اثر زلزله بر ساختمان

بزرگی و شدت زلزله
زمين لرزه با دو معيار سنجيده می شود، بزرگی و شدت، و توجه خواننده علاقه مند جلب می شود که هرگز اين دو را خلط نکند. بزرگی معياری است وابسته به کميت و لذا قابل اندازه گيری و واحد آن ريشتر است که به طور لگاريتمی به طول موج زلزله بستگی دارد. وليکن شدت معياری کيفی و بيشتر حسی است و با درجه مرکالی بيان می شود. به اين ترتيب بزرگی زلزله در هر زمين لرزه جديد می تواند رکورد قبلی را پشت سر گذارد و حدی برای آن متصور نيست، هر چند با محاسبه نشان داده شده در يک زلزله 12 ريشتری احتمالی زمين کن فيکون خواهد شد. اما شدت زلزله در 12 درجه مرکالی تعريف شده و حد آن مشخص است. اين واحد در سال 1902 توسط جوزپه مرکالی، لرزه شناس ايتاليايی تعريف شد، و در 1931 دانشمندان امريکايی هری وود و فرانک نيومن آن را تعديل کردند

تفاوت ظريف و ملموس بزرگی و شدت در اين است که بزرگی در فاصله ای استاندارد از مرکز زلزله محاسبه می شود، لذا عدد آن همه جا يکسان است. بنابراين برای ادراک اثر آن بايد فاصله هم بيان شود. به عنوان مثال زلزله 7 ريشتری سال 1369 در رودبار، اثری معادل 9 درجه مرکالی در آن شهر داشت، حال آن که اثر آن در تهران به 3 تا 4 درجه مرکالی تقليل يافت. مطابق تعريف، زلزله ای با شدت 1 مرکالی جز در وضع استثنايی حس نمی شود، و زمين لرزه ای با شدت 12 مرکالی ويرانگر است و انهدام کامل جهان را به دنبال دارد

اثر زلزله بر ساختمان
آن گاه که زمين – بستر ساختمان – می لرزد، پی سازه را با خود حرکت می دهد و اينرسی ساختمان باعث حرکت رفت و برگشتی آن می شود. درست مثل آن است که ساختمان حرکت نکند، ولی يک نيروی مرموز مانند يک کينگ کنگ غول آسا نوک فوقانی ساختمان را به جلو و عقب بکشد. به اين حرکت اثر شلاقی می گويند. خيلی ساده اين اثر را تجربه کنيد. يک خط کش 30 سانتيمتری نرم (يا حتی يک مگس کش) را به طور قائم در دست بگيريد و دستتان را کم ولی با شدت به طور افقی حرکت دهيد. در نوک خط کش اثر شلاقی را ملاحظه خواهيد کرد. اگر اين عمل را با ضخامت بيشتر خط کش در امتداد حرکت تکرار کنيد، اثر شلاقی در نوک خط کش کم می شود و شايد اصلا قابل ملاحظه نباشد. همين جا اهميت نسبت ارتفاع ساختمان به ابعاد افقی آن را کاملا حس می کنيد. هر چه اين نسبت کوچک تر باشد، عمل ساختمان در زلزله بهتر است، هر چند به دليل پريود ارتعاشی کمتر و سختی بيشتر نيروی ايجاد شده در سازه کمتر نخواهد بود که از حوصله اين نوشتار خارج است

مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله
گاه تصور می شود مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله به اين معنی است که ساختمان مقاوم هرگز در هيچ زمين لرزه ای فرو نريزد. چنين نيست

اول، هيچ دو زلزله ای شبيه به هم نيستند. امواج حاصل از آنها متفاوت است (و بدون ورود به جزئيات فقط بدانيد که اين امواج 4 نوع هستند : طولی يا اولي، عرضی يا ثانوی، امواج "لاو" , و امواج "ريلی"). زمان اثر آنها – که از مهم ترين عوامل ميزان اثر زلزله بر ساختمان است – فرق دارد. زمان مؤثر در زلزله طبس 60 ثانيه و در زلزله ناغان 30 ثانيه بود. حداکثر مقدار شتاب حرکت زمين و مهم تر از آن، توزيع شتاب در خلال زمان مؤثر، بسيار متغير است. لذا تنها کاری که از مهندس محاسب سازه بر می آيد، بر اساس آمار و احتمالات، و نيز با متعادل کردن هزينه نسبت به ايمنی، شتاب محتملی را برای دوره عمر ساختمان انتخاب می کند و با داشتن جرم ساختمان، نيروی افقی شبيه به اثر زلزله را به دست می آورد. تصور می شود خواننده علاقه مند، از محفوظات دبيرستان قانون دوم نيوتن را به خاطر داشته باشد: جرمی که تحت اثر نيرويی قرار گيرد لاجرم با شتاب حرکت می کند، مگر آن که آزاد نباشد و مقيد باشد

دوم، بعضی ساختمانها ايمنی بيشتری نياز دارند. ساختمانهای اداره های پليس و آتش نشانی و بيمارستانها بايد بعد از زلزله سالم بمانند تا به آسيب ديدگان خدمت کنند. ساختمان يک موزه ملی يا کتابخانه ملی بايد بی صدمه باقی بماند تا گنجينه ملتی را حفظ کند. خرابی يک سينما يا آمفی تاتر 300 يا 500 يا 1000 نفر را به کام مرگ می کشد، حال آن که فرو ريختن يک خانه مسکونی به فوت شايد 2 يا 5 نفر می انجامد.

سوم، با توجه به هزينه، چندان منطقی نيست که ساختمان در هيچ زلزله - با هر شدت - آسيب نبيند. لذاست که در محاسبه سازه تلاش می شود دو حد برای طرح تعيين شود، يکی برای آسيب ديدگی کم ، و ديگر برای صدمه کلی

روشهای مقاوم سازی
چهار چوب کبريت را در نظر بگيريد که با 4 سنجاق به هم وصل شده و يک مربع تشکيل داده اند. اين شکل مدل ساده يک قاب ساختمانی يک طبقه و يک دهانه است. از آن برای تفهيم بهتر مطلب استفاده خواهد شد

مدل ساده مذکور، با کمترين نيرو از مربع به متوازی الاضلاع تغيير شکل می دهد، لذا پايدار نيست، و ساختمانی را نشان می دهد که در برابر زلزله (يا باد) مقاوم نشده است. گفته می شود اتصالات اين سازه مفصلی است. برای مقاوم کردن آن سه روش بسيار معمول است، که از يکی از آنها ، يا ترکيبی از آنها استفاده می شود

اول، با تقويت کنجها، مثلا افزودن يک چسب خوب علاوه بر سنجاق ها، اتصالات تقويت می شوند تا ديگر حالت مفصلی نداشته باشند. اکنون اتصالات اين سازه گير دار يا نيمه گيردار گفته می شود. در سازه واقعی اين مقصود با تمهيداتی در جوش کاری و اجزای اتصال فولاد، يا آرماتور گذاری بتن آرمه حاصل می شود

دوم، با افزودن دو چوب ديگر به دو قطر مدل (حتما توجه داريد که طول اين دو بايد قدری بيشتر باشد)، شکل مربع را به چند مثلث تغيير می دهيم. تفاوت در اين است که مثلث به آسانی ناپايدار نمی شود، مگر با تغيير شکل زياد. اين روش در سازه بتن آرمه چندان کاربرد ندارد، ولی در سازه فولادی با افزودن اعضای قطری که مهار بندی (يا بادبندی) خوانده می شوند، روشی بسيار مؤثر و معمول است، مشروط بر آن که محل سوراخهای درها و پنجره ها طوری باشد که اين روش ممکن شود. در واقع همکاری آرشيتکت و شناخت او از الزامات سازه ای اين جا نقش اساسی دارد

سوم، با افزودن يک جسم سخت، مثلا قرار دادن دست در کنار مدل، تغيير شکل آن نامحتمل يا حداقل کم و محدود می شود. در سازه های بتن آرمه و هم فولادی، ديوارهای يک پارچه بتنی که ديوار برشی نام دارند در سقفها و کفها مهار می شوند و جلوی تغيير شکل نامحدود و آزاد آن را می گيرند