مبادئ التصميم الزلزالي - العوامل التي يجب أخذها في الاعتبار

تعتبر معرفة مبادئ التصميم الزلزالي مهمة جدًا للمهندس الإنشائي. هناك أشياء أساسية للغاية يجب أن يأخذها المصمم في الاعتبار أثناء عملية التصميم.

يعد تصميم وتفاصيل الهياكل للأحداث الزلزالية أمرًا شائعًا في البناء في الوقت الحاضر. في بعض البلدان حيث لا تكون قريبة من حدود الصفيحة ولا يوجد بها زلزال، يتم اعتماد تقنيات تفاصيل التخفيف الزلزالي.

ومع ذلك، عند تصميم الهياكل الهامة مثل السدود والمباني الشاهقة وما إلى ذلك، يلاحظ أن قدرًا معينًا من ذروة التسارع الأرضي (PGA) يؤخذ في الاعتبار.

في هذه المقالة، نركز على العوامل التي يجب مراعاتها في التصميم الزلزالي من المرحلة الأولية إلى الانتهاء من تصميم الهيكل.

اقرأ: التصميم الزلزالي - أشياء يجب معرفتها

هل المباني القصيرة أكثر عرضة للزلازل؟

العوامل التي يجب مراعاتها في التصميم الزلزالي

تحويل التصميم غير منتظم إلى منتظم للحصول على أداء زلزالي أفضل

يُنصح بتحويل الهيكل غير المنتظم إلى هيكل منتظم كلما أمكن ذلك.

قد يؤدي هذا التحويل إلى تصرف الهياكل بطريقة بسيطة. علاوة على ذلك، ستتجنب أن تصبح الأوضاع الالتوائية torsional modes هي الأوضاع الأولية.

علاوة على ذلك، يمكن إجراء هذه الأنواع من الفصل وفقًا للإرشادات الواردة في كود الممارسات ذات الصلة. على وجه الخصوص، يجب الحفاظ على الفجوة بين الهياكل ضمن الحد المقبول عند فصلها لتجنب تصادم الأجزاء.

الحفاظ على فجوة كافية بين الهياكل

تسبب حركة الأرض حركة المبنى في اتجاه الموجات الزلزالية. وبالتالي، سيكون هناك انعكاس للمبنى في الأعلى.

يمكن أن يكون الحد الأقصى للانحراف محدودًا أثناء التصميم وفقًا لمتطلبات الخدمة المنصوص عليها في مدونة الممارسات المشار إليها.

حتى إذا كنا داخل الحد المسموح به، إذا كان هناك مبنيان متقاربان، فيجب التحقق مما إذا سوف يكون هناك تصادم بين المبنيين بسبب الزلزال.

يمكننا حساب أقصى انحراف محتمل، ويجب الحفاظ على الفجوة المطلوبة وفقًا لذلك.

تجنب الطوابق الناعمة Soft Story - الدور الأرضي

تقاوم الصلابة الجانبية للهيكل أحمال الزلزال المطبقة على الهيكل.

يتم توفير الصلابة الجانبية من خلال الإطار الخرساني المسلح، وجدران القص، وجدران الملء (المباني)، إلخ.

يؤثر تباين صلابة الهيكل إلى الارتفاع (الصلابة المختلفة في كل دور) على قدرة مقاومة الأحمال الجانبية في المبنى.

ينتج عن ذلك تأثير الطابق الناعم soft story الذي يؤدي إلى فشل الهياكل.

يعد وجود دور ناعم في الطابق الأرضي أمرًا بالغ الأهمية خاصة بالنسبة للمباني الهيكلية المقاومة للعزوم. عندما تكون هناك جدران مباني فوق الطابق الأرضي، فإن هذا الجزء من الهيكل له صلابة جانبية عالية جدًا.

ومع ذلك، في الطابق الأرضي الذي يستخدم كمواقف للسيارات، لا يوجد سوى أعمدة لمقاومة الأحمال الجانبية. لذلك، فإن نظام مقاومة الحمل الجانبي ضعيف للغاية.

إذا كان هناك جدران قص ذات قدرة كافية على مقاومة الأحمال، فلن يتم ملاحظة تكوين تأثير الطوابق الناعمة.

قد يتكون الطابق الناعم في الطوابق فوق الطابق الأرضي أيضًا. ومع ذلك، فإن حدوث الطابق الناعم في الطابق الأرضي في مبنى إطاري يقاوم العزوم أمر بالغ الأهمية حيث سيتم تطبيق أقصى قوة جانبية على الطابق الأرضي.

توفير دعائم جانبية بشكل متماثل

يعد التصميم الهندسي أو المخطط أحد أهم العوامل التي يجب مراعاتها من مبادئ التصميم الزلزالي.

تتسبب التقوية غير المتماثلة في دوران مفرط في الهيكل حيث لا يتطابق أو لا يتقارب مركزي الصلابة والكتلة.

يتسبب هذا الانحراف في فشل هيكلي وقد يؤدي حتى إلى انهيار الهيكل أثناء الزلزال.

كلما زادت الفجوة بين مركزي الصلابة والكتلة، تزيد الحركة الالتوائية للهيكل. ستكون هناك قوى قص إضافية في العناصر الرأسية قد لا تكون قادرة على تحملها. نتيجة لذلك، يمكن أن يحدث فشل هيكلي.

لذلك ، يجب علينا تحديد موقع الدعامات الجانبية أو أنظمة مقاومة الحمل الجانبي بطريقة تطابق أو تقرب مركز الكتلة والصلابة لتجنب / لتقليل الحركة الالتوائية.

تجنب الإطارات الداعمة بجدران مباني

نحتاج إلى إطارات مقواة (كمرات وأعمدة) لتحمل الحمل الجانبي المطبق في الزلزال عندما لا توجد عناصر مثل جدران القص في المبنى.

ومع ذلك، فإن الاعتماد على الجدران المبنية من الطوب أو جدران المباني ليس خيارًا جيدًا لأنه قد يؤدي إلى إتلاف الإطار الهيكلي المقاوم للعزوم. قد يؤدي فشل الإطار إلى انهيار هيكلي.

لذلك، عند التصميم يجب استخدام تفاصيل البناء المناسبة التي تسمح بحركة الإطار والتي لا تؤدي إلى فشل جدران المباني التي تؤثر على الإطار الخرساني.

يمكن عمل فاصل مطاطي بين الإطار الخرساني وحائط المباني.

يمكن أن يتم حشو الفاصل بين الطوب والخرسانة بطريقة مختلفة حسب ما يتطلبه التصميم. قد نقوم بملء الفراغ بمادة لها تصنيف حريق مناسب.

لا يمكن قبول استخدام البوليسترين بدلاً من الصوف الصخري لأننا قد لا نكون قادرين على تلبية مقاومة الحريق المطلوبة. ومع ذلك، في المواقع التي لا توجد بها مثل هذه المتطلبات، قد نستخدم البوليسترين.

تجنب الأعمدة القصيرة

يعمل العمود القصير كعنصر صلب قد لا يفشل في الانحناء. ومع ذلك، هناك احتمال كبير لفشل الأعمدة القصيرة في القص.

بحكم التعريف، العمود القصير قصير نسبيًا في الارتفاع عند مقارنته بالمقطع العرضي.

حتى العمود النحيف يمكن أن يصبح عمودًا قصيرًا عندما تكون هناك جدران من الطوب قصيرة على جانبي العمود.

لذلك، من المستحسن تجنب الإطارات المملوءة جزئيًا.

تجنب المفصلة في الأعمدة في الهياكل الفولاذية [أهم شكل لمبادئ التصميم الزلزالي]

الصلب مادة تتعرض في الغالب لفشل الانبعاج المحلي local buckling. يرجع فشلها بشكل أساسي إلى انحناء مكوناتها.

علاوة على ذلك، يتم استخدام الفولاذ في الغالب في سعة الموقع من خلال حدود البلاستيك. ومع ذلك، هناك هامش معقول لمزيد من التشوهات من خلال الخضوع.

بصرف النظر عن ذلك، فإننا نفضل فشل الكمره على فشل العمود. قد يتم احتواء فشل الكمره ولكن إذا فشل العمود، فقد ينهار الهيكل بأكمله.

لذلك نفضل تشكيل الفشل في الكمرات قبل الأعمدة. لذلك، فإن وجود مفصل صلب عند تقاطعات عمود وكمره يمكن أن يقلل من إمكانية تكوين مفصلات في الكمرات.

لذلك، يجب اتباع ممارسات التفصيل الصحيحة عندما يتم تصميم المباني الفولاذية لأحمال الزلزال.

في الوقت الحاضر، عند التصميم، نستخدم مفهوم الأعمدة القوية والكمرات الضعيفة.

إن هذا المفهوم يقلل من حالات فشل الأعمدة ونتيجة لذلك، فإن الهيكل آمن.

تفاصيل تسليح الكمرات والأعمدة

تحدث معظم حالات فشل الكمرات والأعمدة بالقرب من مفصل العمود والكمره حيث يوجد إجهاد مرتفع ناتج عن الأحمال الدورية.

يتم اعتماد طرق خاصة لتفاصيل التسليح للحفاظ على حصر الخرسانة.

يمكن الرجوع إلى تفاصيل التسليح الزلزالية للكمرات والأعمدة للحصول على مزيد من المعلومات حول ترتيبات وضع التسليح التي يتعين اتخاذها بشأن هذه العناصر.

علاوة على ذلك، يمكن أن يكون التصميم المستند إلى الأداء مفيدًا أيضًا في الدراسة.

بصرف النظر عن ذلك، من الأفضل أن يكون لدينا فهم جيد لطرق فشل العمود عند تصميم وتفصيل هذه الأنواع من الهياكل.

تفاصيل تسليح وصلة الكمره والعمود

بالإضافة إلى الفشل بالقرب من مفصل عمود وكمره، فإن الفشل داخل المفصل تسبب في انهيار هيكلي. لم يتم تضمين هذا الفشل في إطار مبادئ التصميم الزلزالي في الأيام الأولى.

في الأيام الأولى، لم يكن المهندسون يدركون الكثير عنها ولم يعروا اهتمامًا أكبر لهذه المنطقة.

ومع ذلك، تم إدراك كيفية تفصيل مفصل العمود والكمره لاحقًا.

يرجع الفشل بشكل رئيسي إلى عدم وجود تسليح للحبس داخل المفصل.

علينا أن نواصل روابط القص للعمود إلى داخل مفصل العمود والكمره.

إنها مهمة صعبة بعض الشيء مع تواجد كثيف لتسليح الكمرات والأعمدة. ومع ذلك، فإنه ليس من المستحيل تمديد كانات الأعمدة داخل الوصلة إذا تم التخطيط لها بشكل صحيح.

حتى مع وجود مثل هذا الازدحام في التسليح، فقد وضعوا روابط القص للعمود كما بالشكل التالي.

ومع ذلك، فإن تفاصيل التسليح من هذا النوع غير مقبولة. سيؤدي ذلك إلى إنشاء مفصل ضعيف قد يحتوي حتى على تعشيشات داخلية (تجاويف). لا يوجد مكان لتدفق الخرسانة.

لذلك، يجب الانتباه إلى التسليح خاصة عندما نتعامل مع هيكل مطيل. قد تؤدي التفاصيل غير الصحيحة إلى فقدان في ليونة الهيكل.

ليونة الهياكل - Ductility of the Structures

يجب الحفاظ على ليونة المبنى سواء كان من الصلب أو الخرسانة. هذا أحد أهم العوامل التي يجب أخذها في الاعتبار من مبادئ التصميم الزلزالي الأخرى.

تميل الهياكل الصلبة إلى الفشل في الزلازل نظرًا لتقليل تبديد الطاقة من الأحداث الزلزالية. ومع ذلك، عندما يكون الهيكل مطيلًا، فإنه يمتص الطاقة ويمكنه تحمل القوى المطبقة من الزلزال.

يمكن للهيكل المرن أو المطيل أن يمتص الطاقة ويخضع للتشوه مع تطبيق الأحمال. سيكون نوع الحمل المطبق على الهيكل دوريًا ويمتص هذه الطاقة عن طريق التشوه، هذا تعريف الليونة أيضًا.

علاوة على ذلك، يسمح سلوك اللدونة / الليونة للهيكل بالتعرض للتشوهات اللدنة. يمكن أن يصل الهيكل إلى حالات محددة مثل الإشغال الفوري وسلامة الحياة ومنع الانهيار بناءً على حجم الحمل. اعتمادًا على فئة الإشغال التي خططت ليتصرف الهيكل، يتم التصميم. وهذا ما يسمى بالتصميم المستند إلى الأداء.

يمكن زيادة ليونة الهيكل بالطرق التالية:

• زيادة تسليح الضغط
• زيادة مقاومة الضغط للخرسانة
• زيادة انفعال الخرسانة الأقصى

يمكن أن تنخفض ليونة الهيكل للأسباب التالية:

• زيادة تسليح الشد
• زيادة مقاومة الخضوع للفولاذ
• زيادة الحمل المحوري

تؤثر العوامل المذكورة أعلاه بشكل مباشر على ليونة الهيكل، فهذه هي مبادئ التصميم الزلزالية الأساسية التي يجب دمجها في التصميم الهيكلي.

هدفنا هو هيكل يتشوه لامتصاص الطاقة دون فشل هش أو قصف. يجب الانتباه إلى العوامل المذكورة أعلاه عند الانتهاء من التصميمات.

لاخطية المادة - Material Nonlinearity

عندما نصمم هيكلًا خرسانيًا، فإننا نعتبر أنه يتصرف في النطاق الخطي ولا تؤخذ خصائص المواد في النطاق غير الخطي في الاعتبار.

ومع ذلك، في التصميمات الزلزالية، نحاول استخدام قوة المواد قدر الإمكان وفقًا لمبادئ التصميم الزلزالي.

هناك مستويات إشغال يمكننا الوصول إليها في النطاق غير الخطي تحت التصميم المستند على الأداء.

دعونا نرى ما هي اللاخطية في المواد من خلال أخذ الخرسانة كمثال.

يشير الشكل أعلاه إلى السلوك المادي ويصل إلى مناطق مختلفة مثل نطاق تصلب انفعال خطي، والحالة النهائية، وما إلى ذلك.

يتم تحسين سلوك المادة هذا أثناء التحليل من أجل التسهيل. علاوة على ذلك، يتم تمثيل هذا السلوك للمادة بالمفصلة في التحليل. يمثل القطاع الكامل الذي يشمل الخرسانة والتسليح.

إذا أخذنا الخرسانة فقط، فسيتم قمع سلوكها على النحو التالي. يشار أدناه إلى الاختلاف في الإجهاد والانفعال.

مزيج خصائص الخرسانة والصلب والمقطع هو المفصلة التي تمثل سلوك العنصر المعين.

نحصل على حالة المادة من خلال النظر في سلوك المفصل. يشير المنحنى التالي إلى تشوه القوة للمفصلة التي تمثل العنصر.

بصرف النظر عن ذلك، تجدر الإشارة إلى أننا نصمم هيكلًا يتصرف في النطاق الخطي للأحمال المعتادة مثل الأحمال الميتة والرياح وما إلى ذلك. ثم يتم فحص نفس الهيكل للأحمال الزلزالية. بناءً على مستويات الإشغال التي يتوقع أن يتصرف بها الهيكل، يتم إجراء تعديلات على العناصر.

استخدام زروة التسارع الأرضي الصحيحة (PGA)

التسارع الأرضي هو أهم عامل يجب مراعاته بموجب مبادئ التصميم الزلزالي.

علاوة على ذلك، فإن التنبؤ بـ PGA هو أحد أكثر الأمور صعوبة في هندسة تصميم الزلازل.

بشكل عام، هناك معايير تحدد ذروة تسارع الأرض أو معاملات التسارع التي يمكن استخدامها للتصميم.

في البلدان التي لا توجد في حدود الصفيحة أو عندما لا تكون قريبة من حدود الصفيحة ، يمكن استخدام القيم الدنيا التي يمكن تحديدها في المعيار ذي الصلة.

بالإضافة إلى ذلك، يجب الانتباه إلى فترة العودة التي تؤثر على قيمة ومدى PGA.

أنظمة مقاومة الحمل الجانبي لأحمال الزلازل

يمكن استخدام الأنظمة المعتادة مثل إطارات العزوم وجدران القص وما إلى ذلك لمقاومة الأحمال الجانبية المطبقة على الهيكل.

هناك تقنيات خاصة أخرى تستخدم لتقليل تأثير الزلزال على الهيكل في مبادئ التصميم الزلزالي.

هناك المخمدات التي تمتص كل المبنى المتأرجح ونتيجة لذلك، ستتبدد الطاقة المطبقة على المبنى.

يمكن ملاحظة الأنواع التالية من المخمدات:

• المخمدات اللزجة
• Viscoelastic المخمدات اللزجة المطاطية
• مخمدات الاحتكاك
• مخمدات الاهتزاز (مخمدات الكتلة المضبوطة)
• مخمدات الخضوع
• المخمدات المغناطيسية