خانه / آموزش / علم و دانش / علوم پایه / علوم فیزیک / زلزله و مقاومت ساختمان ها
راهنما و نیازمندی های رایگان خرید و فروش، استخدام و خدمات در ایران

زلزله و مقاومت ساختمان ها

تمام ساختمان ها چه ضد زلزله باشند چه نباشند، هنگام لرزش زمین تحت تاثیر عواملی قرار می گیرند. اگر ساختمان ضد زلزله باشد به شیوه محاسبه شده ای در برابر این عوامل مقاومت می کند و اگر نباشد فرو می ریزد.

عواملی که بر ساختمان ها اثر می گذارند، عبارتند از:

  • نیروهای لَختی
  • دوره های طبیعی
  • سرعت و جابجایی

بر اساس گزارش برنامه ملی کاهش مخاطرات زلزله در آمریکا و در سال ۲۰۰۹، مهم ترین دلیل مرگ شهروندان در زلزله بم، خانه های قدیمی خشت و گِلی غیر ایمن می باشد. شما می توانید با مقاوم سازی ساختمان ها با توجه به عوامل تاثیرگذار بر آنها آشنا شوید.

نیروهای لختی
امواج سطحی و امواج درونی لرزه ای، داخل ساختمان نیروهایی با عنوان نیروهای لَختی یا نیروهای اینرسی ایجاد می کنند. احتمالاً با شنیدن اصطلاح نیروهای لختی در ذهن تان به دوران دبیرستان و کلاس فیزیک بازگشته اید و قوانین نیوتن را به یاد آورده اید. در حقیقت، نیروی لختی نیرویی است که در مقابل تغییر سرعت جسم مقاومت می کند. این مفهوم پایه و اساس قوانین حرکت نیوتن را می سازد که از آن جمله می توان به قانون لختی (قانون اول نیوتن) و قانون عمل و عکس العمل (قانون سوم نیوتن) اشاره کرد. بنابراین، وقتی ساختمانی می لرزد نیروی لختی یا اینرسی درون ساختمان در برابر این حرکت مقاومت می کند. 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 می کند اما در مورد ساختمان ها شتاب ناشی از گرانش با مدت لرزش ترکیب می شود تا تاثیری که نیروهای زمین لرزه در زمان بر جای می گذارد بدست آید. به این ترتیب می توان گفت که علاوه بر شتاب، مدت زمان لرزش نیز در تعیین خسارات وارده به ساختمان ها اهمیت بالایی دارد.

سرعت و جابجایی
سرعت نیز که میزان حرکت امواج لرزه ای در زمین را نشان می دهد، عامل مهم دیگری در تاثیر زلزله بر ساختمان است. امواج درونی لرزه ای دو نوع هستند: امواج اولیه و امواج ثانویه. امواج اولیه با سرعت بین ۳ تا ۸ کیلومتر بر ثانیه و امواج ثانویه با سرعت بین ۲ تا ۵ کیلومتر بر ثانیه درون زمین حرکت می کنند. جابجایی هم عنصر دیگری است که درباره تغییر فاصله نقاط مختلف زمین نسبت به محل شروع حرکت امواج لرزه ای توضیح می دهد. بنابراین، پس از شتاب، زمان و سرعت، جابجایی هم در تاثیری که زلزله در ساختمان بر جای می گذارد اهمیت ویژه ای پیدا می کند. برای مثال در زمین لرزه نورتریج کالیفرنیا (Northridge) در ۱۷ ژانویه ۱۹۹۴ با بزرگی ۶.۷، در یک پارکینگ طبقاتی واقع در فاصله ۲۹ کیلومتری از مرکز زلزله، جابجایی سقف معادل با ۴ سانتیمتر در شتاب ۰.۴۷ برابر نیروی گرانش ثبت شد. اما در همان زلزله، در بیمارستان اولیو ویوو در فاصله حدود ۱۲ کیلومتری از مرکز زلزله، جابجایی سقف ۳۴ سانتیمتر در شتاب ۱.۵ برابر گرانش مشاهده شد.

سرعت حرکت زمین به سبب امواج لرزه ای بسیار کم و حدود ۲ سانتیمتر بر ثانیه در زلزله های کوچک و تا حدود ۶۰ سانتیمتر بر ثانیه در زلزله های 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 می کنند می توانند جابجایی های وسیعی ایجاد کنند.

نکته: در طراحی ساختمان های ضد زلزله، اولین نکته ای که به آن توجه می شود 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 می شود. درز انقطاع که بخصوص برای ساختمان های بالاتر از ۴ طبقه در نظر گرفته می شود، فاصله ای است که بین دو ساختمان برای جداسازی آنها گذاشته می شود. عرض این فاصله بر اساس ارتفاع ساختمان نسبت به پی محاسبه می شود.

دوره های طبیعی
ویژگی دیگری که در تاثیر امواج زمین لرزه روی ساختمان نقش مهمی ایفا می کند دوره است. این ویژگی بخصوص برای تعیین نیروهای لرزه ای ساختمان اهمیت بسیاری پیدا می کند. تمام اجسام یک دوره طبیعی دارند. وقتی حرکت زلزله شروع می کند 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 لرزه ای نیاز دارد یک دور چرخش خودش را کامل کند. دوره طبیعی برای یک ساختمان یک طبقه برابر با حدود ۰.۱ ثانیه است و یک ساختمان چهار طبقه با دوره حدود ۰.۵ ثانیه و ساختمان های بین ۱۰ تا ۲۰ طبقه با دوره ۱ تا ۲ ثانیه تاب می خورند. این در حالی است که یک پل معلق بزرگ دوره ای حدود ۶ ثانیه دارد. برای محاسبه میزان دوره طبیعی یک سازه از این قانون کلی استفاده می شود: دوره ساختمان برابر با تعداد طبقات تقسیم بر ۱۰ است. بنابراین، دوره عمدتاً تابعی از ارتفاع ساختمان است. برای مثال، ساختمان ۶۰ طبقه سیتی کورپ در نیویورک دوره ای برابر با ۷ ثانیه دارد. فاکتورهای دیگری چون سیستم ساختاری، مواد، محتوا و شکل هندسی ساختمان همگی بر دوره اثر می گذارند اما ارتفاع مهم ترین تاثیر را دارد. دوره ساختمان می تواند آسیب های ناشی از زمین لرزه را تغییر دهد. وقتی یک سازه بتن آرمه (بتن مسلح) زمین لرزه شدیدی را تجربه می کند شروع به ترک خوردن می کند. این ترک ها باعث بالا رفتن دوره نوسان سازه و در نتیجه نرم شدن و ضعیف شدن ساختمان می شود. این در حالی است که یک سازه فلزی ممکن است با تکرار چرخه های حرکت سفت تر بشود. جنس خاک هم روی دوره طبیعی تاثیر می گذارد.

چه جنس خاکی، چه ارتفاعی از ساختمان را می طلبد؟
زمانی که زلزله می آید علاوه بر ساختمان، خاک نیز در دوره طبیعی خودش نوسان می کند و این دوره نیز بر میزان دوره طبیعی ساختمان تاثیر می گذارد. دوره طبیعی زمین بسته به جنس خاک بین ۰.۴ تا ۲ ثانیه است. بطوریکه، دوره خاک های خیلی نرم به ۲ ثانیه می رسد. ویرانی وحشتناک ناشی از زلزله ۱۹۸۵ مکزیکوسیتی عمدتاً نتیجه انطباق دوره های حرکت زمین و ساختمان ها بود. مکزیکوسیتی در فاصله بیش از ۴۰۰ کیلومتر از کانون زلزله قرار داشت، اما زلزله سبب شد خاک نرم حاشیه های بستر دریاچه قدیمی زیر ساختمان های مرکز شهر بیش از ۹۰ ثانیه در اثر انطباق دوره طبیعی خاک و دوره طبیعی ساختمان ها نوسان کنند. در اثر این نوسان بسیار طولانی، ساختمان های بین ۶ تا ۲۰ طبقه بیشترین آسیب را دیدند و ساختمان های بلند مرتبه با خسارت کمتری مواجه شدند. علت این مسئله می تواند این باشد که دوره طبیعی این برج ها با دوره طبیعی خاک بر هم افتادگی یا انطباق کمتری پیدا کرده است. بنابراین، درسی که می توان بخصوص از این زلزله برای ساختمان های کلان شهر تهران گرفت این است که در زمین های با خاک نرم که دوره طولانی تری دارند باید ساختمان های زیر ۵ طبقه ضد زلزله بنا شوند. هر چند گفته شد که در مورد زلزله مکزیکوسیتی ساختمان های بیش از ۲۰ طبقه هم در خاک نرم آسیب کمی دیدند اما از آنجا که این قبیل ساختمان ها تحت تاثیر چندین حالت مختلف لرزش قرار می گیرند ممکن است در زمان وقوع زلزله همچون مار پیچ بخورند و عقب و جلو بروند و در نهایت فرو ریزند. با این توضیح می توان گفت که ساخت و سازهای مناطقی از تهران که خاک نرم دارند نباید بیشتر از ۵ طبقه باشند.

جدای از این موارد، بسیاری از ساختمان های بلند مرتبه ای که در تهران قرار دارند روی شیب ۳۰ تا ۷۰ درجه بنا شده اند. این شیب ها حتی بدون زمین لرزه هم برای ساختمان های بلند، خطر آفرین هستند و می توانند فجایعی در اثر لغزش به بار آورند.

برای مشاهده منابع اینجا کلیک کنید.

برای مشاهده منابع اینجا کلیک کنید.

مقاله علمی و آموزشی «زلزله و مقاومت ساختمان ها»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا گزارش هدا عربشاهی در مجله دانشمند، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.

کسب و کار شما

دیدگاه خود را بنویسید

آدرس ایمیل شما منتشر نمی شود. بخش های الزامی با * مشخص شده اند. *

*