هندسة الزلازل

إن علم الزلازل يهدف إلى تقليل المخاطر الناجمة عن حدوث الهزات الأرضية

وعلى معرفة مكان حدوث الزلازل المدمرة وتعيين طبيعة الحركات الأرضية المتولدة ونوع التشويه الذي تعانيه الطبقات العليا من القشرة وتسهيل عملية تصميم الأبنية المقاومة للزلازل وهذا يتطلب معرفة وتخمين أقصى درجات الاهتزاز الذي يعانيه المنشأ الهندسي عند حصول الزلزال وبالتالي وضع الأسس المحددة للتصاميم الملائمة بأقل تكلفة ممكنة لتقليل:
-الخسائر البشرية.
-الخسائر الاقتصادية.وذلك من تحديد:
أ- مدى احتمال وقوع الزلازل.
ب- مقارنة هذه المخاطر الطبيعية مع التوزيع السكاني ومواقع المرافق العامة والهامة ومدى تعرضها للمخاطر وتأثرها بها وصولاً إلى تحديد الخطر
ج- وضع تصاميم ومعايير للبناء وإنشاء وفرض تطبيقها بقدر الإمكان.

أضرار الزلازل
إن الزلازل وما ينجم عنها من إزهاق للأرواح وهدم لمقومات الحياة بصورة آنية – قد لا تتجاوز ثوانٍ معدودة – لا سيما في المجتمعات المعاصرة التي تداخلت فيها مقومات الحياة بصورة معقدة، أدى إلى تطوير العديد من الحلول الهندسية لتقليل الآثار التي قد تسببها هذه الهزات الأرضية.

الأضرار المباشرة
1- حسب قوة وشدة الزلزال وطبيعة المنطقة المتضررة وبعدها عن مركز الزلزال ونوعية المنشآت والمباني القائمة والكثافة السكانية وطبيعة النشاط الإنساني.
2- تسبب الزلازل وبشكل خطير تساقط الصخور من الجبال العالية وقد يؤدي هذا إلى إحداث أضرار بالغة سواء أثناء مرور السيارات على الطرق المجاورة للجبال أو بسبب السقوط المباشر للصخور على المباني.
3- الانزلاقات والتشققات الأرضية تعتبر أحد الأسباب الرئيسية المباشرة لدمار المباني والمنشآت والطرق والسكك الحديدية وخلافها.
4- تميع التربة وهي ظاهرة تؤدي بسبب الهزة الأرضية إلى فقدان نوع من التربة مقاومتها وتصبح مادة سائلة ومن أنواع التربة التي تحدث لها مثل هذه الظاهرة الرمل الناعم غير المتماسك والرمل المخلوط بالطمي وتحدث ظاهرة التميع عندما تكون التربة القابلة للتميع مشبعة بالماء.

يعرف التميع بأنه هبوط مفاجئ في مقاومة القص وهو يكافئ هبوط في قدرة تحمل التربة مما يؤدي إلى تميعها وسيلانها ويحدث في الترب المفككة والمشبعة.

إن استمرار دورات قوى القص المتعاكسة في الرمل المشبع (كما يحصل أثناء الزلزال) يؤدي إلى زيادة الضغط المسامي، والذي بدوره يؤدي إلى تناقص الإجهاد الفعال وقوى القص، ويحصل تميع التربة عندما تصل قيمة قوة القص للصفر.

إن الظروف التي يعد وجودها مناسباً لحدوث التميع هي:

طبقة تربة رملية ضعيفة التحمل يتراوح عمقها 15 – 20 م.
جزيئات تربة متماثلة وذات حجم متوسط.
ظروف إشباع وخاصةً عندما تكون التربة مغمورة بالمياه.
قيم منخفضة لاختبار النفاذية.
الأضرار غير المباشرة
هذا النوع ينتج عنه ضرر الإنسان بسبب الإنهيارات التي تحدث في المباني فأساسات المنشآت تتعرض إلى نوعين من الحركة ينتقلان من الأرض إلى المنشآة فهناك حركة أفقية وهي معروفة أكثر وهناك حركة عمودية وهي أقل حدوثاً وإن كان بعض المختصين يؤكد أن الحركتين متلازمتا الحدوث ولكن كل بمقدار معين ومختلف عن الآخر.
على كل حال حدث ان سجلت حركات شديدة عمودية وأفقية في الهزة الواحدة ولكن في حدود النسب المتوقعة لكل منها وعادة ما يكون الاثنان شديدي القوة كما أن المشكلات الناتجة عن الحركات العمودية تعتمد أكثر على قواها الذاتية (absolute value) وقابلية تضخيم المنشأة والتربة لها (structural amplification) أكثر من علاقتها بالحركات الأفقية ومقدار تسارعها.
التسارع العمودي وهو مستقل عن الحركات الأفقية – يتكاتف في بعض الأحيان مع التحميل العمودي فينتج عنه أضرار بليغة أو حتى الانهيار الكامل كما حدث في انقلاب مبنى أثناء زلزال المكسيك 1985 م وذلك لضعف ترابط الأساسات وضعف التربة.

ونظراً لعدم توفر معلومات كافية عن هذين النوعين من الحركات الأرضية ومقدار تسارعهما في كل مناطق النشاط الزلزالي لذا فإننا نجد أن كثير من المختصين في هندسة الزلازل يميلون إلى قياس ما يسمى بانتقاض الأرض أو ما يسمى أحياناً بـ (ground shaking) أو (ground movements) وقياس هذا النوع من الحركة الأرضية يتطلب استعمال أجهزة قياس العجلة الأرضية وتعطي معلومات جيدة وواسعة للمناطق المعرضة للهزات الأرضية.

وعلى الرغم من أن المشاهدات تتراوح ما بين الأضرار البسيطة للمباني إلى الدمار الشامل إلا أنه وجد أن بعض المباني استطاعت مقاومة هزات أرضية عنيفة نظراً لتمتعها بقواعد مربوطة جميعاً بشكل جيد وقد أظهرت المشاهدات أن مثل هذه المباني عايشت هزات عنيفة مثيرة تسببت في تميع التربة.

معاملات الخطر الزلزالي

ضعف الحصانة الزلزالي

إن الكثير من المباني المعرضة للخطر لا يرجع بالضرورة إلى ارتفاع مستوى الخطر بقدر ما يرجع إلى أن هذه المباني قابلة للتأثر حتى بالاهتزازات الزلزالية ذات الشدة المنخفضة.

والسبب الرئيسي أن هذه المباني قد أقيمت باستخدام مواد وتقنيات إنشاء لا تكفل لها سوى قدر قليل من المقاومة للزلازل.

ومن أشد هذه المباني قابلية للتأثر:

المباني المقامة من الحجر ومباني الخرسانة المسلحة الخالية من جدران القص.
يجب التمييز بين الخطورة الزلزالية والخطر الزلزالي حيث تعبر الخطورة الزلزالية عن توقع حدوث زلزال ذي مقدار معين (الزلزال الحرج) خلال فترة التصميم المتوقعة للمنشأ الهندسي.

أما الخطر الزلزالي فإنه يدرس احتمالية كون النتائج الاقتصادية أوالاجتماعية المترتبة نتيجة حدوث زلزال معين سوف تساوي أو تتجاوز قيم محددة في مكان أو في منطقة معينة خلال فترة تعرض محددة.
من الاحتياجات الأساسية عند تحديد الخطر الزلزالي Risk هي معرفة المكان الذي تحدث فيه الزلازل والزمان الذي يحتمل حدوثها ولغرض التوصل إلى تصميم دقيق وقوي يجب حساب تأثيرات جميع القوى الحركية والسكونية. يشمل الخطر الزلزالي على أربعة عناصر رئيسية:
A- القيمة الإقتصادية وتشمل الخسائر البشرية والمادية.
B- درجة التخريب الناتج عن الزلازل.
C- الخطورة: وهي احتمالية وقوع زلزال معين في موقع معين ضمن فترة زمنية معينة.
D- الخطر الزلزالي: وهي الدرجة المتوقعة للخسائر البشرية والمادية في موقع معين ضمن منطقة معينة وفي زمن معين.

معادلة التوهين
يعرف التوهين بأنه تضاؤل الشدة الزلزالية مع المسافة عن البؤرة الزلزالية السطحية.

I(R)=I0+a+bR+C log 10-R

R = نصف قطر الدائرة التي تكون البؤرة في مركزها.
I(R)= الشدة عند المسافة R  من البؤرة السطحية للزلازل
a.b.c  ثوابت تعتمد على المنطقة

الاستجابة الأرضية للزلازل
تتلخص الاستجابة الأرضية للزلازل في ثلاث معاملات.
1- التعجيل الأرضي الأقصى:

وبالرغم من وجود مركبة أفقية وأخرى عمودية فإن معظم الاستخدامات هي المركبة الأفقية للتعجيل الأقصى.
2- السرعة الأرضية القصوى.
3- الخواص الطيفية.
4- فترة التردد الزلزالي.

الحركة الأرضية:
إن خيار التصميم الهندسي المناسب لمقاومة الزلازل يبقى هو الحل الوحيد ويمثل في اعتماد مواصفات البناء الهندسي الذي يحقق شرطين أساسيين هما:
1-تفادي انهيار المباني حتى عند وقوع زلزال شديد وبالتالي تفادي وقوع نسبة عالية من الوفيات.
2-القبول بمبدأ السماح بالأضرار الإنشائية التي يمكن إصلاحها بتكلفة تقل بكثير عن التكلفة اللازمة للبناء الإنشائي الذي لا يسمح بأي ضرر عند وقوع زلزال شديد.

من المتعارف عليه أن معظم الأضرار الأولية خلال حدوث الزلزال بسبب الحركة الأرضية ويعبر عن هذه الحركة بالتسارع الأرضي الأقصى.

PGA يعتمد مستوى الحركة الأرضية لموقع ما على بعدها من مركز الزلزال السطحي حيث تزداد الشدة كلما اقتربنا من المركز وتقل كلما ابتعدنا. الحركات الأرضية القوية يمكن أن ينجم عنها أيضاً مخاطر ثانوية مثل تضخيم الحركة الأرضية وتميع التربة وانزلاق أرضي.

نستنتج من ذلك أن الحركات الأرضية ذات اافترة الدورية الطويلة من الزلازل البعيدة في اليونان مثلاً قد تؤثر على المباني الشاهقة والمنشآت في منطقة شرق البحر الأبيض المتوسط واحتمال تعرض الترب للتضخم والتميع الوارد.
يتأثر السجل الزلزالي للحركة الأرضية بثلاث عوامل:
-صفات المصدر (الاجهاد والتشوهات).
-المسار الموجي (تشتت الطور الموجي).
-ظروف الموقع: وتشمل الطبوغرافية والتربة.

تشتمل نماذج تحليل المخاطر الزلزالية ورسم خرائط التمنطق الزلزالي لموقع معين على تكامل الدراسات الجيولوجية.
والجيوتقنية والزلزالية والتي من خلالها يمكن تقويم مستوى الخطر وتحديد معامل الأمان الزلزالي بدقة.
هناك ثلاثة شروط يجب توفرها لتحديد إمكانية حدوث الكارثة الزلزالية:
كمية القدر الزلزالي حيث أن الأحداث الزلزالية الصغيرة لا ينتج عنها هزة أرضية عنيفة بصورة كاملة وحادة لكي تتسبب في الدمار الشامل.
قرب المصدر الزلزالي.
الحدث الزلزالي يعتمد على درجة الاستعداد للكارثة.

لا تعتمد خطورة الزلزال على مدى زلزالية المنطقة أو الإقليم فحسب ولكن أيضاً على الكثافة السكانية والنمو الاقتصادي. وبالرغم من أن الزلزالية تظل ثابتة، فإن الكثافة السكانية والنمو الإقتصادي يزداد بشكل سريع.

ومن أهم العناصر الضرورية للتهيؤ للكوارث هو قابلية التأثير Vulnerability أي تخفيف الزلازل المدمرة.

تضخيم الموجة في الطوابق العليا حيث يزداد التأثر بها
حيث نجد أن الفترة الطبيعية (بالثواني) للمباني الشاهقة تزداد مع الإرتفاع على النحو التالي: الفترة الطبيعية (بالثواني) = عدد الطوابق / 10.
فنجد أن المباني المكونة من 50 طابق تبلغ فترتها الطبيعية 5 ثواني بينما تصل إلى 10 ثواني في 100 طابق.

التصميم المقاوم للزلازل
تكمن أهمية اعتماد مواصفات البناء الإنشائي المقاوم للزلازل من عدة أسباب أهمها:
1-التحليل الإحصائي للسجلات الزلزالية التاريخية والحديثة.
2- إجراء الدراسات على حالات الإنهيار الإنشائي الناجم عن الزلازل.يعتمد نجاح التصميم الهندسي المقاوم للزلازل على دقة تنفيذ تفاصيل التصميم والتأكد من تحقيق الحد الأدنى من المواصفات الموصى بها اعتماداً على نوع العنصر البنائي ونوع المادة الإنشائية المستخدمة.

ينجم عن الاهتزازات الزلزالية قوى أفقية وأخرى رأسية ولكن في أغلب الأحيان لا تؤخذ هذه القوى الرأسية في الحسبان أثناء التصميم الإنشائي وذلك لأن متانة المباني Structural Stiffness في الإتجاه الرأسي تكون دائماً أضعاف المتانة في الإتجاه الأفقي، لهذا تعتبر القوى الناجمة عن الحركة الأفقية هي القوى الأكبر ضرراً على المبنى وينتج عنها تغيرات غير مرنة Inelastic Deformations في الشكل الهندسي لمكونات الهيكل البنائي، ويمكن الاستفادة من خاصية التغيرات غير المرنة هذه في امتصاص الطاقة الناجمة عن الهزة الزلزالية، لذلك فإن كثافة قوانين تصميم البناء المقاوم للزلازل تتطلب أن يصمم المبنى بمواصفات معينة بحيث يمتلك قدراً كافياً من خاصية امتصاص الطاقة.

تدعى هذه الخاصية بالمرونة Ductility ويمكن تعريفها بأنها قدرة الهيكل البنائي على امتصاص الطاقة الزلزالية من خلال التغيرات غبر المرنة في العناصر الإنشائية دون أن تفقد هذه العناصر قدرتها على تحمل القوى التي تصل إليها لاحقاً.
يعرف التصميم المقاوم للزلازل بأنه التصميم الذي يكفل الحماية الكافية من الإصابات والخسائر في الأرواح وأقل ضرر بالممتلكات واستمرار خدمات المرافق الحيوية مع تحقيق ذلك بتكلفة اقتصادية مقبولة.
تصميم المنشآت المقاومة للزلازل بناء على توفير المعطيات التالية:
-معرفة الطبيعة الجيولوجية والزلزالية للموقع وتحديد مواقع الصدوع النشطة وقيم الشدة الزلزالية.
طبيعة التربة وخواصها الديناميكية.

حيث تتسبب الموجات الزلزالية بتمييع التربة Liquefaction وحصول الانهيارات الأرضية.
-دراسة ونمذجة الخواص الديناميكية والاهتزازية للمنشأ. حيث يحسب زمن وطور الترددات الزلزالية المتوقعة وطبيعة التوهين الموجي.
-طبيعة المنشأ المطلوب إقامته والعمر الإقتصادي له.

يعتمد معامل التصميم الزلزالي للمباني المقاومة للزلازل على عدة عوامل:
1-المعامل الزلزالي للمنطقة Z ويدل على مستوى الشدة الزلزالية المتوقعة في المنطقة، ويتم تحديده من خلال دراسة مستوى الخطر الزلزالي.
2-معامل قابلية التربة لتضخيم الاحمال الزلزالية S.
3-معامل الكفاءة الزلزالية R للمبنى، ويعتمد على نوعية المبنى ومدى مطابقته لمواصفات التصميم المقاوم للزلازل.
4-فترة الذبذبة الطبيعية T وتعتمد على الصلابة الأفقية للمبنى وتعد المباني الخرسانية المسلحة أكثر صلابة من المباني الحديدية.

وتقل قيمة فترة الذبذبة في المباني المنخفضة عنها في المباني الشاهقة ولذلك نجد أن تردد المباني المنخفضة أكبر بكثير من تردد المباني الشاهقة.
5-معامل الأهمية للمبنى I.
6-الشكل الهندسي للمبنى.

حساب أحمال الزلازل
V= Cs . W

حيث:
V مجموع الأحمال الأفقية.
Cs معامل التصميم الزلزالي.
W الوزن الكلي للمبنى.
في تصميم المباني المقاومة للزلازل يفترض أن الاهتزاز الديناميكي المؤقت يتمثل في القوى الأفقية التي تؤثر على المبنى من الأساسات.

F= C.w
F= C (G+Np)

C المعامل الزلزالي الأفقي
G ثقل المبنى فقط
P النسبة المئوية للثقل في البناية.
w الثقل الكلي للبناية.
n ثابت الثقل في البناية.

المعامل الزلزالي الأفقي فهي:

T= 0.1 N
T= 0.09 H / √b

N عدد الطوابق في حالة المباني التي تتجاوز ستة طوابق.
H ارتفاع المبنى.
b بعد المبنى والذي تحتسب القوى بإتجاهه.
إن معايير التصميم المقاوم للزلازل ينبغي أن تتوفر فيها الشروط التالية:
-أن تقاوم الزلازل الطفيفة دون أضرار.
-أن تقاوم الزلازل المتوسطة دون اضرار إنشائية ولكن مع إحتمال تعرضها لبعض الأضرار غير الإنشائية.
-أن تقاوم الزلازل الكبيرة التي تعادل في شدتها أقوى ما تعرضت له المنطقة من هزات أرضية دون انهيار مع حدوث أضرار إنشائية محددة قابلة للإصلاح.
وهناك مبادئ عديدة لتصميم الأبنية منها:
–  أن يكون مخطط المنشأ بسيطاً لأن التصميم المعقد قد يسبب إجهادات وتشوهات غير منتظمة.
– يجب أن ترتب الأجهزة الإنشائية المقاومة للزلازل بحيث يكون الالتواء Torsion أقل ما يمكن مع تجنب الأشكال المعقدة والتوزيع الغير منتظم للأثقال.
– إختيار نظام إنشائي بسيط يمكن تحليله بسهولة.
-إعطاء متانة ومطيلية Ductility كافية للمنشأ.
-معرفة الخواص الزلزالية للموقع بحيث تكون بعيدة عن الفوالق ومناطق تميع التربة.

متطلبات تصميم عناصر المبنى المقاوم للزلازل

الأساسات:
تعتبر الأساسات هي العنصر الأهم في أية منشأة، وهذا يتطلب إعطاؤها أهمية خاصة وتصميمها لمقاومة الزلازل.

إن العديد من الإنهيارات ناتجة عن مشاكل في الأساسات، فقلة عمق التأسيس تزيد من احتمال انقلاب المنشأة أو انزلاقها، كما أن قلة الروابط بين القواعد تزيد من خطر الهبوط الناتج عن هبوط التربة أو تميعها.

وعلى ضوء ذلك لا بد من التقيد بما يلي:
يجب أن تعمل القواعد كوحدة واحدة وذلك بتزويدها بميدات رابطة.
توضع الميدات في منسوب القواعد المسلحة ويمتد حديد تسليحها إلى نهاية الأعمدة.
في حالة وجود تميع التربة فإنه يوصى بدمك التربة مع خفض منسوب المياه الجوفية وزيادة عمق التأسيس أو استخدام أساسات خازوقية.

العناصر الإنشائية
يجب أن يكون المسقط الأفقي للمبنى متماثلاً قدر الإمكان.
يجب أن يكون المبنى مزوداً بعناصر إنشائية مقاومة للقوى العرضية مثل الإطارات أو حوائط القص أو القلوب الخرسانية المستمرة من الأساسات وذلك في اتجاهين متعامدين.
عزل الأساسات باستخدام مادة كالمخدرات المطاطية لها القدرة على امتصاص الطاقة الناتجة عن الحركة الأفقية أو استخدام نوع من الأجهزة الميكانيكية لها خاصية تخميد الهزات.

العناصر غير الإنشائية
وهي حوائط الطوب غير الحاملة والقواطع الداخلية.

يجب أن تكون مربوطة بالأسقف والأرضيات وأن تكون عناصر الحوائط المقاومة للزلزال مسلحة.