هندسة مدنية

أسس حساب الأحمال الزلزالية للمنشآت وفق الطريقة الاستاتيكية المكافئة الثانية من الكود العربي السوري.

تعد الزلازل من أخطر الكوارث التي تتعرض لها المباني، والتي لم يكن لها في القديم طريقة موثوقة لحساب تأثيراتها على المباني، لكن لحسن الحظ، فقد حصلت تطورات إيجابية في هذا المجال.

فنتيجة للأبحاث العلمية، ومع ظهور الحاسوب، أمكن إيجاد طرائق حسابية ذات دقة مقبولة للتنبؤ بتأثير الزلازل على المباني. كما حصلت تطورات في مواد الإنشاء أمكن معها الوصول لمواد أكثر مقاومة لتأثيرات الزلازل.

تتجلى الزلازل بحركة فجائية للأرض الحاملة للمبنى، بالاتجاهات الثلاثة وبتسارعات متغيرة دوماً، وباتجاهات متغيرة أيضاً، وبما أن الزلازل هي بشكل حركة، فإن الطريقة المناسبة لدراسة تأثيراتها يجب أن تكون حركية، أي بـ: “الطريقة الديناميكية”، ونظراً للمتغيرات الكثيرة في هذه الطريقة، فلا يمكن استعمالها إلا بواسطة الحاسوب.

أمكن، في بعض الحالات الخاصة، إيجاد طرائق استاتيكية، بتعريض المبنى لقوى أفقية معينة، بحيث ينتج عنها قوى وعزوم وتشوهات داخلية في المبنى، تكافئ تلك التي تنتج باستعمال الطرائق الديناميكية، وقد سميت هذه الطرائق بالطرائق الاستاتيكية المكافئة، ولعل أهمها الطريقة الاستاتيكية المكافئة الثانية الواردة في الملحق رقم 2 للكود العربي السوري، والمأخوذة بدورها عن الكود الأمريكي الموحد لعام 1997 المعروف باسم UBC 1997.

بالرغم من سهولة الفهم والحل بالطريقة الاستاتيكية المكافئة الثانية، مقارنة مع الطرائق الديناميكية، إلا أنها ليست سهلة للتعامل معها دون استعمال الحاسوب، وقد يكون من المناسب اتخاذ بعض الفرضيات التقريبية من أجل تبسيط الحل وجعله ممكناً بالطريقة اليدوية.

الفكرة الأهم، في التحليل بالطرائق الاستاتيكية المكافئة، هي فرض أن حركة الأرض بالزلزال تطبق على المبنى (في كل الاتجاهات) قوة قص أفقية، تسمى قوة القص القاعدي base shear، وتوزع هذه القوة على الطوابق في المناسيب المختلفة، وفقاً لكتل الطوابق، وارتفاعاتها فوق منسوب القاعدة.

أسس حساب الأحمال الزلزالية للمنشآت

العوامل المؤثرة على قوة القص القاعدي

1. زلزالية موقع المنشأة

1-1. الشدة الزلزالية والتسارع الزلزالي

يقصد بالشدة الزلزالية مقاسة بمقياس ميركالي المعدل الشدة القصوى التي يمكن أن تحدث خلال العمر التصميمي للمنشأة مع نسبة احتمال تجاوز لا تتعدى 10% (أي نسبة عدم تجاوز لا تقل عن 90%) وذلك للاستعمال في الطريقة الاستاتيكية المكافئة.

ويستعمل التعريف ذاته عند تحديد التسارع (العجلة) الأقصى للأرض، وذلك من أجل استعماله في طرائق التحليل الديناميكي (Peak Ground Acceleration-PGA).

1-2. العمر التصميمي للمنشآت

تنجز خرائط التمنطق الزلزالي لعمر تصميمي قدره (50) عاماً، وتعطى عوامل لتعديل الشدات والتسارعات الزلزالية في حال دراسة منشآت بأعمار تصميمية تختلف عن عمر (50) عاماً، ويمكن كذلك إنجاز خرائط تمنطق زلزالي لأعمار أخرى، مثلاً: 100 عام ـ 200 عام ـ 500 عام، لاستعمالها في المنشآت الاستراتيجية كالسدود ومحطات توليد الطاقة الكهربائية والمنشآت النووية وما شابه ذلك.

1-3. المناطق الزلزالية

يتم إنجاز الخارطة الزلزالية التي تحدد الشدات الزلزالية المتوقعة، ومن ثم يتم تقسيم القطر إلى عدد من المناطق الزلزالية لا يتعدى الستة، اعتماداً على احتمال تعرضها للأخطار الزلزالية، وذلك وفقاً للآتي:

المنطقة (O) لا تعد معرضة لزلازل ذات أهمية (حتى درجة MM V).
المنطقة (1) لا تعد معرضة لزلازل مضرة (حتى درجة MM VI)، أو تسارع (عجلة) 0.075.g
والمنطقة (2A) لا تعد معرضة لزلازل متوسطة الشدة (حتى أقل من درجة MM VII بقليل)، أو تسارع (عجلة) 0.15g
المنطقة (2B) لا تعد معرضة لزلازل أكثر من متوسطة الشدة (حتى درجة MM VII)، أو تسارع 0.20g
والمنطقة (2C) معرضة لزلازل متوسطة الشدة (حتى أكبر من درجة VII MM بقليل)، أو لتسارع 0.25g
المنطقة (3) تكثر فيها الزلازل وتعد معرضة لزلازل عالية الشدة (حتى درجة MM VIII)، أو لتسارع 0.30g
المنطقة (4) تكثر فيها الزلازل وتعد معرضة لزلازل مدمرة (أكبر من MM VIII)، أو لتسارع 0.40g أو أكثر.

2. عامل الأهمية حسب أنواع الإشغالات

تصنف كل منشأة عند التصميم لمقاومة الزلازل، تبعاً لطبيعة إشغالها في مجموعات وبشكل عام، يكون عامل الأهمية مساوياً 1 للمباني العادية، ويساوي 1.25 للمباني التي تتم الحاجة إليها وقت وبعد الزلزال، وقد يزيد على ذلك في منشآت أخرى.

3. جيولوجية الموقع وخصائص التربة

يجب أن يصنف كل موقع بعد دراسته إلى نموذج مقطع للتربة بالاستناد إلى معطيات جيولوجية موثقة ومدروسة بشكل خاص.

4. خصائص المخاطر المتعلقة بالموقع الزلزالي

تعين خصائص المخاطر الزلزالية للموقع بناءً على المنطقة الزلزالية ودرجة قرب الموقع من مصادر الزلازل الفعالة وعلى مقطع التربة فيه وكذلك معامل الأهمية للمنُشأة.

المنطقة الزلزالية

يتم تصنيف المواقع حسب المناطق الزلزالية المعينة، وذلك وفق الخرائط الزلزالية التي تصدرها السلطات المختصة.

معامل القرب من المصدر للمنطقة الزلزالية (4)

يجب أن يعطى إلى كل موقع في المنطقة الزلزالية (4) معامل يسمى معامل القرب من المصدر وشكل المصدر الزلزالي.

معاملات الاستجابة الزلزالية

يعين لكل منشأة معامل زلزالي (Ca) ومعامل زلزالي آخر (Cv) حسب نوع التربة.

5. متطلبات الشكل

تصنف كل منشأة عند تصميمها حسب شكلها الإنشائي إلى منتظمة أو غير منتظمة.

المنشآت المنتظمة

هي منشآت لا يوجد فيها انقطاعات (تغيرات ملحوظة) في الكتل أو القساوات ذات أهمية في المسقط الأفقي أو المقطع الرأسي أو جمل مقاومة القوى الجانبية المرتبطة بها.

المنشآت غير المنتظمة

هي المنشآت التي تتميز بانقطاعات مهمة (تغيرات واضحة) في الكتل أو القساوات نتيجة تغير في الشكل أو في جمل مقاومة القوى الجانبية.

للمزيد:

كيف تنشأ الزلازل و ماهي مقاييسها

زلزال يضرب بعض محافظات مصر اليوم بقوة ٦ ونصف ريختر

حقائق عن كوكب الارض قد لا تعرفها

الزلازل أسبابها و مقاييسها

1.أسباب نشوء الزلازل

يقول الجيولوجيون, أن الغالبية الساحقة من الزلازل (95% – 90%), تحصل لأسباب تكتونية (و لذلك تسمى زلازل تكتونية). و تحصل غالبًا عند الحدود الفاصلة بين هذه الصفائح التكتونية، التي تسمى عادةً بـ: الصدوع أو الفوالق (faults). و تنشأ هذه الزلازل عن حركة الصفائح الأرضية نسبة لبعضها البعض. مما يتسبب في نشوء و زيادة الاحتكاك و الضغط (أو الشد بينها) لدرجة تتعدى قدرة تحمل الأرض. فيحدث الزلزال الذي يحرر الطاقة المتجمعة.

أما السبب الثاني للزلازل فهو اندلاع البراكين, حيث تكون الزلازل البركانية عادةً أخف و أقل خطراً من الزلازل التكتونية. نادراً ما تكون الزلازل البركانية مدمرة. و مع ذلك فهي تحظى باهتمام خاص لأنها تسبق البراكين عادة.
تنشأ الزلازل أحياناً عن أسباب صنعية (من صنع الإنسان). مثال ذلك الزلازل التي يمكن أن تنشأ عقب تفجيرات ذرية تحت الأرض. أو الزلازل التي يمكن أن تنشأ بعد تعبئة خزانات السدود الضخمة.
و تكون الأضرار الناتجة عن الزلازل الصنعية صغيرة، مقارنة مع الزلازل الطبيعية (سواء منها البركانية أو التكتونية).

2.بؤرة الزلزال و مركزه السطحي

يحصل عن انهيار الصخور الأرضية تحرير كمية هائلة من الطاقة. و هذا التحرير الفجائي للطاقة هو ما يتم الشعور به وقت الزلزال. يعرف الزلزاليون بؤرة الزلزال (أو محرق الزلزال focus) بالنقطة ضمن الأرض التي يحدث فيها أول انهيار للصخور الأرضية، و تسمي أحياناً المركز الجوفي للزلزال (hypocenter), أما النقطة على السطح التي تقع فوق البؤرة مباشرة فتسمى المركز السطحي للزلزال (epicenter).

يمكن تقسيم الزلازل لثلاثة أنواع اعتماداً على عمقها البؤري (أو المحرقي): الزلازل العميقة (أعماق بؤرية 700-300 كيلومتر)، و زلازل متوسطة العمق (أعماق بؤرية 300-70 كيلومتر) و زلازل ضحلة العمق (أعماق بؤرية أقل من 70 كيلومتر), حوالي 75% من الزلازل التي تحصل في العالم هي زلازل ضحلة العمق. تحصل معظم الحركة في بؤرة الزلزال بشكل اهتزازات عنيفة تنتج موجات تنتقل في جميع الاتجاهات منشئة قوى حركية (ديناميكية) هامة في المنشآت.

3.الأمواج الزلزالية

ينشأ عن الزلزال أربع أنواع من الأمواج، تنشأ جميعها في وقت واحد. و لكنها تنتقل بسرعات مختلفة و بطرق مختلفة. نوعان من هذه الأمواج تسمى أمواج جسمية (body waves)، و يسمى النوعان الآخران أمواج سطحية (surface waves).

3-1.الأمواج الجسمية

تنتشر الأمواج الجسمية من المركز الجوفي للزلزال، عبر الأرض، بجميع الاتجاهات. و تنعكس عند سطح الأرض. تنقسم الأمواج الجسمية بدورها إلى قسمين هما: أمواج التمدد و التقلص، و يسميهم الزلزاليون الأمواج الرئيسية (Primary or P-waves)، و أمواج التحريف أو القص أو الأمواج الثانوية (Secondary or S-waves).
تنتشر الأمواج الرئيسية بسرعة 5.5 km/sec تقريباً. و هذا أسرع من الأمواج الثانوية التي تنتقل بسرعة 3.5 km/sec تقريباً, و يتم عادة تحديد المسافة بين مركز الرصد و مصدر الزلزال اعتماداً على الفرق بزمن الوصول بين النوعين من الأمواج.

3-2.الأمواج السطحية

تنتشر الأمواج السطحية بسرعة أبطأ من الأمواج الجسمية. أي بسرعة 2 km/sec تقريباً، و هي أكثر تدميراً من الأمواج الجسمية. و تنتشر عند السطح أو قريباً منه. تقسم الأمواج السطحية إلى قسمين أيضاً هما: أمواج ريلي (Rayleigh) و أمواج لوف (Love), تكون أمواج ريلي بشكل اهليلجي محصور في المستوي الشاقولي الذي يحوي اتجاه الانتشار. أما أمواج لوف فتتميز بالحركة الأفقية بصورة متعامدة على اتجاه الانتشا. ينتج عن اجتماع أمواج ريلي و لوف حركات شاقولية و انزياحات أفقية للمباني و المنشآت, كما تسبب الأمواج السطحية الدمار الأكبر للمباني و المنشآت و الجسور و الطرقات.

3-3.تغير الأمواج الزلزالية

تتغير قيمة الأمواج الزلزالية بشكل منحني جيبي (sine curve)، أي أن قيمة الموجة تزداد من الصفر حتى قيمة عظمى، ثم تتناقص للصفر، و تنعكس بالاتجاه المعاكس لتبلغ قيمة عظمى أيضاً، ثم تتناقص للصفر، و تعود للتزايد بالاتجاه الأول و هكذا.
ففي الأمواج السطحية مثلاً، يبدأ سطح الأرض بالحركة نحو الأعلى مثلاً حتى يبلغ قيمة عظمى، ثم تخف الحركة لتصبح صفراً، ثم تبدأ الحركة للأسفل و تتزايد لتبلغ قيمة عظمى، ثم تتناقص لتصبح صفراً، و بعدها تبدأ بالحركة للأعلى و هكذا.

و يعبر عن طول الموجة بالمسافة الفاصلة بين بداية الحركة للأعلى في المرة الأولى و بدايتها في المرة الثانية، و يختلف طول الموجة من أرض لأخرى، فقد يكون الطول بضعة أمتار، و قد يصل لمئات الأمتار, و ينتج عن هذا أن جزءاً من المبنى يمكن أن يكون معرضاً لقوى زلزالية باتجاه معين، و الجزء الآخر منه معرض لقوى زلزالية بالاتجاه المعاكس في الوقت ذاته، كما يمكن أن يتعرض لقوى زلزالية بالاتجاه ذاته، و لكنها بقيم مختلفة.

4.مقاييس الزلازل

4-1.مقياس المطال أو المقدار (Magnitude)

يقيس هذا المقياس الطاقة الزلزالية المتحررة بالزلزال، و يقدر بالريختر (Richter)، و هو ليس مقياساً هندسياً لأنه لا يعبر بصورة صحيحة عن الخسائر، و ميزته أنه يصف الزلزال برقم واحد فقط، يؤخذ من أجهزة الرصد الزلزالي (أي أنه مقياس موضوعي و ليس ذاتي).

يقاس المطال بواسطة محطات قياس الزلازل المنتشرة على جميع بقاع الأرض، و تسمى المحطة سيزموغراف (seismograph)، و تتألف من سيزمومتر (Seismometer) يتحرى وقت وصول الزلزال، و من جهاز تسجيل.

يتألف السيزمومتر من كرة ثقيلة نسبياً مربوطة بخيط إلى الجهاز, فعند حدوث الزلزال يتحرك الجهاز مع حركة الأرض، بينما تبقى الكرة ثابتة في موقعها بسبب عطالتها، و بذلك يرسم القلم المثبت في أسفل الكرة خطاً متعرجاً على الورقة تحته، المثبتة بالجهاز, و هذا الخط هو حركة الأرض نسبة للكرة التي بقيت ثابتة, و يعرف المطال المحلي للزلزال (يسمى كخطأ دارج “درجة على مقياس ريختر”) بأنه اللوغاريتم العشري للمطال الأعظمي للأمواج السطحية (S-waves) مقاساً بالميكرومتر، مسجلة بواسطة سيزموغراف موضوع على بعد 100 km من المركز السطحي للزلزال (epicentral distance).

و من المفيد معرفة أن المطال (المقدار) يزداد برقم واحد عندما يتضاعف المطال المقاس، عشرة أضعاف.
مقياس المطال مفتوح، و قد سجلت المراصد زلزالاً مقداره 8.9 Richter، و لكن العلماء لا يتوقعون أن يزيد المطال (المقدار) على 9 Richter لأن صخور الأرض لا تستطيع أن تتحمل طاقة أكثر من تلك التي ُتنتج هذا المقدار.

و من المفيد للمهندس أن يعلم أن الخبرة العملية دلت على أن الزلازل ذات المطال (المقدار) الذي يقل عن 5 غير محتمل أن تسبب أضراراً إنشائية، بينما يحتمل أن تنتج الزلازل ذات المطال الذي يزيد على 5 حركات أرضية تسبب أضراراً إنشائية.

4-2. مقاييس الشدة (Intensity)

هذه المقاييس وصفية (أي غير موضوعية) و تخضع لتقدير الراصد. من أهمها مقياس ميركالي المعدل (Modified Mercalli Scale- MM) و هو مقسم إلى 12 درجة من الدرجة التي لا ُيشعر به (Imperceptible) إلى درجة الكارثة العظمى disaster) (Major.
يقيس مقياس الشدة الدمار في المباني و المنشآت. و هو يتعلق بمقدار الزلزال ، و ببعد المنشأة عن المركز السطحي. و بالعمق البؤري للزلزال، إضافة لأمور أخرى (كنوعية التربة في الموقع، و مدة الزلزال ).

كذلك هناك المقياس السوفييتي أو مقياس MSK (Medvedev-Sponheuer-Karnik) و هو مقسم إلى 12 درجة أيضاً، متقاربة مع درجات مقياس ميركالي المعدل, و هناك أيضاً المقياس الياباني و هو مقسم إلى سبع درجات، و مقاييس أخرى غير ذلك.

4-3.مقياس التسارع (Acceleration)

هذا المقياس هو موضوعي أيضاً، و يقيس تسارع الأرض الأعظمي (Peak Ground Acceleration-PGA) نسبة لتسارع الجاذبية الأرضية، و هو المقياس الأكثر شيوعاً في الآونة الأخيرة.

4-4. تعيين الشدات (و التسارعات) مناطق النشاط الزلزالية

من أجل تعيين الشدة الزلزالية لمنطقة ما، أو التسارع الزلزالي لمنطقة ما، يجب القيام بدراسة إحصائية من أجل تعيين الشدة التصميمية أو التسارع التصميمي (أو المميز), و يعرف التسارع الزلزالي التصميمي بأنه التسارع الذي لا يمكن تجاوزه بأكثر من 10% ( أي 90% عدم تجاوز) من الحالات خلال عمر المنشأة (الذي يؤخذ عادة 50 سنة للمباني، و 100 أو 200 أو 500سنة للمنشآت الهامة كالسدود و محطات إنتاج الطاقة و ما شابهها).

و يكافىء ذلك بالنسبة للعمر 50 سنة. فترة عودة قدرها 475 سنة. أما بالنسبة للزلازل التي يزيد تسارعها (أو شدتها) على القيم التصميمية و التي يمكن أن تحدث في الموقع. فتتم مقاومتها بالاشتراطات و الاحتياطات التي يطلبها الكود و بتفصيلات التسليح. إضافة لذلك، فبينما لا يسمح في حالة الزلزال التصميمي حصول أي تشققات أو تصدعات بالجملة الإنشائية الحاملة (يسمح بها في عناصر الإكساء فقط). يسمح بحصول تصدعات و تشققات بالجملة الإنشائية الحاملة في حالة الزلازل العنيفة (التي تزيد على الزلزال التصميمي). و لكن لا ُيسمح بأي انهيار يمكن أن يؤدي لخسائر في الأرواح أو الممتلكات.

إقرأ أيضاً

 حلول تغير المناخ العالمي والاحتباس الحرارى

زلزال يضرب بعض محافظات مصر اليوم بقوة ٦ ونصف ريختر

إعصار شاهين يُعرقل مسار الحياة ويتسبب في إخلاء مساكن المواطنين