ساختمان های آسیب پذیر و تاثیر زلزله بر آن ها
زلزله یکی از حوادث طبیعی ست که در کشور ما هر ساله خسارات جانی و مالی فراوانی به جا می گذارد. زمین لرزه در حقیقت جابجایی صفحات زمین در راستای یکدیگر است. این لغزش باعث می شود تا نیرویی به صورت موج به سطح زمین و دنبال آن ساختمان و تاسیسات وارد شود. جابجایی فونداسیون ساختمان و مقاومت طبقات بالایی در برابر جابجایی عاملی است که باعث خمیدگی ساختمان و تخریب و فرو ریزش آن می شود. بیشترین آسیب زمین لرزه مربوط به ساختمان های فرسوده و یا آن هایی ست که مطابق با ضوابط ساخته نشده اند. برخی از ساختمان ها از نظر شکل ظاهری و نما در معرض آسیب بیشتری در هنگام زلزله قرار دارند و لازم است تا در هنگام طراحی و ساخت کلیه ضوابط و استانداردها به دقت مورد توجه قرار بگیرد.
مقدمه ای بر زلزله
در کشور ما زلزله جز پدیده هاییست که در بسیاری از مناطق ایران، مردم تجربه آن را داشته اند و زمانی که از آن صحبت می شود دقیقا متوجه می شوند که از چه چیزی صحبت به میان است.
پوسته ی زمین از صفحاتی تشکیل شده است که می توانند نسبت به هم حرکت داشته باشند. این حرکت ها به سه دسته تقسیم بندی می شوند. حرکت همگرا، واگرا و انتقالی. در حالت همگرا دو پوسته به هم نزدیک شده و فشار وارد می کنند. در این حالت کوه ها ایجادمی شوند. در حالت واگرا دو پوسته از هم دور می شوند که دره را ایجاد می کند. اما در حرکت انتقالی دو پوسته نسبت بهم میلغزند. در اثر این حرکت زمین لرزه اتفاق می افتد.
در واقع زلزله آزاد سازی سریع انرژی در اثر لغزش در امتداد یک گسل در پوسته ی زمین است. محل آزاد شدن این انرژی را کانون زلزله می گویند. انرژی زلزله در محل کانون آزاد می شود و سپس به صورت امواجی در همه جهت ها پراکنده می شود. هر چند با فاصله گرفتن از کانون قدرت امواج زلزله کاهش می یابد اما در مواردی شدت زلزله تا حدی بالاست که موجب آسیب های جدی می شود.
بر اساس اعلام سازمان زمین شناسی آمریکا سالانه بیش از یک میلیون زمین لرزه در جهان اتفاق می افتد اما اکثر آن ها آسیب های جدی ایجاد نمی کند.
برخی از کشورها مانند ژاپن و یا حتی کشور ما در یکی از زلزله خیزترین مناطق دنیا قرار گرفته اند. در حالی که سایر کشورها به کمک تکنولوژی های روز به جنگ این پدیده ی مخرب رفته اند اما متأسفانه کشور ما از زیر ساخت های کافی برای مقاله با زمین لرزه برخوردار نیست.
آنچه در این مقاله مطالعه خواهید کرد:
- تاثیر زلزله بر ساختمان ها
- زلزله و ساختمان های بتنی
- مقابله با زمین لرزه در ساختمان سازی
- ساختمان های آسیب پذیر در برابر زمین لرزه
تاثیر زلزله بر ساختمان ها
تصور کنید که روی داخل اتوبوس ایستاده اید و اتوبوس ناگهان شروع به حرکت میکند. به احتمال بسیار زیاد در آستانه زمین خوردن قرار می گیرید. یعنی در حالی که پاهای شما به کف اتوبوس چسیبده است و با اتوبوس حرکت می کند بالا تنه ی شما تمایل دارد تا درموقعیت قبلی خود باقی بماند. این همان قانون اول نیوتن است. هر جسمی دوست دارد موقعیت خود را حفظ کند. اگر ثابت است ثابت باقی بماند و اگر در حال حرکت است به حرکت خود ادامه دهد. در زمین لرزه هم دقیقا همین اتفاق می افتد. زمانی که پوسته ی زمین حرکت می کند. فونداسیون و ستون های پایین ساختمان همزمان با پوسته حرکت می کنند در حالی که سقف ها و ستون های بالایی تمایل دارند موقعیت قبلی خود را حفظ کنند و در جای خود باقی بمانند. این باعث کج شدن ستون ها و سازه های بنا می شود. حال هر چه سازه ی بنا سنگین تر باشد نیروی اینرسی ایجاد شده در آن نیز بیشتر است و مقاومت کمتری در برابر زلزله دارد.
زلزله با اعمال نیروی افقی و عمودی به ساختمان، باعث ایجاد ارتعاشاتی در سازه می‌شود که اگر ساختمان به درستی طراحی نشده باشد، می‌تواند منجر به آسیب‌های زیر شود:
ترک‌خوردگی و شکست در سازه: فشارهای ناشی از زلزله باعث ترک‌های سطحی و عمیق در بتن و مصالح ساختمانی می‌شود.
فروپاشی کلی یا جزئی: ساختمان‌هایی که فاقد استحکام لازم هستند، ممکن است کاملاً فرو بریزند یا بخش‌هایی از آن‌ها تخریب شود.
واژگونی و سقوط دیوارها و ستون‌ها: اتصالات ضعیف بین دیوارها و ستون‌ها باعث جدا شدن آن‌ها از همدیگر و در نهایت فروپاشی می‌شود.
تغییر شکل شدید و جابجایی طبقات: در ساختمان‌هایی که فاقد مهاربندی مناسب هستند، طبقات روی یکدیگر جابجا شده و باعث خسارات مالی و جانی می‌شوند
نیروی اینرسی ساختمان در زمان زلزله از طریق دیوارها، ستون ها و فونداسیون به خاک منتقل می شود. بنابراین هر کدام از این قسمت ها و اتصالات باید به گونه ای طراحی شوند که امکان انتقال صحیح نیرو را داشته باشند.
نقش اساسی میلگرد در ساختمان
میلگرد یکی از مهم‌ترین عناصر در ساختمان‌سازی مدرن است که به افزایش مقاومت سازه در برابر زلزله کمک میکند. نقش‌های اساسی میلگرد در ساختمان به شرح زیر است:
افزایش مقاومت کششی بتن: بتن به تنهایی مقاومت فشاری بالایی دارد اما در برابر نیروهای کششی ضعیف است. میلگرد با افزایش مقاومت کششی بتن، احتمال ترک‌خوردگی و شکست را کاهش می‌دهد.
بهبود انعطاف‌پذیری سازه: استفاده از میلگرد در ترکیب با بتن باعث افزایش انعطاف‌پذیری ساختمان شده و مانع از شکست ناگهانی آن در برابر زلزله می‌شود.
تقویت اتصالات سازه‌ای: میلگردها در ستون‌ها، تیرها و دیوارهای برشی موجب استحکام بیشتر اتصالات شده و از گسستگی سازه جلوگیری می‌کنند.
توزیع یکنواخت تنش‌های وارده: میلگرد نیروهای وارده از زلزله را به صورت یکنواخت در سازه توزیع کرده و مانع تمرکز تنش در نقاط خاص می‌شود.
کاهش احتمال فروریزش ساختمان: ساختمان‌هایی که دارای سیستم آرماتوربندی مناسب هستند، در برابر زلزله مقاومت بیشتری داشته و احتمال فروپاشی آن‌ها کاهش می‌یابد.
ایجاد قاب‌های مستحکم برای تحمل بارهای جانبی: میلگردها در سازه‌های بتنی به همراه دیگر المان‌های مهندسی مانند دیوارهای برشی و بادبندها، موجب تقویت ساختمان در برابر نیروهای جانبی ناشی از زلزله می‌شوند
زلزله و ساختمان های بتنی
در کشور ما بیشتر ساختمان ها با اسکلت بتنی ساخته شده اند. بتن مسلح نوعی بتن است که برای افزایش استحکام آن در برابر نیروهای کششی و خمشی درون آن از میله های فولادی به نام میلگرد استفاده شده است.
نیروی اینرسی که توسط زلزله در ساختمان ایجاد می شود متناسب با جرم ساختمان است و چون در طبقات پایین جرم ساختمان بیشتر است بنابراین در این قسمت ها نیز اینرسی بیشتر است و لازم است تا نسبت به طبقات بالایی با استحکام بیشتری ساخته شوند.
در زمان زلزله تیرهای ساختمان در ابتدا و انتها دچار کشش می شوند. بتن تحمل کشش را ندارد و اینجاست که میلگرد نقش خود را ایفا می کند و باعث افزایش استحکام ستون می شود.
مقابله با زمین لرزه در ساختمان سازی
امروزه روش های بسیاری زیادی برای مقابله با زمین لرزه به کار گرفته می شود. در یک مثال ساده یک زنجیر را تصور کنید که حلقه ی میانی آن قابلیت ارتجاعی دارد. در این حالت اگر به دو طرف زنجیر نیرو اعمال شود حلقه میانی کشیده شده و پس از برداشته شدن نیرو به حالت اولیه باز می گردد. در این وضعیت امکان پاره شدن زنجیر کمتر است. حال این مساله را می توان در طراحی ساختمان نیز لحاظ کرد و ساختمان به گونه ای ساخته شود که در اثر اعمال نیروی زلزله به یکباره تخریب نشود بلکه فقط جابجایی الاستیک داشته باشد و بعد از تمام شدن لرزش ها مجددا به حالت اولیه خود باز گردد. این ایده در طراحی برخی از ساختمان های مقاوم در برابر زلزله به کار برده شده است و از ستون هایی که امکان تغییر شکل دارند در آن ها استفاده شده است.
ساختمان های آسیب پذیر در برابر زمین لرزه
یکی از فاکتورهایی که در زمان وقوع زلزله بر عملکرد ساختمان تاثیر دارد شکل ساختمان است. هر چه ساختمان مرتفع تر باشد جابجایی طبقات آن در هنگام زمین لرزه بیشتر است. در ساختمان های مسطح نیز نیروی زلزله می تواند باعث جابجایی و تخریب ستون ها و دیوارها شود.
ساختمان هایی که پلان ساده دارند در برابر زلزله از استحکام بیشتری برخوردارند. پلان هایی که به شکل H یا U و ... هستند از عملکرد ضعیف تری در برابر زلزله برخوردارند.
همچنین ساختمان هایی که در ارتفاع دارای انفصال هستند به دلیل انتقال ناگهانی نیروی زلزله بیشتر تحت تاثیر اثرات مخرب زمین لرزه قرار می گیرند.
از دیگر ساختمان هایی که مقاومت کمتری در برابر زلزله دارند ساختمان هایی هستند که دارای طبقه با ارتفاع نامتعارف می باشند و یا در طبقه ای خاص تعداد دیوارها و ستون ها کمتر است.
در نمونه بعدی از ساختمان های آسیب پذیر می توان به بناهایی که بر روی شیب ساخته شده اند اشاره کرد.
ساختمان با ستون معلق نیز در معرض تخریب بر اثر لرزش های ناشی از زلزله است.
در زمان زلزله به واکنش ساختمان ها در کنار یکدیگر نیز باید توجه کرد. گاهی جابجایی یک بنا می تواند به ساختمان دیگر آسیب وارد کند.
عدم استفاده از مصالح مقاوم: استفاده از مصالح نامرغوب یا عدم رعایت استانداردهای ساخت می‌تواند منجر به ضعف کلی ساختمان شود.
ساختمان‌های قدیمی و فاقد استانداردهای ضدزلزله: بسیاری از ساختمان‌های قدیمی بر اساس اصول مهندسی زلزله ساخته نشده‌اند و در برابر لرزش‌های شدید مقاومتی ندارند.
طراحی و اجرای نادرست سازه: عدم رعایت اصول مهندسی و طراحی نامناسب سازه موجب توزیع نادرست نیروهای زلزله در ساختمان می‌شود.
اتصالات ضعیف بین اعضای سازه‌ای: عدم اتصال مناسب بین ستون‌ها، تیرها و دیوارهای باربر، پایداری ساختمان را کاهش می‌دهد.
وجود طبقات نرم: ساختمان‌هایی که دارای طبقات ضعیف و با انعطاف‌پذیری زیاد هستند، در هنگام زلزله دچار تغییر شکل شدید شده و فرو می‌ریزند.
ساختمان‌های ساخته‌شده روی خاک نامناسب: خاک‌های نرم و مستعد روانگرایی باعث ناپایداری ساختمان در هنگام زلزله می‌شوند
نتیجه‌گیری
با توجه به خطرات ناشی از زلزله و آسیب‌پذیری ساختمان‌ها، رعایت اصول مهندسی زلزله و استفاده از مصالح مقاوم از اهمیت بالایی برخوردار است. میلگرد یکی از عناصر کلیدی در ساخت و ساز است که مقاومت، استحکام و انعطاف‌پذیری ساختمان را افزایش داده و از خسارات ناشی از زلزله جلوگیری میکند. استفاده صحیح از میلگرد در ترکیب با بتن، موجب ایمنی بیشتر ساکنان ساختمان و کاهش خطرات ناشی از زمین‌لرزه خواهد شد
