ما هو أثر الزلازل في المباني الخرسانية المسلحة؟

تعتبر مباني « الخرسانة المسلحة -Reinforced Concrete (RC)» شائعة في جميع أنحاء العالم. وتتكون من مادتين أساسيتين هما الخرسانة، وقضبان التسليح الفولاذية. تصنع الخرسانة من الرمل والحصويات (الركام) والإسمنت، وتخلط كلها بكمية محددة مسبقًا من الماء. يمكن تشكيل الخرسانة بأي شكل مرغوب، ويمكن ثني القضبان الفولاذية في أشكال عديدة. وبالتالي، يكون تشييد المنشآت ذات الأشكال المعقدة ممكنًا باستخدام RC. فما هو أثر الزلازل في المباني الخرسانية المسلحة؟

تنتقل قوى العطالة الزلزالية المتولدة عند مستويات أرضيات الطوابق عبر البلاطة والجيزان إلى الأعمدة والجدران، ثم إلى الأساسات حيث تتبدد في الأرض. عندما تتراكم قوى العطالة من أعلى المبنى إلى أسفله، تتعرض الأعمدة والجدران في الطوابق السفلية لقوى زلزالية أكبر. وبالتالي من المهم أن تصمم تلك الأعمدة والجدران لتكون أقوى من تلك الموجودة في الطوابق أعلاها. [1]

أثر الزلازل في المباني الخرسانية المسلحة

بلاطات الأرضيات

عندما تنحني الجيزان شاقوليًا في أثناء الزلازل، تنحني البلاطات الرقيقة معها. وعندما تتحرك البلاطة في الاتجاه الأفقي، فإنها عادة ما تجبر الجيزان والأعمدة على التحرك معها.

يكون التشوه الهندسي للبلاطة ضئيلًا في المستوي الأفقي في معظم المباني. ويُعرف هذا السلوك بعمل «الديافرام الصلب-Rigid Diaphragm». يجب على المهندسين الإنشائيين مراعاة هذا أثناء التصميم. [1]

اختلاف التأثيرات الزلزالية الأفقية

تؤدي حمولات الجاذبية (الوزن الذاتي ومحتويات المبنى) إلى انحناء إطارات الخرسانة المسلحة مما يسبب تمددًا وتقاصرًا في مواقع مختلفة. تحت حمولات الجاذبية، يكون «الشد-Tension» في الجيزان عند السطح السفلي للجائز لمنتصفه وعلى السطح العلوي عند نهايتيه. أما الحمولة الزلزالية، فتسبب شدًا على أوجه الجائز والعمود في مواقع مختلفة عن تلك التي تخضع للشد تحت حمولات الجاذبية. يوضح الشكل المستويات النسبية لهذا الشد (عزم الانعطاف) المتولدة في العناصر.

بالتالي، يمكن لنهايتي الجائز أن تطورا شدًا على أي من الوجهين العلوي والسفلي في ظل اهتزاز زلزالي قوي. ونظرًا إلى أن الخرسانة لا يمكنها تحمل هذا الشد، يكون وجود القضبان الفولاذية ضروريًا على كلا وجهي الجائز لمقاومة تغيرات اتجاه «عزم الانعطاف-Bending Moment». وبالمثل، يكون وجودها ضروريًا على جميع أوجه الأعمدة. [1]

التسلسل الهرمي للقوة

لكي نتجنب أثر الزلازل في المباني الخرسانية ، يجب أن تكون الأعمدة (والتي تتلقى القوى من الجيزان) أقوى منها. ويجب أن تكون الأساسات (والتي تتلقى القوى من الأعمدة) أقوى من الأعمدة. علاوة على ذلك، يجب ألا تنهار الوصلات بين الجيزان والأعمدة، والأعمدة والأساسات. [1]

كيف تقاوم الجيزان الزلازل في مباني الخرسانة المسلحة؟

تحتوي الجيزان (الكمرات) في مباني الخرسانة المسلحة على مجموعتين من فولاذ التسليح، وهما: القضبان الطولية؛ وهي قضبان مستقيمة موضوعة على طول الجائز، وحلقات مغلقة من قضبان فولاذية صغيرة القطر (تسمى الأساور) موضوعة عموديًا على مسافات منتظمة على طول الجائز. [2]

وتتعرض الجيزان لنوعين أساسيين من الانهيارات، وهما:

• انهيار الانعطاف: يتميز الانهيار المطاوع بالعديد من الشقوق الشاقولية التي تبدأ من السطح المتمدد للجائز، وتتجه نحو منتصف عمقه.
• انهيار القص: قد ينهار الجائز أيضًا بفعل قوة القص. يميل شق القص 45 درجة عن الأفق؛ ويتطور عند منتصف العمق بالقرب من المسند (العمود) ويمتد نحو الوجهين العلوي والسفلي. يعد انهيار القص هشًا، لذلك يجب تجنبه في تصميم جيزان RC، وذلك باستخدام الأساور الفولاذية التي تعمل على مقاومته. [2]

تستخدم القضبان الطولية لمقاومة تشقق الانعطاف على الجانب المتمدد للجائز. ونظرًا إلى تمدد الوجهين العلوي والسفلي أثناء اهتزاز زلزالي قوي، فإن القضبان الفولاذية الطولية مطلوبة على كلا الوجهين عند النهايتين وعلى الوجه السفلي عند منتصف طول الجائز. [2]

تحمل الأساور قوة القص الشاقولية وبالتالي تقاوم شقوق القص القطرية، وتحمي الخرسانة من الانتفاخ إلى الخارج بسبب الانعطاف. كما تمنع أساور قوة القص تحنيب القضبان الطولية المضغوطة بسبب الانعطاف. وفي مناطق زلزالية معتدلة إلى شديدة يجب توفير بعض المتطلبات: [2]

كيف تقاوم الأعمدة في مباني الخرسانة المسلحة الزلازل؟

تحتوي الأعمدة على نوعين من فولاذ التسليح، موضحان في الشكل. يمكن أن تتعرض الأعمدة لنوعين من الضرر، وهما؛ انهيار الانحناء المحوري (الانحناء الانضغاطي المشترك) وانهيار القص. يعد ضرر القص هشًا ويجب تجنبه في الأعمدة من خلال استخدام أساور عرضية. [3]

تحمل الأساور الأفقية المغلقة المتقاربة قوى القص الزلزالية الأفقية، وبالتالي تقاوم شقوق القص القطرية، وتربط القضبان الشاقولية معًا وتمنعها من الانحناء للخارج بشدة (التحنيب). [3]

يجب توفير بعض المتطلبات في الأعمدة لمقاومة الزلازل وفق فلسفة التصميم الزلزالي:

• أساور متقاربة عند طرفي العمود.
• عندما يتجاوز التباعد بين قضبان الزاويا 300 مم، نضع روابط إضافية بنهايات معقوفة بمقدار 180 درجة لكي تكون الأساور فعالة في تثبيت الخرسانة ومنع تحنيب القضبان الشاقولية. يجب أن تدور هذه الروابط حول كل من القضبان الشاقولية والأساور الأفقية المغلقة. [3]

المصادر

[1] How do Earthquakes affect Reinforced Concrete Buildings?
[2]NICEE: How do Beams in RC Buildings resist Earthquakes ?
[3] How do Columns in RC Buildings resist Earthquakes?