زلزله و مقاومت ساختمان‌ها

تمام ساختمان‌ها چه ضد زلزله باشند چه نباشند، هنگام لرزش زمین تحت تاثیر عواملی قرار می‌گیرند. اگر ساختمان ضد زلزله باشد به شیوه محاسبه شده‌ای در برابر این عوامل مقاومت می‌کند و اگر نباشد فرو می‌ریزد.

عواملی که بر ساختمان‌ها اثر می‌گذارند، عبارتند از:

• نیروهای لَختی
• دوره‌های طبیعی
• سرعت و جابجایی

بر اساس گزارش برنامه ملی کاهش مخاطرات زلزله در آمریکا و در سال 2009، مهم‌ترین دلیل مرگ شهروندان در زلزله بم، خانه‌های قدیمی خشت و گِلی غیر ایمن می‌باشد. شما می‌توانید با مقاوم‌سازی ساختمان‌ها با توجه به عوامل تاثیرگذار بر آنها آشنا شوید.

نیروهای لختی

امواج سطحی و امواج درونی لرزه‌ای، داخل ساختمان نیروهایی با عنوان نیروهای لَختی یا نیروهای اینرسی ایجاد می‌کنند. احتمالاً با شنیدن اصطلاح نیروهای لختی در ذهن‌تان به دوران دبیرستان و کلاس فیزیک بازگشته‌اید و قوانین نیوتن را به یاد آورده‌اید. در حقیقت، نیروی لختی نیرویی است که در مقابل تغییر سرعت جسم مقاومت می‌کند.

این مفهوم پایه و اساس قوانین حرکت نیوتن را می‌سازد که از آن جمله می‌توان به قانون لختی (قانون اول نیوتن) و قانون عمل و عکس‌العمل (قانون سوم نیوتن) اشاره کرد. بنابراین، وقتی ساختمانی می‌لرزد نیروی لختی یا اینرسی درون ساختمان در برابر این حرکت مقاومت می‌کند. بر پایه قانون دوم نیوتن در فرمول نیروی لختی (F=MA) نیرو برابر است با جرم در شتاب. هر چند در این فرمول، شتاب در تعیین نیروهای وارده بر ساختمان نقش کلیدی ایفا می‌کند اما در مورد ساختمان‌ها شتاب ناشی از گرانش با مدت لرزش ترکیب می‌شود تا تاثیری که نیروهای زمین لرزه در زمان بر جای می‌گذارد بدست آید. به این ترتیب می‌توان گفت که علاوه بر شتاب، مدت زمان لرزش نیز در تعیین خسارات وارده به ساختمان‌ها اهمیت بالایی دارد.

سرعت و جابجایی

سرعت نیز که میزان حرکت امواج لرزه‌ای در زمین را نشان می‌دهد، عامل مهم دیگری در تاثیر زلزله بر ساختمان است. امواج درونی لرزه‌ای دو نوع هستند: امواج اولیه و امواج ثانویه. امواج اولیه با سرعت بین 3 تا 8 کیلومتر بر ثانیه و امواج ثانویه با سرعت بین 2 تا 5 کیلومتر بر ثانیه درون زمین حرکت می‌کنند. جابجایی هم عنصر دیگری است که درباره تغییر فاصله نقاط مختلف زمین نسبت به محل شروع حرکت امواج لرزه‌ای توضیح می‌دهد.

بنابراین، پس از شتاب، زمان و سرعت، جابجایی هم در تاثیری که زلزله در ساختمان بر جای می‌گذارد اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند. برای مثال در زمین لرزه نورتریج کالیفرنیا (Northridge) در 17 ژانویه 1994 با بزرگی 6.7، در یک پارکینگ طبقاتی واقع در فاصله 29 کیلومتری از مرکز زلزله، جابجایی سقف معادل با 4 سانتیمتر در شتاب 0.47 برابر نیروی گرانش ثبت شد. اما در همان زلزله، در بیمارستان اولیو ویوو در فاصله حدود 12 کیلومتری از مرکز زلزله، جابجایی سقف 34 سانتیمتر در شتاب 1.5 برابر گرانش مشاهده شد.

سرعت حرکت زمین به سبب امواج لرزه‌ای بسیار کم و حدود 2 سانتیمتر بر ثانیه در زلزله‌های کوچک و تا حدود 60 سانتیمتر بر ثانیه در زلزله‌های بزرگ است. بنابراین، حرکت یک ساختمان معمولی، آهسته است اما هزاران تن فلز و بتنی که به مدت چند ثانیه در تمام جهات شروع به چرخیدن می‌کنند می‌توانند جابجایی‌های وسیعی ایجاد کنند.

نکته: در طراحی ساختمان‌های ضد زلزله، اولین نکته‌ای که به آن توجه می‌شود شتاب رفت و برگشت و دوره طبیعی نوسان در زمان وقوع زلزله است. به دلیل جلوگیری از حرکت ساختمان در اثر این شتاب در دوره طبیعی، درز انقطاع گذاشته می‌شود. درز انقطاع که بخصوص برای ساختمان‌های بالاتر از 4 طبقه در نظر گرفته می‌شود، فاصله‌ای است که بین دو ساختمان برای جداسازی آنها گذاشته می‌شود. عرض این فاصله بر اساس ارتفاع ساختمان نسبت به پی محاسبه می‌شود.

دوره‌های طبیعی

ویژگی دیگری که در تاثیر امواج زمین لرزه روی ساختمان نقش مهمی ایفا می‌کند دوره است. این ویژگی بخصوص برای تعیین نیروهای لرزه‌ای ساختمان اهمیت بسیاری پیدا می‌کند. تمام اجسام یک دوره طبیعی دارند. وقتی حرکت زلزله شروع می‌کند به نوسان دادن یک ساختمان، این سازه تمایل دارد در دوره طبیعی خودش به جلو و عقب تاب بخورد. دوره برابر با مقدار زمانی است که یک موج لرزه‌ای نیاز دارد یک دور چرخش خودش را کامل کند. دوره طبیعی برای یک ساختمان یک طبقه برابر با حدود 0.1 ثانیه است و یک ساختمان چهار طبقه با دوره حدود 0.5 ثانیه و ساختمان‌های بین 10 تا 20 طبقه با دوره 1 تا 2 ثانیه تاب می‌خورند. این در حالی است که یک پل معلق بزرگ دوره‌ای حدود 6 ثانیه دارد.

برای محاسبه میزان دوره طبیعی یک سازه از این قانون کلی استفاده می‌شود: دوره ساختمان برابر با تعداد طبقات تقسیم بر 10 است. بنابراین، دوره عمدتاً تابعی از ارتفاع ساختمان است. برای مثال، ساختمان 60 طبقه سیتی کورپ در نیویورک دوره‌ای برابر با 7 ثانیه دارد. فاکتورهای دیگری چون سیستم ساختاری، مواد، محتوا و شکل هندسی ساختمان همگی بر دوره اثر می‌گذارند اما ارتفاع مهم‌ترین تاثیر را دارد. دوره ساختمان می‌تواند آسیب‌های ناشی از زمین لرزه را تغییر دهد. وقتی یک سازه بتن آرمه (بتن مسلح) زمین لرزه شدیدی را تجربه می‌کند شروع به ترک خوردن می‌کند. این ترک‌ها باعث بالا رفتن دوره نوسان سازه و در نتیجه نرم شدن و ضعیف شدن ساختمان می‌شود. این در حالی است که یک سازه فلزی ممکن است با تکرار چرخه‌های حرکت سفت‌تر بشود. جنس خاک هم روی دوره طبیعی تاثیر می‌گذارد.

چه جنس خاکی، چه ارتفاعی از ساختمان را می‌طلبد؟

زمانی که زلزله می‌آید علاوه بر ساختمان، خاک نیز در دوره طبیعی خودش نوسان می‌کند و این دوره نیز بر میزان دوره طبیعی ساختمان تاثیر می‌گذارد. دوره طبیعی زمین بسته به جنس خاک بین 0.4 تا 2 ثانیه است. بطوریکه، دوره خاک‌های خیلی نرم به 2 ثانیه می‌رسد. ویرانی وحشتناک ناشی از زلزله 1985 مکزیکوسیتی عمدتاً نتیجه انطباق دوره‌های حرکت زمین و ساختمان‌ها بود. مکزیکوسیتی در فاصله بیش از 400 کیلومتر از کانون زلزله قرار داشت، اما زلزله سبب شد خاک نرم حاشیه‌های بستر دریاچه قدیمی زیر ساختمان‌های مرکز شهر بیش از 90 ثانیه در اثر انطباق دوره طبیعی خاک و دوره طبیعی ساختمان‌ها نوسان کنند. در اثر این نوسان بسیار طولانی، ساختمان‌های بین 6 تا 20 طبقه بیشترین آسیب را دیدند و ساختمان‌های بلند مرتبه با خسارت کمتری مواجه شدند.

علت این مسئله می‌تواند این باشد که دوره طبیعی این برج‌ها با دوره طبیعی خاک بر هم افتادگی یا انطباق کمتری پیدا کرده است. بنابراین، درسی که می‌توان بخصوص از این زلزله برای ساختمان‌های کلان شهر تهران گرفت این است که در زمین‌های با خاک نرم که دوره طولانی‌تری دارند باید ساختمان‌های زیر 5 طبقه ضد زلزله بنا شوند. هر چند گفته شد که در مورد زلزله مکزیکوسیتی ساختمان‌های بیش از 20 طبقه هم در خاک نرم آسیب کمی دیدند اما از آنجا که این قبیل ساختمان‌ها تحت تاثیر چندین حالت مختلف لرزش قرار می‌گیرند ممکن است در زمان وقوع زلزله همچون مار پیچ بخورند و عقب و جلو بروند و در نهایت فرو ریزند. با این توضیح می‌توان گفت که ساخت و سازهای مناطقی از تهران که خاک نرم دارند نباید بیشتر از 5 طبقه باشند.

جدای از این موارد، بسیاری از ساختمان‌های بلند مرتبه‌ای که در تهران قرار دارند روی شیب 30 تا 70 درجه بنا شده‌اند. این شیب‌ها حتی بدون زمین لرزه هم برای ساختمان‌های بلند، خطرآفرین هستند و می‌توانند فجایعی در اثر لغزش به بار آورند.

منابع

1. هدا عربشاهی. مجله دانشمند.