الأساس في البناء هو الجزء السفلي من المبنى الذي ينقل وزن الهيكل والقوى المؤثرة عليه إلى التربة أو الصخور الموجودة تحته. وهو يعمل على توزيع هذه الأحمال على مساحة كافية من الأرض بحيث يبقى المبنى مستوياً، ولا يهبط بشكل غير متساوٍ، كما يقاوم الرياح والصقيع والحركة الزلزالية. يندرج كل أساس ضمن إحدى فئتين: السطحية أو العميقة، ويُختار النوع المناسب بناءً على الحمولة فوقه والتربة تحته. تتناول الفقرات التالية ما يقوم به الأساس، وكيف تختلف القاعدة عن الأساس، وأهم أنواع الأساسات السطحية والعميقة، والعوامل التي تحدد الاختيار، وكيف تعمل الأساسات تحت المباني الفولاذية والمعدنية.
ما يفعله الأساس فعلياً
للأساس مهمة رئيسية واحدة: نقل جميع الأحمال التي يحملها المبنى إلى الأرض دون أن يتسبب ذلك في هبوط غير متساوٍ للهيكل، أو انحرافه، أو تشققه. تنقسم هذه الأحمال إلى ثلاث مجموعات: الحمولة الثابتة الناتجة عن وزن المبنى نفسه، والأحمال المتغيرة الناتجة عن الأشخاص والمعدات والثلوج، والأحمال الجانبية الناتجة عن الرياح والزلازل. وعلى الأساس أن يجمع كل هذه الأحمال ويمررها إلى التربة القادرة على تحمل هذا الضغط.
العامل الحاسم هو قدرة تحمل التربة، أي أقصى ضغط يمكن للتربة استيعابه قبل أن تفشل أو تهبط أكثر من اللازم. يصمم المهندسون الأساس بحيث يبقى الضغط الواقع عليه أقل من هذا الحد، ولهذا السبب حساب الأحمال الإنشائية يحدث قبل صب أي خرسانة. العلاقة مباشرة: فالعمود الذي يحمل وزنًا أكبر، أو الذي يرتكز على تربة أضعف، يحتاج إلى قاعدة أوسع أو أعمق للحفاظ على الضغط ضمن الحدود المقبولة. وإذا أُسيء تحديد ذلك، فسوف يُظهر المبنى ذلك لاحقًا من خلال تشققات في الجدران، وأبواب عالقة، وأرضيات غير مستوية.
القاعدة مقابل الأساس — حيث يقع الناس في حيرة
القاعدة والأساس ليسا نفس الشيء، رغم أن المصطلحين يُستخدمان بالتبادل باستمرار. القاعدة هي القاعدة الموسعة التي ترتكز مباشرة على التربة وتوزع الحمل على مساحة أكبر. أما الأساس فهو نظام الجدار أو البلاطة أو الركيزة الذي ينقل وزن المبنى إلى تلك القاعدة. وفي المنزل العادي، تكون القاعدة هي اللوحة الخرسانية الواسعة في الأسفل، بينما يرتكز جدار الأساس فوقها.
هذا الفصل مهم لأن الجزأين يخضعان لقواعد مختلفة. يجب أن تصل القاعدة إلى ما دون مستوى التجمد، وهو العمق الذي يتجمد عنده رطوبة التربة، وأن تستقر على تربة صلبة، حتى لا يؤدي التجمد الموسمي إلى دفعها للأعلى. أما الأساس فوقها فيكفي أن يكون قويًا بما يكفي لربط القواعد معًا والحفاظ على استقامة المبنى. ومعرفة أي جزء هو أيٌّ منها تمنع البنّاء من وضع جدار قوي على قاعدة ضحلة جدًا أو ضيقة جدًا بالنسبة للتربة.
الأساسات الضحلة ومتى تكون فعّالة
تقوم الأساسات الضحلة بحمل المبنى على التربة القريبة من السطح، وهي الخيار الافتراضي كلما كانت التربة القريبة من سطح الأرض صلبة بما يكفي لتحمل الحمل. وتنتشر هذه الأساسات أفقيًا أكثر مما تغوص عموديًا، مما يجعل بناءها أسرع وأقل تكلفة من الأنظمة العميقة. ومعظم المنازل والمباني التجارية الصغيرة والمنشآت الفولاذية الخفيفة ترتكز على أحد الأنواع الأربع الضحلة التالية.
القواعد المنفصلة (الموزعة)
يدعم الأساس المنعزل عمودًا واحدًا على وسادة مربعة أو مستطيلة خاصة به. يتم تحديد حجم كل وسادة بما يتناسب مع الحمل الذي ينقله العمود الواحد، لذا فإن العمود الأثقل أو التربة الأضعف يتطلبان وسادة أكبر فقط. ويُعد هذا الخيار الأرخص عندما تكون المسافة بين الأعمدة كافية بحيث لا تتداخل أسسها.
Combined Footings
يتحمل الأساس المشترك عمودين أو أكثر على قاعدة واحدة مشتركة. ويُستخدم عندما تكون الأعمدة قريبة جدًا من بعضها البعض، أو قريبة جدًا من حدود الملكية، بحيث تتقاطع الوسادات المنفصلة. كما أن ربط الأعمدة بأساس واحد يساعد أيضًا على توحيد الضغط عند اختلاف أحمالها.
أساسات شريطية (متصلة)
الأساس الشريطي هو شريط طويل ومستمر من الخرسانة يمتد تحت جدار حامل للأحمال. وهو يجمع الحمل الخطي الصادر عن الجدار العلوي وينشره على طول التربة السفلية، ولذلك يُعتبر الخيار القياسي تحت الجدران الخارجية والداخلية في المباني الإنشائية والسكنية.
أساسات اللوح (الحصيرة)
الأساس اللوحي هو بلاطة سميكة واحدة تمتد تحت كامل مساحة المبنى. وهو الحل المناسب عندما تكون التربة ضعيفة، أو تكون الأعمدة متقاربة جدًا، أو تكون الأحمال كبيرة إلى درجة تجعل الأسس الفردية تحتاج إلى أن تكبر حتى تكاد تلمس بعضها البعض. ومن خلال العمل كقاعدة واحدة كبيرة، يحافظ الأساس اللوحي على استقرار المبنى فوق التربة كوحدة متكاملة، بدلاً من أن يخترق أي عمود بمفرده التربة.
الأساسات العميقة للتربة الضعيفة أو الأحمال الثقيلة
تتجاوز الأساسات العميقة الطبقة السطحية الضعيفة لتصل إلى طبقات صلبة أو صخرة عميقة تحت الأرض. تُستخدم عندما لا تستطيع القواعد الضحلة توفير قدرة تحمل كافية، وهو ما يحدث في التربة الطينية اللينة، أو الردم العميق، أو عند ارتفاع منسوب المياه الجوفية، أو مع الأحمال الكبيرة المركزة الناتجة عن المنشآت الشاهقة أو الصناعية. ونظراً لأن الوصول إلى طبقة التربة المناسبة يكلف أكثر ويحتاج إلى معدات متخصصة، فإن الأنظمة العميقة تُعتمد عندما تكون الأنظمة الضحلة غير قادرة فعلياً على تحمل الأحمال.
أساسات الركائز
الخوازيق هي أعمدة طويلة ورفيعة مصنوعة من الخرسانة أو الفولاذ، يتم دفعها أو حفرها عميقاً في الأرض. أما الخوازيق ذات القدرة على التحمل عند الطرف فتمر عبر الطبقات اللينة وتستقر قمتها على الصخر أو التربة الكثيفة، فتعمل تقريباً كأعمدة تمتد إلى طبقة صلبة في الأسفل. بينما تعمل خوازيق الاحتكاك على نقل الحمل عبر قوة الاحتكاك بين سطح الخازوق والتربة المحيطة به على كامل طوله. واعتماداً على موقع الطبقة الصلبة، يمكن أن يتراوح طول الخوازيق من بضعة أقدام إلى أكثر من مئة قدم.
الأعمدة المحفورة والكايصونات
العمود المحفور، الذي يُسمى أيضاً الكايصون، هو حفرة كبيرة القطر يتم حفرها في الأرض وتعبئتها بالخرسانة المسلحة. وهو يعمل مثل خازوق سميك مصبوب في الموقع، ويمكنه تحمل أحمال أعمدة كبيرة جداً بمفرده. وبما أن العمود يدعم المنشأة ويعمل في الوقت نفسه على حجز التربة المحيطة أثناء بنائه، فإنه يناسب المباني الثقيلة وأعمدة الجسور حيث يكون وضع مجموعة من الخوازيق الصغيرة أمراً أكثر صعوبة.
ما الذي يحدد الأساس المناسب؟
يتم تحديد نوع الأساس من خلال مطابقة أربعة عوامل: الحمولة الساقطة، قدرة تحمل التربة، عمق التجمد المحلي، ومنسوب المياه الجوفية. ولا يعتمد أي منها على التفضيل الشخصي؛ بل يتم قياس كل منها أو تحديدها، وتؤدي هذه العوامل مجتمعة إلى استبعاد معظم الخيارات قبل بدء التصميم.
تأتي التربة في المقام الأول، إذ إن الدراسة الجيوتقنية توضح للمهندس مقدار الضغط الذي يمكن للتربة تحمله وكيف تتصرف عند تعرضها للرطوبة أو الأحمال. فالتربة السطحية الضعيفة تدفع التصميم نحو استخدام ألواح الأساس أو الخوازيق، بينما تسمح التربة الصلبة باستخدام قواعد بسيطة. وفي حال كانت التربة سيئة، فإن إدخال ردم أفضل وضغطه قد يكون أرخص من الحفر إلى أعماق أكبر. كما يحدد عمق التجمد المسافة التي يجب أن تصل إليها القواعد حتى لا يرفعها التجمد، وقد يفرض ارتفاع منسوب المياه الجوفية اعتماد حل عميق أو ألواح أساس مع تعزيز إضافي للعزل المائي. ثم تحدد لوائح البناء المحلية الحد الأدنى للأعماق، ومتطلبات التعزيز، وقيم قدرة التحمل، وهي تختلف من منطقة لأخرى بسبب اختلاف المناخ والتربة. وتبقى خطوات التحقق واحدة: الحصول على تقرير التربة، وتقديمه مع الأحمال الإنشائية إلى المهندس، ليقوم هذان المدخلان باختيار الأساس المناسب.
أساسات المباني الفولاذية والمعدنية
A أساس المبنى الفولاذي يتبع نفس المنطق القائم على التمييز بين السطح والعمق كما في أي هيكل آخر، لكنه يفرض متطلبين إضافيين. إذ يجب أن يتطابق مع ترتيب براغي التثبيت في الإطار، كما يجب أن يقاوم قوة الرفع الناتجة عن الرياح القوية التي تجذبها المباني المعدنية الخفيفة. ونظراً لأن الإطار خفيف مقارنة بمساحة سطحه، فإن الأساس غالباً ما يعمل ضد قوة الرفع بقدر ما يعمل ضد قوة الدفع الهابطة.
A ألواح خرسانية لمبنى فولاذي هو الخيار المعتاد، إذ إن صبّاً واحداً يوفّر أرضية نهائية وكذلك القاعدة التي تُثبت فيها الأعمدة. أما عندما يحتاج المبنى إلى أرضية من التراب أو الحصى فقط، كما في المنشآت الزراعية أو المفتوحة، فيُستخدم أساس عمودي يُركّز فيه عمود خرساني مسلح تحت كل عمود. كما يمكن وضع حافة أساسية، أو جدار جانبي، حول حواف المبنى لدعم الجدران الإطارية، وغالباً ما يُدمج ذلك مع الأعمدة أو الألواح الخرسانية.
براغي التثبيت هي التي تربط الأعمدة الفولاذية بأي أساس يقبع تحتها. وتُصبّ داخل الخرسانة لتثبيت لوحة قاعدة كل عمود في مكانها ونقل القوى الأفقية وقوى الرفع إلى كتلة الأساس. وتقتضي قواعد تركيب الهياكل الفولاذية في الولايات المتحدة، الصادرة عن OSHA، وجود أربعة براغي تثبيت على الأقل لكل عمود، وذلك لتثبيت العمود أثناء التركيب ولتحمل الأحمال بعد اكتمال الإطار. وبما أن المبنى المعدني الخفيف يتصرف مثل الطائرة الورقية في العاصفة، فإن الأسس والأعمدة غالباً ما تُصمم بحيث تعمل أيضاً كثقل موازن ضد قوة الرفع الناجمة عن الرياح وكذلك لتحمل الأحمال الهابطة.
إن تحقيق هذه التفاعلات بشكل صحيح هو السبب في تصميم الأساس كجزء من النظام الشامل تصميم المباني الفولاذية بدلاً من إضافته لاحقاً. إذ يزوّد صانع الهيكل الفولاذي ببيانات تفاعل الأعمدة وأبعاد لوحة القاعدة ونمط براغي التثبيت، بينما يقوم مهندس الأساس بتصميم الخرسانة بما يتناسب مع تلك البيانات. فعلى سبيل المثال، تقوم شركة Qingdao KAFA بتصنيع الأعمدة ذات الشكل H والأعمدة ذات المقطع الصندوقي وعوارض C/Z في مصنعها بمدينة تشينغداو ضمن نظام إدارة الجودة ISO 9001:2015، وبالتالي تأتي بيانات التفاعل ومواصفات البراغي من المصنع الذي يصنّع الإطار نفسه. فإذا تم صبّ اللوح الخرساني قبل تثبيت هذه العناصر، فقد ينتهي الأمر بخروج براغي التثبيت عن موضعها بالنسبة للإطار.
تثبيت الأساس قبل صب الخرسانة
يتحدد الأساس وفقًا لطبيعة التربة والأحمال، وليس وفقًا لأرخص طريقة للتشكيل؛ لذلك فإن الأعمال الجوهرية تُنجز قبل وصول أي خرسانة. ابدأ بتثبيت تقرير الجيوتقنية والأحمال الإنشائية أولًا، لأنهما معًا يحددان ما إذا كان المبنى سيُقام على أساسات موزعة، أو على بلاطة أساس، أو على ركائز؛ وإذا عكست هذا الترتيب فستكون في حكم المخمن. بالنسبة للمباني الفولاذية أو المعدنية، أضف عنصرين إلى قائمة التحقق السابقة على الصب: ردود فعل الأعمدة وتخطيط براغي التثبيت. فالبلاطة أو الركيزة التي تتجاهل قوة الرفع الناتجة عن الهيكل ونمط البراغي هي التي ستُقطع وتُعاد بناؤها.
الأسئلة الشائعة
ما الفرق بين الأساس والقاعدة؟
القاعدة هي القاعدة الموسعة التي تستند مباشرةً إلى التربة، بينما الأساس هو نظام الجدران أو البلاطات أو الركائز الذي ينقل حمولة المبنى إلى تلك القاعدة. تقوم القاعدة بتوزيع الضغط على مساحة أكبر ويجب أن تكون تحت مستوى تجمد التربة؛ أما الأساس فوقها فيحافظ على استقامة المبنى. وفي الاستخدام اليومي تُستخدم الكلمتان بالتبادل، لكن على المخططات هما جزءان منفصلان.
ما النوعان الرئيسيان للأساسات؟
النوعان الرئيسيان هما الأساسات السطحية والأساسات العميقة. تنقل الأساسات السطحية، مثل الأساسات الموزعة والأساسات الشريطية والبلاطات، حمولة المبنى إلى التربة القريبة من السطح، وهي مناسبة للتربة الصلبة. أما الأساسات العميقة، مثل الركائز والآبار المحفورة، فتمتد عبر التربة الضعيفة إلى الطبقات الصلبة أو الصخر، وتُستخدم عندما لا تستطيع التربة السطحية تحمل الحمولة.
كم يجب أن يكون عمق الأساس؟
يجب أن يصل الأساس إلى ما دون مستوى تجمد التربة المحلي وأن يستقر على تربة صلبة كافية لتحمل الحمولة، ولذلك تختلف الأعماق الدنيا من منطقة إلى أخرى. ففي المناخات المعتدلة يمكن أن تكون الأعماق نسبيًا ضحلة؛ أما في المناطق الباردة فتُعمّق القواعد حتى لا تتمكن التربة المتجمدة من رفعها. ويُحدَّد الرقم الدقيق وفقًا لقوانين البناء المحلية وتقرير التربة، وليس وفق رقم واحد عالمي.
ما هو الأساس الأكثر شيوعًا للمبنى المعدني؟
يُعدّ اللوح الخرساني على مستوى الأرض الأساس الأكثر شيوعًا للمبنى المعدني، إذ يوفّر صبٌ واحدٌ كلًّا من الأرضية وقاعدة التثبيت للأعمدة الفولاذية. وتُستخدم أساسات الأعمدة في الحالات التي لا تتطلب سوى أرضية من التراب أو الحصى، ويمكن لقاعدة محيطية أن تدعم الجدران الإطارية. وتعتمد جميع هذه الأساليب على براغي التثبيت المصبوبة في الخرسانة لتثبيت الهيكل في مكانه.
لماذا يُعتبر الأساس أهم جزء في المبنى؟
الأساس هو العنصر الوحيد الذي ينقل كل الأحمال الموجودة في المبنى إلى الأرض؛ لذلك فإن أي مشكلة تحدث فيه تظهر في جميع الأجزاء الواقعة فوقه. فتسوّس الأساس، وتشقّق الجدران، وفي الحالات الشديدة، الانهيار، كلها تعود إلى أساس كان أصغر من اللازم بالنسبة للتربة أو الأحمال التي يتحملها. كما أن الأساس يُدفَن ويصعب الوصول إليه بعد اكتمال البناء، مما يجعل تصحيحه من البداية أقل تكلفة بكثير من إصلاحه لاحقًا.
مزيد من القراءة
- الفصل 18 من معيار IBC: التربة والأساسات (مجلس الكود الدولي) — الفصل النموذجي من قوانين البناء الذي يحدد عمق القواعد، ومتانة التربة، ومتطلبات الأساسات المستخدمة في جميع أنحاء قطاع البناء في الولايات المتحدة.
- ASCE 7: الحمولات الدنيا للتصميم والمعايير المرتبطة بها (ASCE/SEI) — يحدّد الأحمال الثابتة، والمؤقتة، وحمل الرياح، والزلازل التي يجب على الأساس نقلها في النهاية إلى الأرض.
- OSHA 1926.755 — Column Anchorage (U.S. OSHA) — قاعدة تركيب الهياكل الفولاذية التي تقتضي وجود أربعة مسامير تثبيت على الأقل لكل عمود، وهو ما يجب أن تتكيف معه أساسات المباني المعدنية.
