ما هي مبادئ التصميم الزلزالي للمنشآت الفولاذية؟

يعتمد التصميم الزلزالي للهياكل الفولاذية على عدة مبادئ أساسية تهدف إلى ضمان سلامة الأرواح، وتقليل الأضرار، والحفاظ على الأداء الوظيفي أثناء الزلزال وبعده. وتستفيد هذه المبادئ من الخصائص الكامنة للفولاذ، مثل متانته ومرونته.

مبادئ التصميم الزلزالي للهياكل الفولاذية

اللدونة وتبديد الطاقة (السلوك غير المرن):

ليس من المجدي اقتصاديًا تصميم هياكل مرنة تمامًا أثناء زلزال كبير. بدلًا من ذلك، تسمح فلسفة التصميم بتشوهات غير مرنة مُتحكم بها (الانحناء) في مواقع محددة مسبقًا داخل الهيكل.

يُعد الفولاذ مادة ممتازة لهذا الغرض نظرًا لمرونته العالية، ما يعني أنه يمكن أن يتشوه بشكل كبير يتجاوز حد مرونته دون أن يتكسر.

هذا التشوه غير المرن يُبدد الطاقة الزلزالية، مما يُقلل من القوى المنتقلة إلى باقي الهيكل ومحتويات المبنى.

يتحقق ذلك غالبًا من خلال تشكيل "مفصلات بلاستيكية" في العوارض أو عناصر "الصمامات" الأخرى المُخصصة.

تصميم القدرة:

هذا مبدأ أساسي يضمن تسلسلًا هرميًا للقوة داخل النظام الإنشائي. تتمثل الفكرة في فرض تأثير غير مرن (تبديد الطاقة) في العناصر القابلة للسحب (مثل العوارض والوصلات الخاصة)، مع ضمان بقاء العناصر الهشة (مثل الأعمدة والأساسات والوصلات الحرجة) مرنة ومحتفظة بقوتها.

هذا يمنع الانهيار المفاجئ والكارثي. على سبيل المثال، في الهياكل المقاومة للعزم، يُطبق مفهوم "عمود قوي - عارضة ضعيفة"، حيث تُصمم الأعمدة لتكون أقوى من العوارض التي تُؤطرها، مما يضمن تكوين مفصلات بلاستيكية في العوارض بدلاً من الأعمدة نفسها.

التكرار:

يوفر النظام الإنشائي الاحتياطي مسارات تحميل متعددة، مما يعني أنه في حال فشل أحد العناصر أو المسارات، يُمكن إعادة توزيع الأحمال على عناصر أخرى، مما يمنع الانهيار التدريجي. وهذا يُعزز المتانة الكلية للهيكل تحت تأثير الأحمال الزلزالية.

الانتظام في الخطة والارتفاع:

تميل المباني ذات التكوينات المنتظمة والمتماثلة (سواءً في المخطط أو الارتفاع) إلى أداء أفضل أثناء الزلازل. يمكن أن تؤدي عدم الانتظام في الصلابة أو الكتلة أو المتانة إلى تأثيرات التوائية وإجهادات مركزة، مما يزيد من قابلية التأثر.

ويشمل ذلك تجنب "الطوابق الهشة" (حيث يكون أحد الطوابق أكثر مرونة أو أضعف بكثير من الطوابق السابقة) وعدم استمرارية نظام مقاومة القوى الجانبية.

اعتبارات خاصة بالموقع:

يجب أن يُراعي التصميم الزلزالي الخصائص المحددة لموقع البناء، بما في ذلك:

الخطر الزلزالي: الشدة والتكرار المتوقعين للزلازل في المنطقة (مثل الزلازل القريبة من خطوط الصدع).

حالة التربة: تُضخّم أنواع التربة المختلفة أو تُخفّف من حركات الأرض. تتطلب التربة الرخوة أو المعرضة للتميع اهتمامًا خاصًا.

احتمالية المخاطر الثانوية: الانهيارات الأرضية، أو أمواج تسونامي، أو السيخ.

التصميم القائم على الأداء (PBD):

يعتمد التصميم الزلزالي الحديث بشكل متزايد على نهج قائم على الأداء، والذي يحدد أهداف أداء واضحة لمختلف شدة الزلازل. تتراوح هذه الأهداف بين "الإشغال الفوري" (أدنى قدر من الضرر، دون انقطاع) و"سلامة الأرواح" (يُسمح بحدوث أضرار هيكلية مع منع الانهيار) و"منع الانهيار".

يسمح هذا للمهندسين بتكييف التصميم بما يتناسب مع مستوى المخاطرة والوظائف المطلوبة.

السلوك الهستيري المستقر:

يجب أن تُظهر العناصر الفولاذية المُصممة لتبديد الطاقة سلوكًا هستيريًا مستقرًا، مما يعني قدرتها على تحمل دورات تحميل وتفريغ متعددة في نطاق غير مرن دون تدهور كبير في القوة أو الصلابة. وهذا أمر بالغ الأهمية لمقاومة الطبيعة المتكررة لحركات الأرض الزلزالية.

التفاصيل والاتصالات المناسبة:

الوصلات بالغة الأهمية في الهياكل الفولاذية. يجب تصميمها وتفصيلها لضمان سلوكها المرن المطلوب ونقل قدرتها. تُعد الأعطال الهشة في الوصلات سببًا شائعًا للضرر أثناء الزلازل. ويشمل ذلك متطلبات جودة اللحام، وتكوينات البراغي، وضمان قدرة دوران بلاستيكية كافية.

الوقاية من تأثيرات P-Delta:

تشير تأثيرات دلتا-P إلى العزوم الثانوية الناتجة عن أحمال الجاذبية المؤثرة على هيكل منزاح جانبيًا. في الهياكل العالية أو المرنة، يمكن لهذه التأثيرات أن تُضخّم القوى الزلزالية بشكل كبير وتؤدي إلى عدم الاستقرار. يجب أن يأخذ التصميم الزلزالي هذه التأثيرات في الاعتبار ويُخفّفها.

هذه المبادئ مُدوّنة في معايير التصميم الزلزالي الوطنية والدولية، مثل AISC 341 (الأحكام الزلزالية للمباني الفولاذية الإنشائية) في الولايات المتحدة، وEurocode 8، وقانون معايير البناء الياباني، والتي تُقدّم متطلبات وإرشادات مُفصّلة لتصميم وبناء الهياكل الفولاذية المقاومة للزلازل.