نگرشي به برج پيزا

مقدمه
برجي را فرض كنيد كه بر روي زميني نهاده شده است كه شامل مواد انسجام يافته اي از ژله و يا اسفنج مي باشد و اين مواد در عمق زمين با يكديگر سايش دارند. انحراف برج به طور بي امان به سوي محلي كه در نهايت خواهد افتاد، در حال افزايش است. هر پارازيتي در زمين در سمت انحراف برج باعث واژگوني برج خواهد شد. از اين بدتر اينكه مصالحي كه براي ساخت برج بكار گرفته شده آنقدر شكننده است كه هر فشاري كه به سبب انحراف برج بوجود مي آيد باعث فرو ريختگي ساختاري برج مي شد اين تصوير وضعيت انحراف برج پيزا را نشان مي دهد و اينكه چرا تثبيت آن كنكاش مهندسين عمران را برانگيخته است.

جزئيات برج و تاريخچه زمين
تصوير شماره ۱، برش عرضي (يابرش مقطعي) از برج ۱۴۵۰۰ تني را نشان مي دهد كه يك برج ناقوس در مجاورت كليساي جامع است. برج تقريباً ۶۰ متر ارتفاع داردو قطر پي آن ۶/۱۹ متر است پي ها در حدود ۵/۵ درجه به سمت جنوب شيب دارند و قرنيز هفتم در زمين در حدود ۵/۴ متر آويزان است.

سطوح دروني و بيروني برج استوانه اي با مرمر پوشانده شده است اما فضاي بين اين پوشش با خرده سنگ و گل و آهك كه در ميان آنها خلل و خرج بسياري ديده مي شود، پر شده است. يك پلكان مارپيچي، انحناء يافته در اين دواير وجود دارد.
زمين زير برج (تصوير شماره۲) از سه لايه متمايز تشكيل شده است. لايه A در حدود ۱۰ متر ضخامت دارد و عمدتاً از رسوبات نرم شني دهانه رودها و گل و لاي رسي كه از حالات جزر و مدي به جا مانده اند، تشكيل شده است. بر اساس گونه هاي نمونه برداري شده و آزمايشهاي مخروط به نظر مي رسد.
جنس مواد جنوب برج نسبت به شمال برج كه تراكم بيشتري دارد بيشتر از جنس رس باشد.
لايه B خاك رس نرم و حساسي است كه به طور طبيعي با خاك رس دريايي آميخته شده است. خاك رسي كه با نام پانكون شناخته مي شود و حدوداً تا عمق ۴۰ متري گسترش يافته است.
اين مواد بسيار حساس هستند و اگر دچار آشفتگي شوند استحكام خود را از دست مي دهند. لايه C، شن متراكم است كه تا عمق قابل توجهي گسترش يافته است. سفره آب در گستره لايه A بين ۱ تا ۲ متر زير سطح زمين قرار دارد.
سطح روي خاك رس پانكون كه در زير برج به شكل مقعر شده است نشان مي دهد كه ميانگين نشست بين ۵/۲ و ۳ متر است. كه دليل معتبري است كه نشان مي دهد چقدر زمين زير برج نرم است.

تاريخچه برج:
كار بر روي برج در تاريخ ۹ آگوست سال ۱۱۷۳ آغاز شد. تا سال ۱۱۷۸ كار ساخت تا حدود كل كار تا طبقه چهارم پيش رفته بود كه كار متوقف شد دليل توقف كار مشخص نشد، اما مي بايست بيش از اين ادامه مي يافت و توانايي تحمل برج بر روي خاك رس پانكون مورد آزمايشي قرار مي گرفت. كار دوباره در سال ۱۲۷۲ زمانيكه استحكام خاك رس به واسطه تحكيم رس زير وزن برج افزايش يافته بود. در حدود سال ۱۲۷۸ هنگامي كار ساخت به هفتمين قرنيز رسيد شايد به دليل فعاليت ارتشي دوباره كار متوقف شد. جاي هيچ شكلي وجود نداشت كه كار بايد ادامه مي يافت، سرانجام برج سقوط مي كرد. در سال ۱۳۶۰ كار بر روي اتاقك زنگ آغاز شد و در سال ۱۳۷۰ تقريباً ۲۰۰ سال بعد از شروع كار كامل شد.(تصوير شماره۳)

محور برج مستقيم نيست و اين نشان دهنده اين است كه فراموسون براي تغيير شيب از ساختار اوليه بايد اصلاح شوند.
هندسة برج بازسازي انحراف برج بكار گرفته مي شد. در ابتدا در سال ۱۲۷۲ وقتي كه كار بازسازي برج دوبار آغاز شد برج كمي به سمت شمال به مقدار قابل ملاحظه اي در حدود ۰٫۶ درجه انحراف پيدا كرد هنگامي كه كار بازسازي ادامه پيدا كرد، بعد از آن برج آهنگ فزاينده اي بدست جنوب منحرف شد. در سال ۱۲۷۸ هنگامي كه بازسازي به قرنيز هفتم رسيد، برج در حدود ۶/۰ درجه كج شد. در طول ۹۰ سال وقفه، انحراف در حدود ۶/۱ درجه افزايش يافت. بعد از تكميل اتاق ناقوس تقريباً در سال ۱۳۷۰، انحراف برج به طور شگرفي افزايش يافت.

در سال ۱۸۱۴ سنجش شاغول توسط ۲ مهندس انگليسي به نامهاي كرسي و تايلور ساخته شد و آنها انحراف برج را به ۵% رساندند. اندازه گيري هاي بيشتر توسط مهندس فرانسوي در سال ۱۸۵۹ نشان داد كه خاكبرداري از (كاتينو) توسط گراردسكا در سال ۱۸۳۸ باعث افزايش قابل ملاحظه اي در انحراف برج در حدود درجه شد.

اين تاريخچه از انحرتف برج براي سنجيدن ماكت شماره اي برج و زمين زير آن بكار گرفته مي شد. تصوير شماره ۵، نمودار تغييرات پيش بيني شده انحراف برج بر حسب زمان را نشان مي دهد و آن را با ارزشهاي واقعي نتيجه گيري شده مقايسه مي كند.

ماكت برج اولين چرخش كوچك برج به سمت شمال را نمايان نكرد. اما از سال ۱۲۷۲ به بعد مطابقت قابل توجهي بين ماكت و انحراف واقعي برج بوجود آمد. در خور توجه است كه فقط هنگامي كه اتاق ناقوس در سال ۱۳۶۰ ساخته شد، انحراف برج به طور شگرفي افزايش يافت. همچنين شايان ذكر است كه خاكبرداري از كاتينو در سال ۱۸۳۸ منجر به چرخش پيش بيني شده برج درحد ۷۵/۰ درجه شد. آنچه قابل ملاحظه است اين است كه در حال حاضر انحراف برج ماكت ۴۴/۵ درجه است كه كمي كمتر از مقدار واقعي آن يعني ۵/۵ درجه است. مهندسين دريافته اند كه هر افزايش بيشتري در انحراف نهايي مدل برج در نتيجه بي ثباتي آن است. و اين يك دليل واضح است كه برج به سوي سقوط، نزديك مي شود. ناپايداري قريب

الوقوع فونداسيون برج به خاطر ضعف زمين نيست بلكه مي تواند به قابليت تراكم بالاي خاك رس پانكون (پانكون كلي) مربوط باشد. اين پديده (خم شدگي بي ثبات) نام دارد. مهم نيست با چه دقتي ساختمان، بنا شده است روزي برج به ارتفاع حساسي مي‌رسد كه كوچكترين فشاري انحراف و بي ثباتي آن را افزايش خواهد داد. برجهايي كه بچه ها بر روي فرش نرم مي سازند با اين پديده آشناست.

رفتار قابل رؤيت برج در قرن بيستم
غالباً در اين قرن انحراف برج با واحد سنجش آرك ثانيه در حال افزايش است.(۵ آرك ثانيه برابر است با ۵/۱ ميلي متر جابجايي در بالاترين نقطه برج). مطالعه اين تحركات براي پيشبرد درك رفتار برج با اهميت است .و عميقاً بر روي تصميماتي كه توسط كميسيون گرفته مي شود تأثير دارد.

از سال ۱۹۱۱، انحراف برج به طور منظم بوسيله وسايل گوناگون از ابزار دقيق اندازه گيري شد. تصوير ۶ تغييرات انحراف را با زمان نشان مي دهد. از اين تصوير مي توان فهميد كه منحني، صاف نيست اما شامل نتايج بسيار مهمي است. در سال ۱۹۳۴، ۳۶۱ سوراخ در پي برج ايجاد كرد و حدود ۸۰ تن دوغاب (ملات) به منظور مستقيم كردن ساختمان برج داخل سوراخها تزريق كرد. اين فعاليت باعث افزايش ناگهاني انحراف برج در حدود ۳۱ آرك ثانيه شد. در سالهاي آخر دهه ۱۹۶۰ و نزديك دهه ۱۹۷۰، پمپ كردن شن هاي پائين تر باعث نشست و انحراف برج به سمت جنوب غربي برج پيزا شد.

اين امر موجب انحراف برج در حدود ۴۱ آرك ثانيه شد. هنگامي كه پمپ شن ها، انحراف برج را كاهش داد و باعث شد تا سرعت انحراف برج به سرعت قبلي برگردد. اين اتفاق و چنين اتفاقات كوچكي از اين گونه وقايع نشان مي دهد كه برج آنقدر شكننده و حساس است كه حتي كوچكترين لرزش زمين در قسمت جنوبي برج براي هم تراز كردن آن باعث انحراف آن مي شود. بنابراين هر اقدام اصلاً مي بايد شامل كوچكترين لرزش نباشد. به علاوه سرعت انحراف برج در حال افزايش است .
تحليل دقيق اندازه گيري نشان مي دهد كه برج در حدود يك سطح نقطه با اولين قرنيز در حال چرخش است كه قسمت شمالي فونداسيون در حال بالا رفتن است.

اين يافته روش حياتي جهت پايداري فونداسيون برج، شناخت دليل ادامه چرخش برج با وجود سفره آب در حال نوسان در كران A را اثبات كرد.
روشهاي تثبيت موقت
همانطور كه در مقدمه ذكر شد. ۲ مشكل متمايز وجود دارد كه ثبات برج را تهديد مي كنند. مهمترين آنها استحكام برج است. تغيير در برش عرضي ديوارها در سطح طبقه اول، با موقعيت پلكان مارپيچي تركيب شده(تصوير ۷) باعث افزايش تمركز فشار بر روي قسمت

جنوبي، ترك خوردن روكش مرمري در اين محل مي شود. تقريباً تعيين ميزان ايمني برج در برابر گسيختگي آن غير ممكن است، اما نتيجه اين گسيختگي مي تواند فاجعه آميز باشد.
مشكل دوم، پايداري فونداسيون در مقابل واژگوني است.

مرحله اول اين بود كه ايمني كناره در برابر هر دو روش گسيختگي، را با هر سرعتي كه امكان دارد بوسيله ابزار و اقدامات موقتي افزايش دهند. و به اين هدف نيز دست يافتند.
مرحله دوم، گسترش دائمي راه حل هاي تشخيصي كه نيازمند زمان هستند و به مرحله عمل رساندن تحقيقات و آزمايشات ضروري بازسازي به نحوي كه شامل كمترين مداخله ممكن باشد، بدون هيچ خرابي، واژگوني و قابليت بكارگيري افزاينده در مهار انحراف باشد.

مشكل بنا با چسب هاي پلاستيكي كه گرداگرد برج ريخته شده اند در اولين قرنيز و در فضاي بالاي دومين طبقه مفيد واقع شد. كارها در تابستان ۱۹۹۲ به مرحله عمل رسيد و نزديك كردن بعضي از ترك ها به يكديگر در كاهش خطر خم شدگي و روكش مرمري مؤثر بود.

گسترش پايداري فونداسيون بوسيله كاربرد موقتي وزنه ۶۰۰ تني سربي به قسمت شمالي فونداسيون از طريق ريختن حلقه بتني با فشار، دور پي برج در سطح ستونپايه، بدست آمده است. بكارگيري وزنه موقت سبب كاهش انحراف در حدود ۱ دقيقه آرك و سبب كاهش گشتاور واژگوني در حدود ۱۰ درصد شد. در سپتامبر سال ۱۹۹۵ نيروي وزنه به ۹۰۰ تن به منظور كنترل حركات برج افزايش يافت.