چگونه نامنظمی سازه ای، سازه ها را حین زلزله تحت تاثیر قرار می دهد؟
اهمیت نامنظمی سازه ای
رفتار یک ساختمان در زلزله به نامنظمی سازه ای چون شکل کلی، اندازه و هندسه آن بستگی دارد، علاوه بر این به چگونگی انتقال نیروهای زلزله به زمین نیز وابسته است. از این رو، در مرحله برنامه ریزی، معماران و مهندسان سازه باید هماهنگ کار کنند تا اطمینان حاصل شود که از ویژگی های معماری نامطلوب اجتناب و پیکربندی سازه به طور مناسبی انتخاب شود. اهمیت پیکربندی یک ساختمان به درستی توسط Late Henry Degenkolb، از مهندسین نامدار زلزله ایالات متحده آمریکا، به طور خلاصه چنین تشریح شده است:
“اگر ما یک پیکربندی بد برای شروع داشته باشیم، همه آنچه یک مهندس می تواند انجام دهد، این است که یک چسب زخم ارائه دهد – بهتر کردن یک راه حل بد تاجای ممکن تنها راه حل است. برعکس، اگر ما با پیکربندی خوب و سیستم قاب بندی معقولی شروع کنیم، حتی یک مهندس ضعیف نمی تواند بیش از حد به عملکرد نهایی آن آسیب وارد کند.”
نامنظمی سازه ای
تمایل به ایجاد یک سازه زیبا و کارآمد، معماران را وادار می کند تا سازه های شگفت انگیز و تخیلی را درک کنند. گاهی اوقات شکل ساختمان چشم بازدید کننده را به خود جلب می کند، گاهی اوقات سیستم سازه ای، و در موارد دیگر، تلفیق شکل و سیستم سازه ای بیننده را شگفت زده میکند. با این حال، هر یک از انتخاب های شکل و سازه در عملکرد ساختمان در زلزله های قوی تاثیر گذار است. با مشاهده طیف وسیعی از آسیب های ساختمانی در طول زلزله های گذشته در سراسر جهان، ساختارهای مطلوب سازه ای در برابر ساختارهای مخرب، شناسایی شده اند.
اندازه ساختمانها : در ساختمان های بلند با نسبت بزرگ ارتفاع به پایه (شکل 1a)، حرکات افقی طبقات در زلزله بزرگ است. در ساختمانهای کوتاه ولی طولانی اثرات مخرب سازه در هنگام زلزله زیاد است. (شکل 1b) و در ساختمان هایی با مساحت گسترده مانند انبارها (شکل 1c) نیروهای لرزه ای افقی ممکن است بیش از حد تحمل ستونها و دیوارها باشد.
شکل 1 ساختمانهایی که یکی از ابعادشان نسبت به دو بعد دیگر تغییر قابل ملاحظه ای داشته باشند عملکرد لرزه ای مناسبی ندارند
طرح افقی ساختمانها
به طور کلی، ساختمان های با هندسه ساده (شکل 2a) در زلزله های قوی عملکرد مناسبی دارند. ساختمان هایی که دارای مدخل در گوشه ها هستند، مانند ساختمانهای U، V، H و + شکل (شکل 2b)، آسیب قابل توجهی را در زلزله متحمل می شوند. با چند پاره کردن چنین ساختمانهایی بوسیله درزهای انقطاع از چنین آثار مخربی اجتناب می شود. به عنوان مثال، یک طرح L شکل می تواند به دو شکل طرح مستطیلی با استفاده از یک درز انقطاع شکسته شود. (شکل 2c). اغلب پلانها ساده اند، اما ستونها / دیوارها در پلان به طور منظم توزیع نمی شوند. ساختمان هایی با چنین ویژگی هایی تمایل به پیچش در زلزله دارند. در مقالات آتی به این مسئله بیشتر پرداخته خواهد شد.
شکل 2 سازه هایی که پلان ساده ای دارند عملکرد لرزه ای مناسبی دارند
طرح عمودی ساختمانها
نیروهای زلزله در سطوح مختلف طبقه در یک ساختمان توسعه یافته و می بایست در طول ارتفاع به پایین توسط بهینه ترین مسیر منتقل شوند. ساختمان های دارای شکست عمودی (مانند ساختمان های هتل با چند طبقه گسترده تر از بقیه) باعث بروز ناگهانی نیروهای زلزله در سطح ناپیوستگی خود می شوند. شکل 3a). ساختمان هایی که ستون ها یا دیوارهای کمتری در یک طبقه خاص یا به طور غیرمعمول بلند دارند (شکل 3b)، تمایل به آسیب رساندن یا فروپاشی بیشتری در آن طبقه دارند. ساختمان های روی سطوح شیب دار با ستون های نابرابر در امتداد شیب موجب ایجاد آسیب هایی مانند پیچش و صدمه در ستون های کوتاه می شود (شکل 3c). در ساختمان هایی که ستون بر روی تیرها در طبقات میانی دستک شده و بار به درستی به پی منتقل نمی شود، دچار ناپیوستگی در انتقال بار است. (شکل 3d). برخی از ساختمان ها دارای دیواره های بتن مسلح برای حمل بارهای زلزله به پی هستند. ساختمان هایی که دیوارها تا پی امتداد نمی یابند و در طول مسیر قطع میشوند، هنگام زمین لرزه به شدت آسیب می بینند.
شکل 3 انحراف ناگهانی مسیر انتقال بار به زمین موجب عملکرد ضعیف لرزه ای ساختمان خواهد شد
مجاورت ساختمان ها : هنگامی که دو ساختمان بیش از حد به هم نزدیک اند، ممکن است در طول زلزله قوی، یکدیگر را درهم شکنند. با افزایش ارتفاع ساختمان، این برخورد می تواند مشکلی بزرگ باشد. هنگامی که ارتفاع ساختمان ها تطابق نداشته باشند(شکل 4)، سقف ساختمان کوتاه تر ممکن است به وسط ارتفاع ستون بلندتر بخورد. این موضوع می تواند بسیار خطرناک باشد. مشاهده عملکرد درز انقطاع در زلزله مکزیک از طریق این لینک امکان پذیر است.
شکل 4 نحوه برخورد دو ساختمان مجاور در اثر ارتعاش حاصل از زلزله
البته این قابل فهم است که ساختمانها از حیث فرم جذاب و نه یکنواخت ساخته شوند. با این وجود می توان رفتار لرزه ای مناسبی را برای ساختمانها بوجود آورد. باید از نامنظمی سازه ای جلوگیری شود. و گرنه می بایست حداقل شوند. هنگامی که نامنظمی سازه ای در ساختمان ها گنجانده شود، تلاش مهندسی قابل توجهی برای طرح سازه مورد نیاز است. با وجود همه این تلاشها سیستم سازه ای آن به خوبی یک طرح ساده معماری نخواهد بود. تصمیماتی که در مراحل ابتدایی طراحی پلان گرفته می شود بسیار مهمتر از ملاحظه دقیق آئین نامه های طراحی است.