السمات المعماريّة والأداء الزلزالي للمنشآت

تدفع الرغبةُ في إنشاء مبنىً جميلٍ وفعّالٍ وظيفيًّا المهندسين المعماريّين لتصوّر منشآت رائعة وخياليّة. أحيانًا، يلفتُ شكل المبنى انتباه الزائر، وأحيانًا يلفته «النظام الإنشائي-Structural System»، وفي حالاتٍ أخرى يعمل كلٌّ من الشكل والنظام الإنشائيّ معًا لجعل المُنشأ أعجوبةً.
إنّ لكلٍّ من خيارات الشكل والنظام الإنشائيّ هذه؛ تأثيرًا كبيرًا على الأداء الزلزالي للمنشآت أثناء الزلازل القويّة. وتعدّ المجموعة الواسعة من الأضرار الإنشائيّة الملاحَظَة أثناء الزلازل الماضية في جميع أنحاء العالم؛ مفيدةً للغاية في تحديد التصاميم الإنشائيّة المرغوبة، وتلك التي يجب تجنّبها. [1]

قياسات المُنشأة

يكون الأداء الزلزالي للمنشآت التالية سيّئًا:

في المباني الشاهقة ذات نسبة (الارتفاع إلى مساحة القاعدة) الكبيرة، تكون الحركة الأفقيّة للطوابق أثناء اهتزاز الأرض كبيرة. (الشكل 1a). وفي المباني قصيرة الارتفاع ذات الامتداد الأفقيّ الطويل، تكون الأضرار أثناء اهتزاز الزلزال كثيرة؛ (الشكل 1b). وفي المباني ذات المساحة الكبيرة كالمستودعات، يمكن أن تكون القوى الزلزاليّة الأفقيّة كبيرةً جدًّا بحيث لا تستطيع الأعمدة والجدران تحمّلها؛ (الشكل 1c). [1]

التخطيط الأفقيّ للمنشأة

بشكلٍ عام، كان الأداء الزلزالي للمنشآت ذات الشكل الهندسي البسيط جيّدًا أثناء الزلازل القويّة؛ (الشكل 2a). أمّا المباني ذات الزوايا (أي التي يكون مسقطها الأفقيّ بشكل U, V, H أو+)؛ فقد تعرّضت لأضرار كبيرة؛ (الشكل 2b). كثيرًا ما نتجنّب التأثيرات السيّئة لهذه الزوايا الداخليّة في المساقط الأفقيّة للمباني بتقسيم المبنى إلى قسمين (كتلتين). على سبيل المثال، يمكن تقسيم المخطّط ذي الشكل L إلى مستطيلَين بفصلهما عند موضع التقاطع (الشكل 2c). غالبًا ما يكون المخطّط بسيطًا، لكنّ الأعمدة و/أو الجدران غير موزّعة بشكل مناسب. تميل هذه المنشآت إلى «الالتواء-Twisting» (الدوران حول المحور الشاقوليّ Z) أثناء اهتزاز الزلزال. [1]

التخطيط الشاقوليّ للمنشأة

تحتاج القوى الزلزاليّة التي تطوّرت في مستويات طوابق مختلفة أن تنزل إلى الأرض بأقصر مسار. يؤدّي أيّ انحراف أو «انقطاع-Discontinuity» في مسار نقل الحمولة هذا؛ إلى ضعف أداء المبنى. وتسبّب المباني ذات الانتكاسات الشاقوليّة (مثل مباني الفنادق ذات الطوابق القليلة الأعرض من البقيّة) قفزةً مفاجئة في قوى الزلازل عند مستوى الانقطاع؛ (الشكل 3a).

تميل المباني التي تحتوي على عدد قليل من الأعمدة أو الجدران في طابق محدّد أو ذات طوابق عالية بشكل غير عادي -كالأبنية ذات الطوابق الأرضيّة المخصّصة لوقوف السيارات- إلى الانهيار بدءًا من ذلك الطابق؛ (الشكل 3b).

أما المباني على «الأرض المنحدرة-Slopy Ground» فلها ارتفاعٌ غير متساوٍ للأعمدة على طول المنحدر. يسبّب هذا الارتفاع غير المتساوي تأثيرات سيّئة مثل الانفتال والتضرّر في الأعمدة القصيرة؛ (الشكل 3c). وللمباني ذات الأعمدة المستندة على جيزان في طابق متوسّط، ولا تصل إلى الأساس، انقطاعاتٌ في مسار نقل الحمولة؛ (الشكل 3d).

تمتلك بعض المباني جدران خرسانيّة مسلّحة لنقل حمولات الزلزال إلى الأساس. والمباني التي لا تصل فيها هذه الجدران إلى الأرض، وتتوقّف عند مستوى أعلى؛ معرّضة للتضرّر الشديد أثناء الزلازل؛ (الشكل e3). [1]

تجاور المنشآت

عند وجود مبنيَين قريبَين جدًّا من بعضهما، فقد يصدمان بعضهما البعض أثناء الاهتزاز الشديد. ومع زيادة ارتفاع المبنى، يمكن أن يكون هذا الاصطدام مشكلةً أكبر. عندما لا يتطابق ارتفاعا المبنيَين (الشكل 4)، فقد يصدم سقف المبنى الأقصر أحد أعمدة المبنى الأطول في منتصفه؛ يمكن ان يكون هذا خطيرًا جدًّا. [1]

الفتل في المنشآت

يطلق المهندسون الإنشائيّون على الالتواء (الالتفاف) في المباني اسم «الفتل-Torsion». إذ يحرّك الفتل أجزاءً مختلفة في نفس مستوى الطابق أفقيًّا بقيم مختلفة. يؤدّي هذا التحريك إلى مزيد من الضرر في «الإطارات-Frames» (وهي جملة الأعمدة والجيزان) والجدران في الجانب الذي يتحرّك أكثر.

تأثّرت العديد من المباني بشدّة من هذا السلوك الالتوائيّ المفرط أثناء الزلازل الماضية. لذلك، من الأفضل تقليل هذا الالتواء (إن لم نتمكّن من تجنّبه تمامًا)؛ بضمان تناظر المباني في المسقط (أي توزيع الكتلة والنظام الإنشائيّ المقاوم للحمولات الجانبيّة، بانتظام). إذا تعذّر تجنّب هذا الالتواء، فيجب إجراء حسابات خاصّة لقوى القصّ الإضافيّة عند تصميم المباني. ولكن بالتأكيد، سيكون أداء المباني ذات الالتواءات سيّئًا أثناء الاهتزاز القويّ للزلزال. [2]

المصادر
[1] How Architectural Features affect Buildings during Earthquakes?
[2] How Buildings twist during Earthquakes?