كيفيفة تأثير الزلزال على المبنى الخرساني

مباني الخرسانة المسلحة تتكون من مادتين اساسيتين، وهي الخرسانة واسياخ حديد التسليح، الخرسانة تتكون من رمل وكسر الصخور وتسمى Aggregate  والاسمنت (الرابط) جميع هذه المكونات يتم خلطها مع كمية محددة مسبقا من المياه. و بالامكان تشكيل الخرسانة  بأي شكل من الاشكال، واسياخ التسليح يمكن ان يتم ثنيها بأشكال متعددة، ولهذا فإن الخرسانة مناسبة للمباني ذات الاشكال المعقدة.

غالبا أي بناية خرسانة مسلحة تتكون من عناصر أفقية (كمرات وبلاطات) وعناصر رأسية (اعمدة وحوائط خرسانية) وجميعها مستندة على القواعد المستندة مباشرة على الارض. النظام المتكون من الأعمدة المسلحة المرتبطة بالكمرات تسمى مباني اطارية RC Frame وهذه الاطارات الخرسانية المسلحة تساهم في مقاومة قوى الزلازل.

الهزات الزلزالية تولد قوى مؤثرة على المبنى متناسبة مع كتلة المبنى نفسه، وبما ان غالبية كتلة المبنى متركزة في الأرضيات (البلاطات) فإن القوى الناتجة من الزلزال تؤثر بشكل اساسي على منسوب الارضيات (البلاطات) وهذه القوى تنتقل خلال الحوائط ثم الى القواعد ومنها تنتشر الى الارض. وعندما تتجمع القوى الزلزالية الى الاسفل من اعلى البناية فإن الاعمدة والحوائط الخرسانية في الأدوار السفلى تتعرض إلى أعلى قوة زلزالية ولذلك يتم تصميمها لتتحمل بطريقة افضل وأقوى من العناصر العلوية.

وظائف بلاطات الأسقف وجدران المباني

بلاطات الاسقف هي صفائح افقية من دورها تمكين عملية استخدام وظائف المبنى. وعندما تنثني الكمرات في الاتجاه الرأسي خلال حدوث الزلزال فإن هذه البلاطات تنحني ايضا معها. وعندما تتحرك الكمرات تتحرك الاعمدة ايضا في الاتجاه الافقي وبنفس الوقت تتحرك معها القوى في الكمرات والبلاطات معاً.

غالبا ما نهمل التشوه لشكل البلاطة في الاتجاه الأفقي وهذا ما يعرف بتصرف الغشاء الجاسئ RigidDiaphragm Action  ولا بد من الاخذ به اثناء التصميم الانشائي للمباني. الشكل التالي يوضح ازاحات البلاطة في المستوى وخارج المستوى.

سلوك البلاطات وتأثرها بقوى الزلازل

وعندما يتم صب الاعمدة والحوائط والبلاطات في المباني الخرسانية وتأخذ صلابتها وقوتها، يتم انشاء مباني طوب في الفراغات مابين الاعمدة والبلاطات وذلك لتقسيم المبنى حسب وظائفه واستخداماته. غالبا فإن حوائط المباني (الطوب) هذه (تسمى infill walls) تكون غير مرتبطة بالعناصر الانشائية المحيطة. وعندما تستقبل الاعمدة قوى افقية عند منسوب البلاطات، تحاول الاعمدة الحركة في الاتجاه الافقي ولكن هذه الحوائط تتصرف بطريقة مقاومة لهذه الحركة، ونظرا لوزنها الثقيل وسماكتها، فإن هذه الحوائط تجذب قوى افقية اكبر. ولكن  الحوائط عبارة عن مواد قصفة brittle وبالتالي تنشأ فيها الشروخ بمجرد ان تصل قدرة تحملها إلى الحد الاقصى. ولهذا فإن هذه الحوائط تتصرف كصمامات يتم التضحية بها في المباني وتنشأ فيها الشروخ تحت الهزات الارضية العنيفة ولكنها تساعد في تحمل احمال الكمرات والأعمدة حتى تتشقق.

ومما يعزز الاداء الزلزالي لهذه الحوائط استخدام مونة اقوى،  وعملية بناء بشكل مناسب  وتعبئة الفراغات بين الحوائط والعناصر الخرسانية، بالرغم ان الحوائط الكبيرة او العالية مقارنة بسماكتها يمكن ان تقع خارج المستوى وهو ما قد يهدد بحدوث اضرار اكبر. بالاضافة الى أن عدم الانتظام في وضع الحوائط بشكل مناسب يمكن ان يكون له اثار سلبية مثل تأثير العمود القصير وكذلك تأثير الإلتواء. انظر الشكل بالاسفل

شكل يوضح سلوك حوائط المباني خلال الزلازل

اختلاف تأثيرات الزلزال الافقية

الاحمال الرأسية ( احمال الوزن الذاتي و محتوى المبنى ) على المباني يمكن ان تتسبب في انثناء الأطارات الخرسانية وتنتج عنه استطالة او قصور في عدة اماكن. الشد يتولد في السطح الذي يحدث له استطالة والضغط يتولد في السطح الذي يحدث له قصور. تحت تأثير الاحمال الرأسية فإن الشد في الكمرات يكون في الوجه الاسفل للكمرة وكذلك في الاعلى عند الركائز. ولكن في المقابل فإن قوى الزلزال ممكن ان تسبب اجهادات شد في الكمرات او الأعمدة بعدة مواضع وبشكل مختلف عن الاحمال الرأسية.

تولد العزوم على الأطارات الخرسانية يعتمد على قوة الهزات الارضية، لذلك فإنه يمكن حدوث شد في وجهي الكمرة خلال الزلازل العنيفة. وهذا ما يجعل تسليح الكمرة بطريقة مناسبة في الوجهين مهم طالما أن الخرسانة لا تقوى على مقاومة الشد المتولد من العزوم، وهذا ايضا ينطبق على الاعمدة

تأثير الاحمال الرأسية وقوى الزلازل

لكي تبقى المباني امنه خلال حدوث الزلازل والهزات الارضية، لا بد ان تكون الاعمدة اقوى من الكمرات، والقواعد اقوى من الأعمدة. و عند تطبيق هذه الاستراتيجية في تصميم المباني فإن حدوث الاضارا خلال الزلزال ستحدث للكمرات اولا، وعندما يتم تسليح الكمرات وفقا لتصميم دقيق فإنها ستكون ذات ممطولية اعلى. ولهذا فإن المبنى ككل يمكن ان يتشوه بشكل كبير رغم الضرر التدريجي الناتج من انهيار ( خضوع ) الكمرات. ولكن بالمقابل فإن الاعمدة لو كانت اضعف، فإنها ستعاني من اضرار محلية عنيفة، في الاعلى والاسفل لدور محدد، وهذا الضرر المحلي يمكن ان يقود الى انهيار المبنى ككل، بالرغم من ان الاعمدة في الاعلى لم تتضرر تقريبا.

وضع الكمرات والاعمدة في انظمة مقاومة الزلازل

في الفيديو التالي اختبار لمبنى خرساني في اليابان لدراسة تصرف العناصر تحت تاثير الزلازل