الوسم: هندسة مدنية

تحتوي المباني المقاومة للزلازل غالبًا على جدران خرسانية مسلحة تسمى جدران القص. تبدأ هذه الجدران بشكل عام من مستوى الأساس وتستمر لأعلى المبنى. وتعد أكثر العناصر فعالية في المباني متعددة الطوابق لمقاومة القوى الجانبية التي تسببها الزلازل والرياح. إنها العناصر الإنشائية الشاقولية التي يمكنها مقاومة قوى القص الجانبية وعزوم الانعطاف والحمولات الشاقولية المنقولة إليها من العناصر الأخرى. وتلعب دورًا رئيسيًا في تبديد الطاقة والصلابة والأداء الزلزالي للمباني العالية. ويمكن أن تصل سماكتها إلى 40 سم في المباني المرتفعة. وعادة ما توضع وفق الاتجاهين الطولي والعرضي للمسقط الأفقي للمبنى. [1] [3]

فوائد جدران القص

أظهرت المباني المصممة والمشيدة بشكل صحيح مع جدران القص أداءً جيدًا للغاية في الزلازل السابقة. إذ تتميز بالكفاءة، من حيث تكلفة البناء والفعالية في تقليل الأضرار الزلزالية التي تصيب العناصر الإنشائية وغير الإنشائية (مثل النوافذ الزجاجية ومحتويات المبنى).

تعطي جدران القص وفق اتجاهها الطولي مقاومة وصلابة كبيرتين للمباني، مما يقلل بشكل كبير من التأرجح الجانبي للمبنى ومن الأضرار التي تلحق به وبمحتوياته. [1]

شكل وتوزع جدران القص

يجب تزويد المبنى بجدران القص وفق اتجاهيه الطولي والعرضي. وإذا وضعت وفق اتجاه واحد فقط، فيجب استخدام شبكة مناسبة من الجيزان والأعمدة (تسمى الإطارات المقاومة للعزوم) وفق الاتجاه الآخر لمقاومة تأثيرات الزلازل القوية. [1]

يمكن أن تحتوي جدران القص على فتحات للأبواب أو النوافذ، ولكن يجب أن تكون صغيرة، وأن يكون توضعها متناظرًا في المبنى؛ وذلك لتكون مسارات نقل الحمولة قصيرة ومباشرة. وتجرى تحققات تصميمية خاصة للتأكد من أن المساحة الصافية للمقطع العرضي للجدار عند الفتحة كافية لتحمل القوة الزلزالية الأفقية. [1] [2]

يكون الأداء الزلزالي للمباني ذات جدران القص الحاوية على انقطاعات سيئًا، لذلك يجب تجنب هذه التصميمات في المباني المقاومة للزلازل. إذ تقدم جدران القص المستمرة على كامل ارتفاع المبنى مسارات حمولة مباشرة لقوى العطالة ليتم نقلها إلى الأساس. [2]

يجب أن تكون الجدران المسلحة متناظرة في المسقط الأفقي لتقليل الآثار السيئة للفتل في المباني. يمكن وضعها بشكل متناظر وفق اتجاه واحد أو في كلا الاتجاهين. وتكون أكثر فاعلية عند وضعها على طول المحيط الخارجي للمبنى؛ مثل هذا التصميم يزيد مقاومة المبنى للفتل. [1]

التصميم المطاوع

تمامًا مثل العوارض والأعمدة الخرسانية المسلحة، يكون أداء جدران القص أفضل إذا صممت لتكون مطاوعة. إذ تساعد النسب الهندسية الإجمالية للجدران وأنواع التسليح ومقداره والوصلات بينها وبين العناصر المتبقية في المبنى في تحسين مطاوعتها.

• الشكل الهندسي للجدران: المقطع العرضي الشائع مستطيل (أحد بعدي المقطع العرضي أكبر بكثير من الآخر). تستخدم أيضًا المقاطع على شكل حرفي L و U. تعمل أيضًا نواة المصعد الخرسانية المسلحة رقيقة الجدران كجدران قص، ويجب الاستفادة منها لمقاومة قوى الزلزال.

• قضبان التسليح في الجدران الخرسانية المسلحة: يجب وضع التسليح في شبكات من القضبان الفولاذية الشاقولية والأفقية المتباعدة بانتظام. يوضع التسليح الشاقولي والأفقي في الجدار في طبقتين متوازيتين داخلية وخارجية. كما يجب تثبيت التسليح الأفقي عند نهايات الجدران، وتوزيع التسليح الشاقولي بانتظام في المقطع العرضي للجدار.

• العناصر الطرفية: في ظل تأثيرات الانقلاب الكبيرة التي تسببها القوى الزلزالية الأفقية، تتعرض حواف الجدران لإجهادات كبيرة من الضغط والشد. وللتأكد من أن سلوكها مطاوع، يجب تسليح الخرسانة في أطرافها بطريقة خاصة. تسمى نهاياتها بالعناصر الطرفية (الأعمدة المخفية)، ويشبه تسليحها الخاص تسليح الأعمدة في الإطارات الخرسانية المسلحة. تزداد أحيانًا سماكة جدار القص في العناصر الطرفية وعندئذٍ تسمى أجنحة. تتميز الجدران ذات العناصر الطرفية بمقاومة انعطاف أكبر وقدرة أكبر لتحمّل قوة القص الأفقية، وبالتالي فهي أقل عرضة للأضرار الزلزالية من الجدران التي لا تحتوي على عناصر طرفية.

تحمل هذه الجدران قوى زلزالية أفقية كبيرة، فتكون تأثيرات الانقلاب عليها كبيرة. لذلك يتطلب تصميم أساساتها اهتمامًا خاصًا. [1]

المصادر

[1] Why are Buildings with Shear Walls preferred in Seismic Regions?

[2] What Harms Load Paths in Buildings?

[3] SEISMIC BEHAVIOUR OF HIGH RISE BUILDING WITH COMPOSITE SHEAR WALL: AN OVERVIEW

هل يجب أن نتخلّى عن تصميم المباني المقاومة للزلازل؟ أم يجب أن نصممها؛ بحيث لا يحدث ضرر في أثناء الزلازل القوية؟ من الواضح أن النهج الأول يمكن أن يؤدي إلى كارثة كبيرة، والنهج الثاني مكلف للغاية. وبالتالي، يجب أن تقع فلسفة التصميم الزلزالي في مكان ما بين هاتين الحالتين. [1]

فلسفة التصميم الزلزالي

يمكن تلخيصها كالآتي:

1. عند الاهتزاز الطفيف، يجب ألّا تتضرر العناصر الرئيسية للمبنى؛ والتي تحمل قوىً شاقولية وأفقية، أما أجزاء المبنى غير الحاملة؛ فقد تتعرض لأضرار يمكن إصلاحها.
2. وعند الاهتزاز المتوسط، قد تتعرض العناصر الرئيسية لأضرار يمكن إصلاحها، أما الأجزاء الأخرى للمبنى فقد تتضرر لدرجة أنه قد يتعين استبدالها بعد الزلزال.
3. وعند الاهتزاز القوي، قد تتعرض العناصر الرئيسية لأضرار شديدة (لا يمكن إصلاحها حتى)، ولكن يجب ألّا ينهار المبنى.

فبعد الاهتزاز الطفيف، سيعمل المبنى بكل قوته خلال زمن قصير، وستكون تكاليف الإصلاح قليلة. وبعد اهتزاز متوسط، سيعمل المبنى بمجرد الانتهاء من إصلاح وتقوية العناصر الرئيسية المتضررة. أما بعد حدوث زلزال قوي، فقد يصبح المبنى معطلًا غير قابل للاستخدام مرة أخرى، ولكنه يجب أن يبقى قائمًا حتى يمكن إجلاء الأشخاص واستعادة الممتلكات.

يجب أخذ عواقب الضرر في الحسبان في فلسفة التصميم الزلزالي. على سبيل المثال؛ تلعب المباني المهمة مثل المستشفيات ومحطات الإطفاء، دورًا مهمًا في أنشطة ما بعد الزلزال، ويجب أن تعمل فور حدوثه. يجب ألّا تتعرض هذه المنشآت إلّا لأضرار قليلة جدًا، وأن تصمّم لتوفير مستوى حماية أعلى ضد الزلازل. يمكن أن يسبب انهيار السدود في أثناء الزلازل حدوث فيضانات، يمكن أن تكون بذاتها كارثة ثانوية. لذلك، يجب تصميم السدود (وبالمثل، محطات الطاقة النووية) لأجل مستويات كبيرة من الحركة الزلزالية. [1]

لا مفرّ من الأضرار الزلزالية

يتضمن تصميم المباني لمقاومة الزلازل التحكم في مستويات مقبولة من الأضرار والتكلفة. تحدث أنواع مختلفة من الأضرار –تظهر بشكل رئيسي من خلال التشققات؛ خاصة في المباني الخرسانية والحجرية- في أثناء الزلازل. بعض هذه الشقوق مقبول (من حيث الحجم والموقع)، أما بعضها الآخر فغير مقبول. على سبيل المثال؛ في مبنى إطاري من الخرسانة المسلحة ذي جدران حجرية بين الأعمدة، تكون الشقوق بين الأعمدة والجدران الحجرية مقبولة، لكن الشقوق القطرية التي تمر عبر الأعمدة غير مقبولة.

لذلك، يهتم التصميم المقاوم للزلازل بضمان كون الأضرار الزلزالية من النوع المقبول، وكذلك أنها تحدث في الأماكن الصحيحة وبالكميات المناسبة. يشبه هذا النهج كثيرًا استخدام «الصمامات الكهربائية-Fuses» في المنازل؛ فلحماية الأسلاك والأجهزة الكهربائية بالكامل في المنزل، فإنك تضحّي ببعض الأجزاء الصغيرة من الدارة الكهربائية، والتي تسمى الصمامات. تستبدل هذه الصمامات بسهولة بعد زيادة التيار الكهربائي. وكذلك، لإنقاذ المبنى من الانهيار، فإنك ستسمح لبعض الأجزاء المحددة مسبقًا بالخضوع لنوعٍ ومستوى مقبولٍ من الضرر. [1]

المطاوعة

لنأخذ قضيبَين بنفس الطول ونفس المقطع العرضي، أحدهما مصنوع من مادة «مطاوعة-Ductile» والآخر من مادة «هشة-Brittle». الآن، شدّهما حتى ينكسرا! ستلاحظ أن القضيب المطاوع يستطيل بمقدار كبير قبل أن ينكسر، بينما ينكسر القضيب الهش فجأةً عند الوصول إلى مقاومته القصوى مع استطالة صغيرة نسبيًا. بالنسبة للمواد المستخدمة في التشييد؛ يعتبر الفولاذ مطاوعًا، أما حجر البناء والخرسانة مادتان هشتان. [2]

يعرّف المهندسون الخاصة التي تسمح للمادة بالانحناء للخلف والأمام بمقدار كبير، بـ«المطاوعة-Ductility». يجب تحديد الأشكال المقبولة للضرر والسلوك المرغوب للبناء في أثناء الزلزال. كما يجب تصميم وتشييد «المباني المقاومة للزلازل-Earthquake-Resistant Buildings»، ولا سيما عناصرها الرئيسية، لتكون مطاوِعةً. تتمتع هذه المباني بالقدرة على التأرجح ذهابًا وإيابًا في أثناء الزلزال، ومقاومة تأثيراته مع بعض الأضرار، ولكن دون الانهيار. تعتبر المطاوعة من أهم العوامل المؤثرة في أداء المبنى. وبالتالي، يسعى التصميم المقاوم للزلازل إلى التحديد المسبق للمواقع التي يحدث الضرر فيها، ثم تقديم تفاصيل تصميمية جيدة في هذه المواقع لضمان سلوكٍ مطاوِعٍ للمبنى. [1]

تصميم الأبنية لمقاومة الزلازل

تنتقل قوى العطالة الزلزالية المتولدة عند مستويات أرضيات الطوابق عبر الجيزان والأعمدة المختلفة إلى الأرض. يجب أن تكون مكونات البناء الصحيحة مطاوِعةً. يمكن أن يؤثر «فشل أو انهيار-Failure» العمود على استقرار المبنى بأكمله، أما فشل الجائز فيسبب تأثيرًا موضعيًا. لذلك، من الأفضل تصميم الجيزان لتكون حلقاتٍ مطاوِعةً أضعف من الأعمدة (يمكن تحقيق ذلك بتحديد الحجم المناسب للعناصر، وتزويدها بالكمية المناسبة من فولاذ التسليح). تسمى هذه الطريقة في تصميم المباني الخرسانية المسلحة؛ طريقة العمود القوي والجائز الضعيف. [2]

المصادر

[1] What is the Seismic Design Philosophy for Buildings?

[2] How to make Buildings ductile for Good Seismic Performance?

عندما تنطلق الحافلة فجأةً، تتحرّك قدماك معها، لكنّ الجزء العلويّ من جسمك يميل للبقاء في موضعه الأصليّ -أي في موضعه قبل الانطلاق- ممّا يجعلك تسقط للوراء. تُعرَف هذه النزعة للاستمرار في البقاء في الوضع السابق بـ«العطالة أو القصور الذاتيّ-Inertia». إنّ ذلك الموقف الذي تواجهه في الحافلة يشبه كثيرًا ما تتعرّض له المنشآت عند حدوث الزلازل. فما هي قوى العطالة الزلزاليّة وأثر الزلازل في المنشآت؟

قوى العطالة في المنشآت

يسبّب الزلزال اهتزاز الأرض، فتتعرّض المنشآت لحركة في أساساتها. ومن القانون الأوّل لنيوتن في الحركة، يميل «سقف-Roof» المُنشأة للبقاء في موضعه الأصليّ، على الرغم من أنّ أساساته تتحرّك مع الأرض. ولكن بما أنّ الجدران والأعمدة متّصلة بالسقف، فإنّها تسحبه معها عندما تتحرّك. ونظرًا لكونها «مرنة-Flexible»، فإنّ حركة السقف تختلف عن حركة الأرض.

بالعودة إلى مثال وقوفك في الحافلة؛ عندما تنطلق الحافلة فجأةً، فإنّك تُدفَع للوراء. كما لو أنّ أحدًا طبّق قوّة على الجزء العلويّ من جسمك. وبالمِثل، عندما تتحرّك الأرض، يُدفَع المبنى للوراء، ويخضع السقف لقوّة تُسمّى قوّة العطالة.

إذا كان للسقف «الكتلة-(m) Mass» وتعرّض لـ«تسارع-(a) Acceleration»، تكون قوّة العطالة F_I المؤثّرة فيه مساوية لحاصل ضرب الكتلة في التسارع؛ وذلك وفق القانون الثاني لنيوتن في الحركة. ويكون اتّجاه تلك القوة معاكسًا لاتّجاه التسارع.

من الواضح أنّ الزيادة في الكتلة تعني زيادةً في قوّة العطالة. ولذلك، تتحمّل الأبنيةُ الأخفّ اهتزازَ الزلازل بشكل أفضل.

تأثير التشوّهات في المنشآت

تنتقل قوى العطالة المؤثّرة في السقف إلى الأرض عبر الأعمدة، ممّا يسبّب تولّد قوىً داخليّةً فيها. تخضع الأعمدة أثناء الزلزال لـ«حركة نسبيّة-Relative Movement» بين نهاياتها، وهي الانتقال u بين السقف والأرض. ولكنّها قد تُظهِر نزعةً للعودة إلى وضعها الرأسيّ المستقيم؛ أي أنّها تقاوم «التشوّهات-Deformations».

لا تحمل الأعمدة قوىً زلزاليّة أفقيّة في الوضع الرأسيّ المستقيم. ولكن عندما تُجبَر على الانحناء، فإنّها تطوّر «قوى داخليّة-Internal Forces». وتزداد هذه القوى الداخليّة بزيادة «الإزاحة-Displacement» الأفقيّة النسبيّة u بين نهايَتَي العمود. كما تزداد بزيادة صلابة العمود (أي كلما زاد حجمه). ولذلك، تسمّى هذه القوى بـ«قوى الصلابة-Stiffness Forces»، وهي تساوي حاصل ضرب صلابة العمود في الإزاحة النسبيّة بين نهايتَيه u.

الاهتزاز الأفقيّ والرأسيّ

يسبّب الزلزال اهتزازًا أرضيًا في الاتّجاهات الثلاثة (X,Y,Z) عشوائيًّا ذهابًا وإيابًا. تُصمّم كلّ المنشآت بشكلٍ أساسيّ لتحمل «حمولات الجاذبيّة-Gravity Loads». أي أنّها مُصمّمَة لتحمل قوّة مساوية للكتلة m (وتتضمّن: كتلة البناء ذاته، بالإضافة إلى كتلة الحمولات المفروضة عليه كالسكّان والأثاث وغيرها) مضروبةً في تسارع الجاذبيّة الأرضيّة g. إنّ التسارع الرأسيّ أثناء اهتزاز الأرض، إمّا أن يزيد من تسارع الجاذبيّة الأرضيّة أو يُنقِصَه. وبسبب استخدام عوامل الأمان في تصميم المنشآت لمقاومة حمولات الجاذبيّة (الحمولات الشاقوليّة)، تكون معظم المنشآت مناسِبةً لمقاومة الاهتزاز الرأسيّ. لكنّها -بشكلٍ عامّ- قد لا تكون قادرةً على تحمّل تأثيرات الاهتزازات الزلزاليّة الأفقيّة بأمان. لذلك، من الضروريّ ضمان كفاية المنشآت ضدّ التأثيرات الأفقيّة.

تدفّق قوى العطالة إلى أساسات المُنشأ

تتولّد قوى العطالة الأفقيّة في مستوى كتلة المُنشأة (تتوضّع هذه الكتلة عادةً عند مستويات أرضيّات الطوابق). تُنقَل قوى العطالة الجانبيّة بواسطة «بلاطة-Slab» الطابق إلى الجدران (إذ قد تكون الجدران مبنيّة من الخرسانة المسلّحة) أو الأعمدة، ثمّ إلى «الأساسات-Foundations»، وأخيرًا إلى «نظام التربة-Soil System» الذي يتموضع المبنى فوقه. ولذلك، يجب تصميم كلٍّ من هذه «العناصر الإنشائيّة-Structural Elements» و«الوصلات-Connections» بينها؛ بطريقة تساعد على نقل قوى العطالة عبرها بأمان.

تُعَدّ الجدران أو الأعمدة أهمّ العناصر في نقل قوى العطالة. ولكن في البناء التقليديّ، تلقى البلاطات و«الجيزان أو العوارض-Beams» اهتمامًا أكثر من الأعمدة والجدران أثناء التصميم والتشييد. هذا ما يؤدّي إلى نتائج كارثيّة عند حدوث زلزال، فالجدران عناصر رقيقة نسبيًّا، وضعيفة في مقاومة قوى العطالة الزلزاليّة الأفقيّة وفق اتّجاهها العرضيّ (أي وفق اتّجاه سماكتها). كما أنّ «الأعمدة الخرسانيّة المسلّحة-Reinforced Concrete Columns» المُصمّمَة والمبنيّة بشكلٍ سيّئ تكون خطيرةً جدًّا.

المصدر

Nicee.org: What are the Seismic Effects on Structures?