يتم إجراء التصميم الزلزالي للهيكل الذي يتم تشييده في المناطق التي يوجد بها احتمال حدوث زلازل. بالإضافة إلى ذلك، يتم فحص / تصميم الهياكل المهمة مثل السدود والمباني الشاهقة وما إلى ذلك تحت تأثير الزلازل سواء كانت قريبة من حدود الصفيحة أم لا.
ما هو الزلزال؟
حركة الأرض في الاتجاه الرأسي والأفقي بسبب الحركة بين الصفائح، والأحداث البركانية، إلخ.
تنتقل هذه الحركة في الأرض مباشرة إلى النظام الهيكلي. مفهوم التصميم الهيكلي هو العامل الرئيسي الذي يقرر ما إذا كان هذا الهيكل يمكن أن يتحمل الأحمال المطبقة في هذا النوع من الأحداث.
بشكل عام، يتعلق الأمر بالسعة ونسبة الحمل المطبقة.
ماذا يحدث في الزلزال؟
كما ناقشنا سابقًا، تتسبب حركة الأرض في تحرك الهياكل في اتجاه موجات الزلزال.
غالبًا ما تكون الموجات في الاتجاه الأفقي.
بسبب الحركة الجانبية في الأرض، فإنها تهز المبنى. هذه الحركة تخلق تشوهين للهيكل وهما تشوه الانحناء أو الثني وتشوه القص.
علاوة على ذلك، تعرض الهيكل لمراحل مختلفة من الحركات مع الاهتزاز. هذه تسمى أشكال الوضع mode shapes. يتم أخذ أشكال الوضع الأساسية هذه في الاعتبار في التصميم.
ما الفرق بين أحمال الرياح وأحمال الزلازل؟
يتسبب كلا النوعين من الأحمال في اهتزاز الهيكل. علاوة على ذلك، يمكن تطبيق كلا النوعين من الحمل على أنه ثابت أو ديناميكي والمضي قدمًا في التصميم.
الفرق الرئيسي بين هذه الأنواع من الأحمال هو الحجم والإطار الزمني الذي تم تطبيقه على الهيكل. علاوة على ذلك، فإن متغيرات الأحمال المطبقة ليست متشابهًة في طبيعتها.
كيف يحدث الزلزال؟
يسمى الانزلاق المفاجئ في الصدع بالزلزال.
الصفائح التكتونية Techtonic تتحرك دائمًا. تبني حوافها بسبب الاحتكاك بين المستويين. إن التخلص من هذا الإجهاد من خلال التغلب على الاحتكاك هو ما نشعر به وكأنه زلزال.
لوحظت الأحداث الزلزالية عند حدود الصفيحة. تم العثور على حدود الصفائح التالية. يوجد في الأساس سبع صفائح تكتونية.
- صفيحة أفريقية
- صفيحة أنتاركتيكا
- صفيحة أوراسيا
- صفيحة إندو-أسترالية - [صفيحة أسترالية وصفيحة هندية]
- صفيحة أمريكا الشمالية
- صفيحة المحيط الهادئ
- صفيحة أمريكا الجنوبية
يمكن توضيح حركة صفيحة Tiptronic في الشكل التالي.
تخلق حركة الأرض. في بعض الأحيان يكون هناك تشوه دائم في الأرض بعد الزلزال.
ما هو التصميم الزلزالي؟
تصميم هيكل يتحمل الأحمال الناتجة عن الزلزال. سيكون الحمل نوعًا ديناميكيًا ويمكن استخدام التحليل الديناميكي أو التحليل الإستاتيكي للتحليل والتصميمات.
توفر أكواد التصميم الزلزالي دليلاً شاملاً للمهندسين الإنشائيين حول المعلمات التي يجب مراعاتها بناءً على حجم ومدى الزلزال ونوع الهيكل وحالة الأرض وما إلى ذلك.
هناك ثلاث طرق رئيسية لتصميم الهيكل.
- التحليل الساكن الإستاتيكي
- تحليل طيف الاستجابة Response Spectrum - التحليل الديناميكي
- تحليل تاريخ الوقت Time History - التحليل الديناميكي
التحليل الإستاتيكي في التصميم الزلزالي
التحليل الساكن أو الإستاتيكي هو أبسط طريقة لحساب الحمل والتحليل. إنها طريقة بسيطة وسهلة نسبيًا.
الخطوات التالية يتم اتباعها في التحليل الإستاتيكي:
- تحديد ذروة التسارع الأرضي (PGA) للهيكل المراد تصميمه. يمكن الحصول على هذه القيمة من المعايير المحلية أو من المعايير الدولية القائمة على المنطقة الزلزالية حيث يقع الهيكل.
- عندما يكون الموقع بعيدًا عن حدود الصفيحة، يمكن استخدام الحد الأدنى من PGA أو القيمة المنصوص عليها في كود التصميم.
- بناءً على PGA والمعلمات الأخرى، يتم حساب القص الأساسي base shear قوة القص في القاعدة.
- في هذه الطريقة، نعتبر كتلة الهيكل مجمعة في كل مستوى من طبقات الأرضية. القاعدة الموجودة على كتلة كل طابق والارتفاع لكل طابق من الأرض، يتم توزيع القص الأساسي على كل طابق.
- بعد ذلك يمكننا المضي قدمًا في التحليل بالطريقة المعتادة.
- ومع ذلك، يتعين علينا ضبط خصائص المواد مع الأخذ في الاعتبار آثارها غير الخطية حيث نترك الهياكل تتصرف خارج النطاق الخطي في الزلزال.
- اعتمادًا على نتيجة التحليل، يمكن إجراء التصميم.
طريقة تحليل طيف الاستجابة Response Spectrum
هذه إحدى طرق التحليل الديناميكي في التصميم الزلزالي. أولاً نحتاج إلى إيجاد طيف الاستجابة المناسب المناسب للتصميم.
علاوة على ذلك، يستخدم هذا بشكل أساسي في تحليل المباني في التصميم الزلزالي.
يمكن تسليط الضوء على ما يلي بالإشارة إلى تحليل طيف الاستجابة.
- يوفر تحليل طيف الاستجابة تقديرًا لاستجابة الذروة لهيكل المقدمة في شكل إزاحة أو سرعة أو تسارع.
- تُستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع للعثور على استجابة الهيكل في التصميم الزلزالي.
- علاوة على ذلك، هذه طريقة تقيس مساهمة كل فترة اهتزاز طبيعية للإشارة إلى الاستجابة الزلزالية القصوى المحتملة لهيكل مرن بشكل أساسي.
طريقة تحليل تاريخ الوقت Time History
يعد تحليل تاريخ الوقت أيضًا أحد أساليب التحليل الديناميكي المستخدمة في التصميم الزلزالي.
تحليل تاريخ الوقت هو تقييم خطي أو غير خطي للاستجابة الديناميكية للهيكل الذي يتعرض للتحميل الذي يتغير وفقًا لدالة الوقت.
يمكن أن تكون هذه الوظيفة مرتبطة بحدث زلزالي سابق.
عوامل مهمة يجب مراعاتها في التصميم الزلزالي
هناك العديد من العوامل التي يمكن أخذها في الاعتبار عند إجراء التصميمات الزلزالية.
يعد الانحراف الجانبي أو الانجرافات drifts والتخميد وتفاصيل الليونة ductility والتكوينات الهيكلية، وما إلى ذلك، هي من العوامل المهمة التي يجب النظر إليها عند تصميم الهياكل لأحمال الزلزال.
التشوهات الجانبية
أكثر أنواع التشوه تفضيلاً هي الحركة الانتقالية. إذا لم تتشكل أي أوضاع التواء في الوضعين الأولين، فنحن سعداء.
عندما لا تصل الأوضاع الالتوائية torsional modes إلى الأوضاع الأولية، يكون التشوه الالتوائي للهيكل ضئيلًا.
ومع ذلك، لا يمكننا تحقيق ذلك دائمًا لأن هياكلنا ليست دائمًا متماثلة. يمكن أن يكون هناك انحرافات في مركز الكتلة ومركز الصلابة.
في المناسبات التي لا يمكننا فيها تجنب الأوضاع الالتوائية، يتعين علينا تصميم الهيكل على الالتواء. يجب الانتباه إلى العناصر الضعيفة وتغير قوة القص في الهيكل.
يجب أن تحاول دائمًا تجنب الأوضاع الالتوائية ضمن الأوضاع الأولية عن طريق تعديل الصلابة الهيكلية. يمكن إجراء تعديلات في صلابة جدران القص وتغيير مواقعها وما إلى ذلك للتغلب على هذه المشكلة.
انجراف الدور / مؤشر الانجراف Story Drift / Drift Index
هذا هو أحد متطلبات الخدمة للمبنى وهو أيضًا نوع من تقييد التشوه الجانبي للهيكل.
يجب أن تكون القيود على أساس المواصفات القياسية ذات الصلة المستخدمة في التصميم الزلزالي.
خلاف ذلك، فإن المكونات غير الإنشائية مثل الكسوة والسقف المستعار والمعدات الميكانيكية وما إلى ذلك يمكن أن تتضرر بالتشوه الجانبي المفرط.
التخميد Damping
التخميد هو ظاهرة تبدد طاقة الجسم المهتز بمرور الوقت. يقلل من اتساع الاهتزاز مع مرور الوقت.
يشير الشكل التالي إلى تشتت المدخلات بسبب التخميد.
الهيكل نفسه لديه قدرة التخميد. يتم تبديد الاهتزاز الناجم عن الزلزال بواسطة الهيكل نفسه دون أي أجهزة امتصاص طاقة خارجية.
ومع ذلك، عندما يزداد نطاق الاهتزاز، تتعرض الهياكل للتشقق وتفقد خصائص التخميد.
في البناء الحديث، هناك العديد من الطرق المعتمدة لتحسين مستوى الراحة للمباني من خلال تثبيت المخمدات dampers.
تم اعتماد الطرق التالية لتقليل الاهتزازات في المبنى في التصميم الزلزالي.
- المخمدات اللزجة
- Viscoelastic المخمدات اللزجة المطاطية
- مخمدات الاحتكاك
- مخمدات الاهتزاز (مخمدات الكتلة المضبوطة)
- مخمدات الخضوع
- المخمدات المغناطيسية
يتم اعتماد هذه الأنواع من طرق التخميد في المباني الشاهقة. عادة، المباني الصغيرة غير مجهزة بهذه الأنواع من الأنظمة.
بطبيعة الحال، تكون خصائص التخميد للمباني الصغيرة أقل ولا يمكنها تبديد الطاقة عن طريق التشوهات الجانبية حيث توجد أنها أكثر صلابة للتشوهات الجانبية.
علاوة على ذلك، فإن جدران البناء (الجدران بين الأعمدة) في هذه الأنواع من الهياكل لا تبدد الطاقة.
لذلك، تعرضت المباني الصغيرة لمستويات عالية من الضرر بسبب الزلزال.
تفصيل الليونة أو الممطولية - Ductility Detailing
إنها واحدة من أكثر الطرق استخدامًا في البناء سواء كان المبنى يقع في منطقة زلزالية أم لا.
حتى الهيكل ليس مصممًا للأحمال الزلزالية، فإن تفاصيل التسليح لهذه الهياكل تتم وفقًا لمتطلبات تفاصيل الليونة.
تكوين المبنى - Building Configuration
تكوين المبنى مهم للغاية عندما يتعلق الأمر بالتصميم الزلزالي.
تتعرض المباني غير المنتظمة للالتواء بسبب انحراف مركز الكتلة والصلابة. يجب عمل فواصل الحركة وتعديل الصلابة الجانبية وإدخال جدران القص وما إلى ذلك لتجنب الحركات الالتوائية.
نظام مقاومة الحمل الجانبي
يحمل نظام مقاومة الحمل الجانبي الحمل الأفقي الحاصل على المبنى في حالة حدوث زلزال.
تحدد صلابة عناصر مقاومة الحمل الجانبي مستوى الضرر الذي يلحق بالهيكل.
يمكن استخدام أشكال هيكلية مختلفة أخرى لتحقيق أداء أفضل ضد الأحمال الجانبية.
عزل القاعدة - Base Isolation
من أشهر الأساليب المعتمدة في البناء الحديث لحماية الهياكل من الزلازل.
كما نعلم، ستكون هناك أحمال زلزالية عالية جدًا على المباني الشاهقة مما يؤدي إلى إضافة تكلفة كبيرة لنظام مقاومة الحمل الجانبي. لذلك كان من الصعب للغاية بناء أبنية شاهقة في منطقة يحدث فيها الزلازل بكثرة.
جعل استخدام طرق عزل القاعدة Base Isolation هذا ممكنًا الآن. عزل القاعدة يحد من الحركة الجانبية للمبنى ولكنه لا يتجنبها. ستكون هناك قوة معينة في الهيكل تحتاج إلى التصميم.
تتطلب طريقة Base Isolation مزيدًا من الدراسات لتطوير مادة مناسبة وقد تكون تكلفة هذا البناء مرتفعة.
مطلوب مراقبة حالة المواد في النظام حيث يمكن أن تتدهور بمرور الوقت. عند الحاجة يجب استبدالها.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن استبدال المواد الموجودة في عازل القاعدة بعد مواجهة زلزال بناءً على تقييم حالة المادة.
اقرأ: مبادئ التصميم الزلزالي - العوامل التي يجب أخذها في الاعتبار