إلى أي مدى يجب أن تكون المباني مقاومة للزلازل؟

تصميم المباني المقاومة للزلازل

الهدف من جعل معظم المباني مقاومة للزلازل ليس ضمان بقائها دون أي ضرر خلال الزلازل الأكثر شدة، لأن ذلك سيجعل البناء مكلفًا بشكل غير معقول. بدلاً من ذلك، الهدف الأساسي للمباني المقاومة للزلازل هو منع فقدان الأرواح والإصابات. بعد ذلك، يسعى التصميم إلى تحقيق توازن بين التكاليف الإضافية لجعل المبنى مقاومًا للزلازل والتكاليف المحتملة لإصلاح الأضرار الناجمة عن الزلازل طوال عمر المبنى.

الأهداف الرئيسية للمقاومة للزلازل

الأولوية القصوى هي حماية الأرواح البشرية من خلال منع انهيار الهيكل. بالإضافة إلى ذلك، يجب تحقيق توازن عملي بين التكاليف الإضافية للتعزيز والتكاليف المحتملة لإعادة البناء بعد الزلزال، مع الحفاظ على الجدوى الاقتصادية.

المباني منخفضة التكلفة ومقاومتها للزلازل

لذلك، يجب أن يكون الهدف الرئيسي للمباني منخفضة التكلفة المقاومة للزلازل هو منع الانهيار والخسائر الناجمة عن ذلك. خلال الزلازل الكبيرة، من المتوقع أن تتعرض هذه المباني للتشقق وتحتاج إلى إصلاحات. هناك اعتبار آخر مهم وهو أن بعض المباني أكثر أهمية للمجتمع من غيرها. إذا تضرر منزل سكني في زلزال، فإن التأثير يقتصر على عائلة واحدة. لكن إذا انهار مدرسة خلال ساعات الدراسة، فقد يفقد العديد من الطلاب حياتهم. علاوة على ذلك، إذا انهار مبنى المدرسة، فلن يمكن استخدامه كمأوى مؤقت للأفراد الذين فقدوا منازلهم بعد الزلزال.

أهمية المباني العامة

الهياكل مثل المدارس أو المستشفيات، بسبب تأثيرها الأوسع على المجتمع، يجب أن تتمتع بمقاومة أعلى لتبقى صالحة للاستخدام خلال الأزمات.

التخطيط الأفقي للمباني

يجب أن يكون التخطيط الأفقي للمبنى متماثلاً قدر الإمكان بالنسبة للخطوط التي تمر عبر مركزه. عدم التماثل يمكن أن يخلق تأثيرات التواء في الهيكل، والتي قد تكون مدمرة للغاية ويجب تقييمها بدقة. الأشكال الإسفينية، مثل التكوينات على شكل L أو T، غير مناسبة بشكل عام للخطط الأفقية. لدراسة سلوك المباني ذات التخطيط الأفقي غير المتماثل، نأخذ في الاعتبار الأشكال L وT. في هذه التصاميم، اعتمادًا على اتجاه قوة الزلزال بالنسبة للمبنى، قد تتعرض أجنحة المبنى لحركات مختلفة.

تأثير الزلازل على الأشكال غير المتماثلة

على سبيل المثال، إذا ضرب الزلزال في اتجاه الشمال-الجنوب، فإن الجناح الشمالي-الجنوبي لمبنى على شكل L أو T سيكون أكثر صلابة من الجناح الآخر لأن محوره الطويل يتماشى مع حركة الزلزال، مما يؤدي إلى حركة أقل. على العكس، الجناح الشرقي-الغربي، بطول أقصر في اتجاه الزلزال، قد يعاني من أضرار أكبر — خاصة عند تقاطع الأجنحة — إذا لم يكن لديه القدرة الكافية لامتصاص القوى الزلزالية.

اختيار مواد البناء

غالبًا ما يتم اختيار المواد الهيكلية بناءً على توافرها أو العوامل الاقتصادية. ومع ذلك، إذا كانت المقاومة للزلازل هي الهدف الوحيد، يجب أن تتمتع المواد الأساسية الأفضل بالخصائص التالية:
أ) قدرة عالية على امتصاص الطاقة الاهتزازية والخضوع لتشوه بلاستيكي كبير.
ب) نسبة قوة إلى وزن عالية.
ج) التجانس.
د) قوة متساوية وكبيرة في اتجاهين متعامدين على الأقل.
هـ) وصلات مقاومة بالكامل.

بشكل عام، كلما كان المبنى أكبر، أصبحت هذه الخصائص أكثر أهمية. تظهر المواد سلوكيات غير مرنة وبلاستيكية متنوعة، وهي خاصية تُعرف بالليونة. المواد اللينة مثل الفولاذ تتعرض لتشوه بلاستيكي كبير قبل الفشل. على النقيض، المواد الهشة مثل الطوب لا تظهر تقريبًا أي سلوك غير مرن أو بلاستيكي تحت الأحمال الثقيلة وتنكسر فجأة بالقرب من حد المرونة. الزجاج والخرسانة البسيطة تتصرفان بطريقة مشابهة للطوب. القدرة على امتصاص الطاقة والتشوه البلاستيكي قبل الكسر هي إحدى الخصائص الحيوية للمواد لضمان بقاء المبنى تحت الأحمال الاهتزازية الناتجة عن الزلازل.

المواد اللينة مقابل الهشة

المواد اللينة مثل الفولاذ تمتص طاقة الزلازل بفعالية بفضل مرونتها، بينما تنكسر المواد الهشة مثل الطوب أو الخرسانة البسيطة بسرعة وتفقد قوتها. يمكن لأدوات مثل الدعامة جاك الثقيلة الصليب أجوستابل دعامة أن تعزز استقرار الهياكل الخرسانية أثناء البناء.

المناطق التي تحتاج إلى تعزيز

الخطوة الأولى لضمان سلامة المبنى هي منع الجزء العلوي من الجدران من التمدد للخارج أثناء الزلزال. تعتمد الطريقة على المواد المستخدمة في الجدران. إذا كانت الجدران مصنوعة من الطوب أو الكتل الخرسانية، فإن أفضل طريقة هي استخدام عوارض ربط خرسانية مسلحة. أظهرت الأبحاث في الهند أنه بعد عوارض الربط الخرسانية المسلحة، الطريقة الأكثر فعالية لتعزيز المبنى تشمل تقوية الجدران عموديًا بالفولاذ في نقاط تقاطعها. يجب ربط قضبان الفولاذ التعزيزية بالأساس من جهة وبالفولاذ في عوارض الربط من جهة أخرى، مما يشكل إطارًا يعزز المبنى بشكل كبير. من الجدير بالذكر أن ارتفاع الجدران يجب أن يكون قصيرًا قدر الإمكان. يجب تصميم الفتحات مثل الأبواب والنوافذ بحيث تكون المسافة بينها وبين الزوايا ونقاط تقاطع الجدران كبيرة قدر الإمكان. لتعزيز إضافي، يُوصى بوضع قضبان فولاذية عمودية على جانبي جميع الأبواب والنوافذ، مع قضبان فولاذية أفقية مدمجة في الجدران فوق وتحت هذه الفتحات.

تعزيز الجدران بعوارض الربط والفولاذ

عوارض الربط الخرسانية المسلحة مع التعزيزات الفولاذية العمودية والأفقية تزيد من قوة الجدران وتمنع تمددها أثناء الزلازل.

المسافة بين المباني المجاورة

يجب أن تكون المباني المجاورة، خاصة تلك ذات الارتفاعات المختلفة، متباعدة عن بعضها البعض. على سبيل المثال، إذا تم بناء مبنى من طابق واحد بجوار مبنى من طابقين دون أي فجوة، فسوف يهتزان بشكل مختلف أثناء الزلزال وقد يتصادمان. تنتقل قوى الزلزال عبر التربة والأرض تحت المبنى إلى الأساس ثم إلى الهيكل. تم توثيق تأثير التربة الأساسية على سلوك المبنى أثناء الزلازل. في كثير من الحالات، ينتج الضرر عن فشل أو اضطراب التربة تحت المباني، وليس عن نقص في مقاومة الهيكل نفسه. تتم مناقشة القضايا الرئيسية المتعلقة بالتربة وتصميم الأساس بشكل موجز في هذا القسم.

دور التربة والأساس في المقاومة

تلعب التربة الأساسية والأساس المصمم جيدًا دورًا حاسمًا في نقل القوى وحماية الهيكل من التلف، مما يتطلب تقييمًا دقيقًا.

الجدران الطينية واللبنية

استخدام الطوب الطيني الخام المجفف تحت الشمس لبناء المباني شائع في العديد من المناطق الجافة في إيران لأن المواد متاحة محليًا، ويمكن للمزارعين بناؤها خلال الفترات التي لا يوجد فيها عمل زراعي. الجدران المصنوعة من الطوب الطيني سميكة وثقيلة، مما يوفر عزلًا جيدًا ضد الحرارة والبرودة، لكنها ضعيفة هيكليًا وعرضة بشدة للانهيار في الزلازل المتوسطة والكبيرة. لا ينبغي استخدام هذه الجدران دون تعزيز أو تسليح. يمكن تقوية الجدران الطينية واللبنية ضد الزلازل باستخدام جدران دعم شبه منحرفة، يجب بناؤها وربطها بالجدران الرئيسية في نفس الوقت. إذا تمت إضافة الدعامات لاحقًا، فقد تنكمش أثناء التجفيف وتنفصل عن الجدران الرئيسية. يجب بناء جدارين داعمين في كل زاوية من المبنى، وكذلك في النقاط التي تتقاطع فيها جدار عرضي مع جدار طولي أو حيث تدعم قوس سقفًا ثقيلًا. يمكن أيضًا تعزيز المباني اللبنية ذات القباب بجدران الدعم.

تعزيز الجدران الطينية

جدران الدعم شبه المنحرفة التي تُبنى مع الجدران الرئيسية في وقت واحد يمكن أن تعزز مقاومة الجدران الطينية للزلازل بشكل كبير.

طبقات العزل المائي

باستثناء المناطق الحارة والجافة، يتطلب كل جدار طبقة عازلة للماء لمنع تسرب الرطوبة إلى داخل المبنى. في المناطق المعرضة للزلازل، يجب استخدام مواد عازلة تتماسك تمامًا مع الجدران العلوية والسفلية. إذا لم تُستخدم مثل هذه المواد، فقد يتشكل درز ضعيف في الجدار، مما يتسبب في انزلاقه على طول هذا الدرز أثناء الزلزال. أبسط طريقة لإنشاء طبقة عازلة للماء هي استخدام طبقة من ملاط الرمل والأسمنت بسمك 2 سم وبنسبة 3:1. يجب ترطيب الجدار تحت هذه الطبقة قبل تطبيق الملاط، ويجب ترطيب الطبقة نفسها قبل بناء الجدار فوقها. إذا تم استخدام مواد عازلة بديلة أو كانت هناك شكوك حول التصاق ملاط الرمل والأسمنت بالجدار، فإن أفضل حل هو استخدام قضبان ربط بطول 40 سم وقطر 12 مم.

طرق العزل المائي في المناطق الزلزالية

استخدام ملاط الرمل والأسمنت مع التصاق جيد أو قضبان الربط يمنع ظهور نقاط ضعف في الجدران، مما يضمن الاستقرار خلال الأحداث الزلزالية.

فوائد وتحديات العناصر الخرسانية مسبقة الصب

تصنيع العناصر الخرسانية للبناء في المصنع وتجميعها في موقع البناء يقدم الفوائد التالية:

1. يمكن الحصول على خرسانة عالية الجودة في المصنع، حيث يمكن صب الجدران أفقيًا، مما يتيح ضغطًا أفضل للخرسانة.
2. يمكن تقليل سمك الجدران لأن الخرسانة المصنعة تكون ذات جودة أعلى ودقة التنفيذ أكبر. هذا يقلل من أحجام المكونات مسبقة الصب، مما يخفف المبنى ويقلل من قوى الزلزال.
3. تقل تكاليف القوالب بشكل كبير.
4. التحكم في الجودة والتفتيش في المصنع أسهل وأكثر دقة بكثير.
5. يمكن تنفيذ أعمال البناء في الشتاء لأن الخرسانة تُعالج داخل المصنع، حيث يمكن التحكم بسهولة في درجة الحرارة.
6. يتحسن تبخر الماء من الخرسانة، حيث تجف الجدران مسبقة الصب وتنكمش بشكل مستقل أثناء المعالجة، مما يحد من الانكماش بعد البناء إلى الوصلات.

استخدام أنواعها ومكوناتها السقالات يمكن أن يسرع ويؤمن عملية تجميع هذه العناصر في الموقع.

المزايا الرئيسية للخرسانة مسبقة الصب

الإنتاج في المصنع يحسن جودة الخرسانة، ويقلل من وزن الهيكل، ويخفض تكاليف التنفيذ، مما يجعله خيارًا فعالًا للتصميم المقاوم للزلازل.