کمتر از مقاومت گسیختگی و نهایی خاک است. لذا چنانچه تنشها سبب تقلیل حجم توده خاک و نشست شوند، قسمت اعظم این نشستها مربوط به تنشهای قائم بوده و تنشهای ایجاد شده در سایر جهات، نشست قابل توجهی به وجود نمی آوردند، لذا در محاسبات پیش بینی مقدار نشست، با دقت قابل قبولی، مقادیر نشست را از روی نشست قائم به دست آورده، از نشستهای ناچیزی که احتمالا از تنشهای غیر قائم ایجاد می شوند، صرف نظر می شود.
بطور کلی نشست در اثر فشردگی خاک به وجود می آید. در خاکهای چسبنده و ریزدانه مانند رسها و سیلتها عامل اصلی نشست، خروج آب از منافذ و فشردگی قائم دانه های خاک و درخاکهای درشت دانه غیر چسبنده، مانند شن و ماسه همگن، عامل اصلی نشست، تغییر وضع جانبی و غلطیدن دانه های خاک بر روی یکدیگر است.
اگر خاک، درشت دانه و غیر چسبده مانند ماسه، شن یا مخلوط شن و ماسه باشد، فشردگی و تقلیل حجم آنها در زمان نسبی کوتاهی صورت می گیرد. در واقع قسمت اعظم نشست ممکن در خاکهای درشت دانه شن و ماسه ای در دوران احداث سازه به وجود می آید که عملا با اتمام سفت کاری ساختمان اتفاق افتاده، به اتمام می رسد. در خاکهای چسبنده ریزدانه، مانند رسها و سیلتهای ریز دانه که دارای ضریب آبگذری بسیاری هستند، خروج و فرار آب از منافذ بسیار ریز و به هم پیوسته آنها سبب نشست در این گروه از خاکها می شود. خروج آب از منافذ، بسیار آرام و آهسته صورت می گیرد و فشردگی خاک نیز به آرامی و آهستگی اتفاق می افتند. به عبارت دیگر با توجه به اینکه خروج آب از منافذ خاک ریزدانه به زمان بسیار طولانی تری نسبت به خاکهای درشت دانه نیاز دارد، فشردگی کل لایه های رسی اشباع شده، در زمان بسیار طولانی تری نسبت به خاکهای درشت دانه اتفاق می افتد. یعنی نشست در خاکهای ریزدانه در مدت طولانی روی می دهد و لذا تابعی از زمان است. بیان دیگر و دقیقتر این مطلب به این صورت است که نشست در پی هایی که تحت تأثیر نیرو قرار می گیرند، به دو گروه عمده تقسیم می شوند:
نشست آنی یا نشست الاستیک: نشست فوری یا نشست الاستیک در حین احداث سازه یا ساختمان یا بلافاصله بعد از اتمام آن اتفاق می افتد. لیکن نشست تحکیمی که تابعی از زمان است، نیاز به زمان دارد و مخصوص خاکهای ریزدانه و چسبنده است که در اثر خروج آب از منافذ پیچ در پیچ و به هم پیوسته خاکهای چسبنده که به حالت اشباع باشند، به وقوع می پیوندد. نشست کل سازه، مجموع دو نوع نشست فوری (الاستیک) و نشست تحکیمی است.
نشست تحکیمی: نشست تحکیمی نیز شامل دو مرحله است:
مرحله اول: تحکیم اولیه که در نتیجه آن آب و هوا از منافذ خاک خارج می شود.
مرحله دوم: تحکیم ثانویه یا خزش خاک است و در زمانی اتفاق می افتد که نشست تحکیمی مرحله اول به پایان رسیده باشد و به نظر می رسد که این مرحله به علت تغییر شکل خمیری خاک و در نتیجه فرآیند پیچیده کلوئیدی- شیمیایی است. اگر چه برخی از محققین و دانشمندان وقوع آن را به دلیل لغزیدن دانه های خاک تحت فشار بر روی یکدیگر بیان کرده اند، احتمالا صحیح تر آن است که گفته شود: نقش چنین فرایندی هنوز بدرستی معلوم نشده است. از دو مرحله نشست تحکیمی، تحکیم مرحله اول یا تحکیم اولیه معمولا بسیار وسیعتر و بزرگتر است و در ضمن با سهولت بیشتری قابل پیش بینی و محاسبه است و با رشد افزایشی سریعتر و خیز زیادتری به وقوع می پیوندد. به همین جهت تحکیم اولیه در امور مهندسی با اهمیت تر از تحکیم مرحله دوم یا تحکیم ثانویه است. نشست تحکیمی مرحله اول مربوط به خاکهای ریزدانه معمولی و غیر آلی رسی و سیلتی است که در طبیعت به وفور یافت می شود. این نوع خاکها دارای ترکیبات معدنی و معمولی هستند، در حالی که تحکیم ثانویه مربوط به خاکهای کاملا آلى است. لذا نشست تحکیمی مرحله دوم نیز در این قبیل خاکها اهمیت خاص خود را دارد. نشست را به علت خرابیها و آثاری که در بناها و ساختمانها به وجود می آورد نیز به دو گروه تقسیم می کنند:
نشست یکنواخت: اگر در اثر نشست و تغییر شکل، در تراز زیر پی¬ها هیچگونه اختلاف نسبی به وجود نیاید یا به عبارت دیگر نشست در همه جا به یک اندازه باشد، آن را نشست یکنواخت می گویند. نشست یکنواخت، چون تغییری در توزیع تنشها به وجود نمی آورد اهمیت عمده ای ندارد، اگر چه تأثیر آن در ساختمان، مربوط به پاره ای از تأسیسات مانند لوله های آب، گاز و فاضلاب است که در آنها مشکلاتی ایجاد کرده، حتی در مواردی مخصوصا اگر مقدار نشست یکنواخت زیاد باشد، می تواند سبب کج شدگی و شکستگی آنها شود.
نشست غیر یکنواخت یا نامتجانس: نشست غیریکنواخت یا نشست نامتجانس در یک سمت سازه متفاوت با مقدار نشست سمت دیگر است. در نتیجه اختلافی در میزان نشست دو قسمت سازه به وجود می آید و سبب می شود توزیع تنش در لایه زیرین خاک به هم خورده، سیستم کلاف بندی سازه ساختمان نامتعادل شود. به همین دلیل نشست غیریکنواخت از اهمیت خاصی برخوردار است. در این مورد اگر چه مهندس طراح با «مقدار کل نشست» و نسبت رشد یا خیز تحکیم سر وکار دارد، لیکن واقعیت این است که ضمن ضروری بودن اطلاع از کل نشست غیریکنواخت یا نشست نسبی که خرابیهای عمده و بعضأ فاجعه آمیز سازه ها مربوط به آن است، بسیار با اهمیت تر از کل نشست است و به همین دلیل در تمام کدهای ساختمانی جهان بر حسب شرایط و نوع سازه، محدودیتهای جدی برای میزان نشست غیریکنواخت در نظر گرفته اند که رعایت آنها سبب جلوگیری از نابسامانی های ساختمانی و خرابی های سازهای می شود.