آثار الزلزال على الهياكل الخرسانية

ما هو الزلزال المؤثر على الهياكل الخرسانية؟

الزلازل هي أخطر ظاهرة طبيعية تحدث دماراً كبيراً في الهياكل. حيث يُذكر أن مصدرين للأخطاء التي من شأنها أن تعرض الهياكل لخطر كبير يتجاهلان الطرق التي يؤثّر بها الزلزال على المباني وممارسات البناء الرديئة. وهذا هو السبب في أن الفهم الصحيح للتأثيرات الزلزالية على الهيكل مهم للغاية، ويجب على المصممين والمقاولين النظر في تأثير القوى الزلزالية على المباني من أجل أن يكونوا قادرين على وضع تدابير وقائية ضد الفشل والانهيار.

اهتزاز الأرض هو السبب الرئيسي للضرر الزلزالي للهياكل من صنع الإنسان. بحيث تؤثّر العديد من العوامل على قوة اهتزاز الزلزال في الموقع بما في ذلك حجم الزلزال وقرب الموقع من الصدع والجيولوجيا المحلية ونوع التربة. ولقد تم تجهيز أكثر من 250 مبنى في جميع أنحاء الولايات المتحدة بأجهزة استشعار زلزالية من قبل مشروع الحركة الوطنية القوية التابع لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (NSMP) لتحسين الفهم العام للزلازل وتأثيراتها على البيئة المبنية.

تُعدّ الأجهزة ومراقبة الهياكل بواسطة أجهزة الاستشعار الزلزالية جزءًا واحدًا فقط من جهود هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية لحماية أرواح الناس وممتلكاتهم من مخاطر الزلازل في جميع مناطق الأمة النشطة زلزاليًا. حيث أنه عندما يضرب الزلزال الهياكل، فإنّه يولد قوى القصور الذاتي التي يمكن أن تكون مدمرة بشكل كبير مسببة تشوهات واهتزاز أفقي ورأسي.

ما هي آثار الزلزال على الهياكل الخرسانية؟

يمكن أن تؤدي التشوهات الأرضية الدائمة إلى تمزيق الهيكل. حيث هناك بعض أنواع الأساسات أكثر قدرة على مقاومة هذه التشوهات الأرضية الدائمة أكثر من غيرها. على سبيل المثال، يمكن أن يكون استخدام أساسات الخوازيق (قواعد البايلات)، مع امتداد الأكوام أسفل المنطقة المتوقعة لتسييل التربة، فعالاً في التخفيف من آثار المخاطر.

أيضًا، يمكن أن يكون استخدام قواعد الحصائر المقواة بشكل كبير فعالًا أيضًا في مقاومة تشوّه الأرض المعتدل بسبب تمزق العطل أو الانتشار الجانبي. ومع ذلك، فإنّ معظم الأضرار التي لحقت بالمباني التي يسببها الزلزال هي نتيجة اهتزاز الأرض. وعندما تهتز الأرض في موقع بناء، تهتز أُسس المبنى بطريقة مشابهة للأرض المحيطة.

1- قوى القصور الذاتي في الهياكل الخرسانية:

يُعد توليد قوى القصور الذاتي في الهيكل أحد التأثيرات الزلزالية التي تؤثّر بشكل ضار على الهيكل. بحيث عندما يتسبب الزلزال في اهتزاز الأرض، فإنّ قاعدة المبنى ستتحرك ولكن السقف سيكون في حالة راحة. ومع ذلك، بما أن الجدران والأعمدة متصلة به، يتم سحب السقف بقاعدة المبنى.

يسمى ميل هيكل السقف للبقاء في موضعه الأصلي بالقصور الذاتي. ويمكن أن تتسبب قوى القصور الذاتي في قص الهيكل الذي يمكن أن يركز الضغوط على الجدران أو المفاصل الضعيفة في الهيكل ممّا يؤدي إلى الفشل أو ربما الانهيار التام. أخيرًا، تعني الكتلة الأكبر قوة قصور ذاتي أعلى وهذا هو السبب في أن المباني الخفيفة تحافظ على اهتزاز الزلزال بشكل أفضل.

2- تأثير التشوهات في الهياكل الخرسانية:

عندما يتعرّض المبنى لزلزال ويحدث اهتزاز الأرض، تتحرك قاعدة المبنى مع اهتزاز الأرض. ومع ذلك، فإنّ حركة السقف ستكون مختلفة عن حركة قاعدة الهيكل. حيث يخلق هذا الاختلاف في الحركة قوى داخلية في الأعمدة تميل إلى إعادة العمود إلى موضعه الأصلي. وهذه القوى الداخلية تسمى قوى الصلابة. كما ستكون قوى الصلابة أعلى كلما زاد حجم الأعمدة، وقوة الصلابة في العمود هي صلابة العمود مضروبة في الإزاحة النسبية بين نهاياته.

3- الاهتزاز الأفقي والعمودي في الهياكل الخرسانية:

يتسبب الزلزال في اهتزاز الأرض في جميع الاتجاهات الثلاثة (X, Y, Z)، وتهتز الأرض بشكل عشوائي ذهابًا وإيابًا على طول كل اتجاه من اتجاهات المحور هذه. بشكل عام، يتم تصميم الهياكل لتحمل الأحمال الرأسية، لذلك يتم التعامل مع الاهتزاز الرأسي الناتج عن الزلازل (إمّا يضيف أو ينقص الأحمال الرأسية) من خلال عوامل الأمان المستخدمة في التصميم لدعم الأحمال الرأسية.

ومع ذلك، فإنّ الاهتزاز الأفقي على طول اتجاهات (X, Y) أمر بالغ الأهمية لأداء الهيكل لأنه يولد قوى القصور الذاتي والإزاحة الجانبية، وبالتالي يجب توفير مسار مناسب لنقل الحمل لمنع التأثيرات الضارة على الهيكل. حيث يمكن إنشاء مسار نقل مناسب لقوة القصور الذاتي من خلال التصميم المناسب للبلاطة الأرضية أو الجدران أو الأعمدة والوصلات بين هذه العناصر الهيكلية.

ومن الجدير بالذكر أن الجدران والأعمدة عناصر هيكلية مهمة في نقل قوى القصور الذاتي. حيث أنه من الواضح أن الجدران الحجرية والأعمدة الخرسانية الرقيقة المدعمة ستخلق نقاط ضعف في مسار نقل قوة القصور الذاتي.

التأثيرات الأخرى للزلازل على الهياكل الخرسانية:

بصرف النظر عن التأثيرات المباشرة لِلزلازل على الهيكل الذي تمت مناقشته أعلاه، هناك تأثيرات أخرى مثل التميع والتسونامي والانهيارات الأرضية. وهذه هي الآثار غير المباشرة للزلازل القوية التي يمكن أن تسبب دمارًا كبيرًا.