چه چیزی برج پیزا را از سقوط نجات داد؟
Trip Advisor
برج کج پیزا یکی از شناختهشدهترین سازههای جهان است؛ بنایی که میلیونها نفر برای دیدن انحراف عجیب آن به شهر پیزا در ایتالیا سفر میکنند؛ اما پشت این ظاهر جذاب، داستانی طولانی از مبارزه با زمین ناپایدار، خطاهای معماری و تلاش مهندسان برای جلوگیری از یک فاجعه وجود دارد. (Practical Engineering)
برج پیزا که در کنار کلیسای جامع پیزا قرار دارد، از سال ۱۱۷۳ ساخته شد. سازندگان آن خیلی زود متوجه شدند که ساختمان به یک سمت متمایل شده است. دلیل این اتفاق، خاک زیر بنا بود؛ منطقهای که میلیونها سال پیش محل رسوبگذاری رودخانهای بوده است و ترکیبی از ماسه و خاک رس نرم دارد. این زمین توان تحمل وزن سنگین برج را نداشت و بهمرور باعث نشست نامتقارن پایهها شد.
کار ساخت برج چند بار بهدلیل جنگها و درگیریهای منطقهای متوقف شد. وقتی پس از نزدیک به یک قرن دوباره ادامه ساخت آغاز شد، برج دیگر کاملا صاف نبود. بااینحال، سازندگان تصمیم نداشتند آن را خراب کنند. آنها تلاش کردند با تغییر ارتفاع بخشهای مختلف، کجی سازه را جبران کنند.
در سال ۱۹۹۰، انحراف برج پیزا به مرز خطرناک ۵٫۵ درجه رسید
در نهایت برج در سال ۱۳۷۲ میلادی تکمیل شد، اما مشکل همچنان ادامه داشت. سازه آرامآرام بیشتر خم میشد و در طول قرنها میزان انحراف آن افزایش پیدا کرد. نخستین اندازهگیری دقیق در سال ۱۸۱۷ نشان داد که برج حدود ۴٫۹ درجه کج شده است. این مقدار تا سال ۱۹۹۰ به حدود ۵٫۵ درجه رسید؛ نقطهای که کارشناسان احتمال سقوط برج را جدی دانستند و ورود گردشگران به آن را ممنوع کردند.
زمانی که برج پیزا در آستانه سقوط بود
دولت ایتالیا برای نجات برج پیزا کمیتهای از مهندسان، معماران و متخصصان مرمت تشکیل داد. نخستین کار آنها بررسی دقیق وضعیت برج بود. آنها نمونههایی از خاک اطراف پایه برداشتند، مدلهای رایانهای ساختند و با آزمایشهای مختلف میزان پایداری سازه را بررسی کردند.
نتایج نگرانکننده بود. بررسیها نشان دادند که برج تنها اندکی با فروپاشی فاصله دارد. یکی از پژوهشگران در سال ۱۹۹۳ ضریب ایمنی سازه را حدود ۱٫۰۷ تخمین زد؛ یعنی خاک زیر برج فقط حدود ۷ درصد توان تحمل فشار بیشتری داشت و هر تغییر کوچک میتوانست خطر سقوط را افزایش دهد.
از طرف دیگر، فروپاشی یک برج مشابه در شهر پاویا در سال ۱۹۸۹ نگرانیها را بیشتر کرده بود. مهندسان میدانستند که باید پیش از آنکه دیر شود، راهی برای تثبیت برج پیدا کنند.
اولین راهحل؛ وزنههای سنگین سربی
مهندسان ابتدا یک راهحل موقت برای کاهش خطر انتخاب کردند. آنها یک حلقه بتنی اطراف پایه برج ساختند و حدود ۶۰۰ تن وزنه سربی در سمت شمالی قرار دادند تا مانند یک وزنه تعادل، فشار ناشی از خم شدن برج را کاهش دهد.
این روش ظاهر چندان زیبایی نداشت، اما نتیجه داد. برای نخستین بار در تاریخ، حرکت برج در جهت مخالف کجی متوقف شد و سازه کمی به سمت وضعیت پایدارتر برگشت.
پس از موفقیت اولیه، کمیته تصمیم گرفت راهحل دیگری را آزمایش کند تا وزنههای سنگین از کنار برج حذف شوند. مهندسان پیشنهاد کردند چند لنگر عمیق در زمین نصب کنند تا با کشیدن بخش شمالی پایه، برج را ثابت نگه دارند.
اما این طرح با مشکل جدی روبهرو شد. آنها تصور میکردند مسیر سنگفرش اطراف برج که «کاتینو» نام دارد، ارتباطی با سازه اصلی ندارد؛ اما هنگام اجرای پروژه مشخص شد بخشی از وزن برج روی همین قسمت قرار گرفته است. تغییرات انجامشده باعث شد برج دوباره با سرعت زیاد به سمت خطرناک خم شود.
مهندسان خیلی سریع این طرح را کنار گذاشتند و برای جلوگیری از حرکت بیشتر، ۳۵۰ تن وزنه سربی دیگر اضافه کردند.
روشهایی که شکست خوردند
پس از این اتفاق، مهندسان چند راهکار دیگر را بررسی کردند. یکی از ایدهها خارج کردن آبهای زیرزمینی از خاک زیر بخش شمالی برج بود. آنها امیدوار بودند با کاهش رطوبت خاک، نشست آن کنترل شود، اما درباره تأثیر بلندمدت این روش اطمینان نداشتند.
روش دیگر استفاده از «الکترواسمز» بود؛ تکنیکی که در آن با عبور جریان الکتریکی از خاک، آب میان ذرات رس حرکت میکند و از زمین خارج میشود. مهندسان امیدوار بودند با این روش فقط بخش خاصی از خاک زیر برج را متراکم کنند.
اما آزمایشها موفقیتآمیز نبود. خاک اطراف برج رسانایی زیادی داشت و ترکیب جریان برق، آب و خاک باعث ایجاد مشکلاتی مانند خوردگی و گرما شد. در نتیجه این روش هم کنار گذاشته شد.
حفاری زیر برج؛ راهحل نهایی مهندسان
در نهایت کمیته به سراغ روشی رفت که شاید عجیبترین راهحل به نظر میرسید: خارج کردن مقدار کمی خاک از زیر بخش شمالی برج.
راه نجات برج، خارج کردن کنترلشده خاک از زیر پایه آن بود
مهندسان ابتدا این روش را روی یک سازه آزمایشی نزدیک برج امتحان کردند. آنها با استفاده از متههای زاویهدار، تونلهای کوچکی زیر پایه ایجاد کردند و مقدار مشخصی خاک را بیرون آوردند. پس از چند آزمایش، دریافتند که میتوانند با کنترل محل و ترتیب حفاری، میزان حرکت سازه را تنظیم کنند.
در سال ۱۹۹۹ نخستین آزمایش روی خود برج آغاز شد. مهندسان ۱۲ حفره کوچک زیر پایه ایجاد کردند و طی چند ماه توانستند حدود ۹۰ ثانیه قوسی از میزان کجی برج کم کنند. نتیجه موفقیتآمیز بود و آنها اجرای پروژه اصلی را آغاز کردند.
بازگرداندن برج پیزا به گذشته
از سال ۲۰۰۰، مهندسان ۴۱ حفره زیر برج ایجاد کردند و طی یک سال حدود ۳۸ مترمکعب خاک، معادل نزدیک به ۷۰ تن، از زیر آن خارج کردند. همزمان وزنههای سربی برداشته شدند، سیستم زهکشی برای کنترل سطح آب زیرزمینی نصب شد و پایه برج به بخش اطراف آن متصل شد تا سطح اتکای بیشتری پیدا کند.
نجات برج پیزا، یکی از مشهورترین پروژههای مهندسی ژئوتکنیک جهان بهشمار میرود
این عملیات در نهایت میزان کجی برج را حدود نیم درجه کاهش داد؛ تغییری که وضعیت آن را به شرایط اوایل قرن نوزدهم بازگرداند، زمانی که خطر سقوط بسیار کمتر بود.
بااینحال، مهندسان هرگز قصد نداشتند برج را کاملا صاف کنند. کجی، بخشی از هویت تاریخی برج پیزا است و بدون آن، این سازه جذابیت امروزی خود را از دست میدهد.
امروز برج کج پیزا همچنان ایستاده است؛ اما نه بهدلیل شانس، بلکه به لطف ترکیبی از زمینشناسی، مهندسی دقیق و تلاش متخصصانی که توانستند یک بنای ۸۰۰ ساله را بدون تغییر دادن شخصیت تاریخیاش نجات دهند.