شناخت زلزله و چگونگي اثر آن بر ساختمانها

زلزله به ساختمانهاي مختلف، آسيب‌هاي گوناگون با درجات متفاوتي وارد مي‌سازد. بعضي از ساختمانها نيز به علت كيفيت عالي ساختماني از آسيبهاي زلزله محفوظ مي‌مانند. مهمترين عوامل در آسيب‌پذيري ساختمان در برابر زلزله، وزن زياد ساختمان، مقاومت كم مصالح در برابر كشش و برش، فقدان بهم‌پيوستگي كامل اجزاي ساختمان و ضعف اتصالات، كيفيت اجزاي ساختمان و بالاخره از دست رفتن مقاومت با گذشت زمان مي‌باشد.

بطور كلي مطالعات محلي و بررسي نحوه رفتار ساختمانها در موقع زلزله، گام مهمي در ارزيابي مقاومت انواع ساختمانها و تعيين اثر نقاط ضعف و قوت طرح ساختمان‌ها، نوع مصالح و بالاخره نحوه اجرا مي‌باشد.
زلزله در ساختمان‌ها، در سه جهت طولي، عرضي و قائم ارتعاش مي‌كند. زمين در هنگام وقوع زلزله تكان مي‌خورد و به طور ناگهاني و به سرعت به جلو و عقب حركت مي‌كند. اين حركت ممكن است در هر امتدادي باشد. يك حركت بالا و پايين نيز بخصوص در مجاورت مركز زلزله وجود دارد. پي‌هاي ساختمان با زمين حركت مي‌كنند ولي اينرسي بقيه ساختمان باعث تاخير كمي در به حركت درآمدن قسمت‌هاي بالاتر ساختمان مي‌گردد. اين تاخير است كه در ساختمان تنش ايجاد

مي‌كند و در اثر تنش‌ها در ساختمان ترك ايجاد مي‌شود كه نمونه بارزي از خسارات زلزله مي‌باشد.
نيرويي كه بر ساختمان وارد مي‌كند بستگي به حركت زمين و وزن ساختمان دارد. هرچه ساختمان سنگين‌تر باشد نيروي وارد بر آن نيز بيشتر خواهد بود. به همين دليل است كه ساختمان‌هاي سبك‌وزن و بخصوص سقف‌هاي سبك وزن در مناطق زلزله‌خيز مطلوب مي‌باشند.
و در اين رابطه نكات عمده زير مورد توجه مي‌باشد:

۱- مجموعه ساختمان همراه با اشياء موجود در آن در موقع زلزله به ارتعاش درمي‌آيد.
۲- حركات در جهات مختلف ساختمان به صورت رفت و برگشت بوده و در يك زلزله ممكن است چندين رفت و برگشت در ثانيه رخ دهد. تعداد اين حركات بستگي به ويژگيهاي زلزله و مشخصات ساختمان دارد.
۳- بر اثر شتاب حركت زمين، نيروهاي جنبشي (اينرسي) در ساختمان ايجاد مي‌شود. اين نيرو متناسب با جرم ساختمان است. بنابراين هرچه وزن ساختمان بيشتر باشد، اين نيرو افزايش مي‌يابد. نتيجه آنكه كاربرد مصالح سبك در ساختمان موجب خواهدگرديد كه نيروهاي كمتري براثر زلزله به ساختمان وارد شود.

۴- بر اثر ارتعاش در امتداد قائم، بار قائم تيرها و ستونها در لحظات مختلف زلزله، كاهش و افزايش مي‌يابد (با توجه به حركت رفت‌و‌برگشتي زلزله).
۵- اجزاي باربر ساختمان، ديوارها و ستونها كه قبل از زلزله فقط بارهاي قائم را تحمل مي‌كردند، بر اثر نيروهاي جانبي ناشي از زلزله، بايد خمش و برش را نيز تحمل كنند. وضع تنش در اين اجزاء در هر لحظه متغير بوده و همانطور كه در شكل نشان داده‌شده‌است در يك مقطع از عضو ساختمان، تنش از فشاري به تركيبي از تنشهاي فشاري-خمشي برشي تبديل مي‌شود. بنابراين در هنگام

بروز زلزله چنانچه در قسمتي از ديوار يا ستون، مقدار تنش كششي ناشي از خمش از ميزان تنش فشاري مربوط به بار قائم بيشتر شود و مقاومت كششي مصالح بكاربرده‌شده در اين قسمت كم باشد (نظير سنگ، آجر يا خشت) در اين قسمت ترك ايجاد خواهدشد و در نتيجه سطح مؤثر براي جذب نيروي برش نيز كاهش يافته و تنش برشي افزايش خواهد يافت و وقتي تنش برشي افزوده شود در اين قسمت لغزش ايجاد شده و ترك حاصله بزرگتر مي‌گردد و بالاخره باعث واژگوني ديوار يا ستون شده و يا اينكه قسمتي از آن به خارج پرتاب مي‌گردد. بنابراين ملاحظه مي‌شود كه براي مقاومت در برابر زلزله نه‌تنها ساختمان بايد بتواند بار قائم را تحمل كند، بلكه بايد در برابر نيروهاي كششي و برشي نيز به اندازه كافي مقاومت كند.

۶- ميزائي (damping) ساختمان هرچه بيشتر باشد شتاب مؤثر بر جرم ساختمان كمتر بوده و در نتيجه نيروي وارده بر ساختمان كاهش مي‌يابد.
۷- جواب ديناميكي و چگونگي خسارات وارده بر ساختمان تابعي از سختي (stiffness) و ويژگي مقاومت گسيختگي اجزائي از ساختمان است كه نيروي زلزله را تحمل مي‌نمايد. اين ويژگي مقاومت ساختمان را مي‌توان با نموداري كه در محور طولي (Xها) تغيير شكل و در محور عرضي (Yها) نيروي رفت و برگشت

(كه بين صفر تا حد با رنهايي كسيختگي تغيير مي‌كند.) را نشان مي‌دهد مشخص نمود.
۸- جواب ديناميكي كه وسيله طيفهاي زلزله (response spectra) مشخص مي‌شود نمايانگر اين حقيقت است كه براي ساختمانهاي صلب و يا پريود كم مانند ساختمانهاي كوتاه شتاب مؤثر بر ساختمان ممكن است خيلي بيش از حداكثر شتاب حركت زمين در موقع زلزله باشد و بايد در انتظار بروز خساراتي به ساختمان بود برعكس در مورد ساختمانهاي شكل‌پذير (ductile) يعني ساختمانهايي كه حد جاري‌شدن آنها با تغيير شكل زياد همراه باشد ساختمان شانس زيادتري دارد كه در زلزله سالم بماند يا اينكه خسارات جزئي بردارد.

اثر زلزله بر ساختمانهاي سنتي خشتي آجري و سنگي غيرمهندسي‌ساز:
ساختمانهاي سنگي و خشتي معمولاً خيلي صلب و غيرقابل انعطاف هستند و داراي فركانس طبيعي زياد و ضريب استهلاك (damping coefficient) كم مي‌باشند. مصالح بنايي سنگين و خشتي همچنان كه از اسمشان پيداست سنگين و ترد بوده و مقاومت آنها در مقابل كشش ناچيز است لذا خسارت وارده به آنها در يك زلزله با شدت متوسط معمولاً بسيار زياد است.

از بررسي آماري خسارات زلزله چنين نتيجه گرفته شد كه نوع و دامنه خسارات ناشي از زلزله يكنواخت نيست و تابع عوامل بيشماري است كه مهمترين عوامل عبارتند از نوع مصالح بكاررفته، شكل و فرم ساختمان، نوع سقف، طرز اتصال و ارتباط ساختمان به ساختمانهاي مجاور، نوع و مقاومت خاك در محل پي ساختمان، موقعيت محلي و عمر ساختمان، وضعيت فرسايش ساختمان در اثر باران و آب، اندازه و فرم در و پنجره و بازشو‌ها در ديوارها، تعداد طبقات و … مقاومت زلزله‌اي

ساختمانهاي خشتي كه روي شالوده يا زمينهاي سفت و سنگي بنا شده‌اند به نظر مي‌رسد بيش از ساختمانهاي مشابه‌ايست كه روي زمين‌ها و شالوده‌هاي نرم ساخته شده‌اند به عنوان مثال بيشتر ساختمانهايي كه در كوهپايه‌ها قرار داشته‌اند از ساختمانهايي كه در ميان دره‌هاي رسوبي و ته‌نشيني قرار گرفته‌بودند كمتر خسارت ديدند اين تنيجه‌گيري نيز در مورد ساير زلزله‌هاي گذشته در ايران به وسيله ساير متخصصين ذكر شده‌است.

به نظر مي‌رسد كه در غالب دهكده‌ها مناطق پرجمعيت و خانه‌هاي كه به يكديگر از دو يا سه جهت متصل بودند و ايجاد يك ناحيه وسيع و صلب را مي‌نمودند خسارت بيشتري را متحمل گرديد‌ه‌‌اند و درصد تلفات آنها بالنسبه بيشتر از ساختمانهاي منفرد و مجزا بوده‌است.
همچنين به ساختمانهاي دوطبقه خسارات بسيار زيادتري از ساختمانهاي يك طبقه رسيده‌بود.
خسارت مي‌تواند حاصل عمل ضربه‌زدن دو ساختمان مجاور و غير مشابه به يكديگر مي‌باشد.
بطور كلي وقتي كه در ساختمان تغيير ناگهاني شديدي در جرم و يا در سختي يك قسمت بروز كند، توزيع نيروها غيرمطبوع بوده و تمركز تنش در محلهاي تغييرات رخ مي‌دهد.

ديوارهاي خشتي گلي و از مصالح بنايي كه معمولاً در ساختمانها بكارمي‌روند، به علت مقاومت كمي كه در مقابل كشش و برش دارند فوق‌العاده آسيب‌پذيرند وجود بازشوها نظير در،پنجره، گنجه و طاقچه استحكام اين نوه ديوارها را بيشتر كاهش مي‌دهد و در نتيجه تنشهاي اضافي در اطراف بازشوها ايجاد خواهد‌شد. همچنين چسبندگي غيركافي ملاتها به آجر يا خشت، عامل اصلي ضعف اينگونه ديوارها است.

فروريختن كامل يا آسيبهاي سنگين اسكلت ساختمان مي‌تواند ناشي از خمش بسيار زياد ستونها و يا خراب‌شدن نقاط اتصال تيرها و ستونها باشد.
بنابراين ضعف اجزاي باربر و يا ضعف اتصالات مربوطه و يا نداشتن شكل‌پذيري (ductility) كافي ساختمان و اجزاي آن ممكن است موجب خسارت به ساختمان گردد.

چون قسمت عمده جرم ساختمان در كفها و بامها قرار دارد و همچنين به علت آنكه مقدار شتاب زلزله در ارتفاع بالاتر ساختمان تشديد مي‌شود، نيروي زلزله در تراز كفها و بام تمركز يافته و چنانچه اين اجزاي ساختماني به هم‌پيوسته و يكپارچه نباشند، بطوريكه به خوبي نتوانند نيروهاي زلزله را به وسيله اتصالات مناسب به ديوارهاي زيرين منتقل كند، بامها و يا كفها ممكن است شديداً خسارت ديده و بطور كامل فرودآيند.

ساختمانهاي با تصوير افقي دايره، مربع يا مستطيل در زلزله‌ها به نحو بهتري عمل مي‌كنند. انتخاب اشكال گوشه‌دار مانند …. و ….. براي پلان ساختمان بطور كلي مناسب نيستند. در اين نوع اشكال بسته به جهت نيروي زلزله نسبت به ساختمان، بالهاي ساختمان ممكن است تحت حركات مختلف قرار گيرند. مثلاً زلزله‌اي در جهت محور تقارن ساختماني با شكل …… به آن اثر كند، چون

محور بلند قسمت مياني ساختمان، موازي حركت زلزله است. سخت‌تر از دوبال ساختمان بوده و نسبت به آنها حركت كمتري مي‌كند و در نتيجه در محلهاي اتصال دو بال ساختمان به جان آن، تنشها و نيروهاي مزاحم ايجاد مي‌گردد.
همچنين معمولاً شكستگي و خرابي ديوارها در گوشه‌هاي بازشو و گوشه‌هاي ضعيف ساختمان صورت مي‌گيرد. در شكل زير به علت تغيير ناگهاني در مقطع ديوارها خرابي ايجاد شده‌است.
در بسياري از حالات ساختمان در اثر زلزله ناشي از كاربرد مصالح ضعيف و غيرقابل قبول، بدي اجراي كار، عدم چسبندگي بين مصالح و بي‌دقتي در پركردن درزها با ملات، نبودن قفل و بست لازم بين اجزاي مختلف ساختمان ضعف اتصالات مي‌باشد.

ديواره‌هاي با سنگ لاشه و ملات گل ضعيفترين مقاومت را در مقابل زلزله دارا بودند. مقاومت زلزله‌اي ديوارهاي خشتي در بعضي از حالات حتي از مقاومت ديوارهاي ساخته‌شده از آجر با ملات گل بيشتر بود. نظير اين مشاهدات در مورد زلزله‌هاي قبل در ايران نيز گزارش شده است. براي انواع مصالح و روشهاي ساختماني كه فعلاً بكار مي‌رود كه بالاترين حد ايمني براي ساختمانهاي سنتي خشتي يا سنگي روستايي زلزله‌هايي با شدت V1 در مقياس اصلاح‌شده، مركالي باشد.
درصد زيادي از ساختمانهاي سنتي محلي داراي سقفهاي مسطح با تير چوبي هستند و همچنين ساختمان‌هايي با سقف گنبدي شكل يا استوانه‌اي كه طرز پايداري و نحوه خراب‌شدن و در واقع اثر زلزله بر اين ساختمانها با هر نوع سيستم سقف شرح داده مي‌شود:

اثر زلزله‌بر:
۱-ساختمانهاي با سقف مسطح و تيرچوبي
۲- ساختمانهاي با سقف گنبدي

۳- ساختمانهاي با سقف استوانه‌اي
ساختمانهايي با سقف گنبدي:
مشاهدات زلزله‌هاي ديگر نشان داده‌است كه مقاومت سقف‌هاي گنبدي شكل از مقاومت سقفهاي مسطح و استوانه‌اي در شرايط مساوي از لحاظ ديوارهاي حمال بهتر است.
نحوه خراب‌شدن سقفهاي گنبدي با ترك‌خوردن و تغيير مكان قسمت فوقاني ديوارهاي حمال گنبد (پاطاق) شروع مي‌شود. در اثر اين تغيير مكانها در كناره‌هاي گنبد ترك ايجاد مي‌گردد كه بطرف بالا و بسوي مركز گنبد امتداد مي‌يابد. پس از ترك‌خوردن و ريختن ديوارهاي پاطاق ساختمان يكپارچگي خود را از دست مي‌دهد و قسمتهاي ترك‌خورده ايجاد فشارهاي جانبي مي‌كنند. كه باعث ريختن قسمت فوقاني ديوارهاي پايه مي‌گردد و بتدريج ديوارها را خراب مي‌كند، خرابي بيشتر ديوارها باعث ازدياد ترك خوردگي گنبد و فروريختن سيستم مي‌گردد.

گنبدهايي كه بر روي ديوارهاي پايدار قرار داشته‌اند خسارت كمتري ديده‌اند. بطور كلي گنبد وقتي خراب مي‌شود كه ديوارهاي نگهدارنده آن خراب گردد. بعضي وقتها تمام يا قسمتي از گنبدهاي سنگين در اثر شتاب زلزله كنده شده و پرتاب گرديد‌ه‌‌است بدون اينكه ديوارهاي پاطاق خسارت ببيند. بعضي اوقات كه قسمتي از ديواره‌هاي پاطاق فروريخته، مشاهده گرديده كه فقط نواحي متكي به آن ديوارها خسارت ديده و بقيه گنبد سقوط ننموده‌است. بنابراين مي‌توان نتيجه گ

ايوان منازل مسكوني كه در روستاهاي ايران اغلب با طاق قوسي پوشانده مي‌شوند از طاق قوسي براي پوشش چهار ديواريهايي كه در يك جهت طويل هستند نيز استفاده مي‌گردد. گرچه اين نوع پوشش در برابر بارهاي قائم ناشي از وزن سقف مقاومت خوبي دارند، در برابر بارهاي جانبي ناشي از زلزله از خود ضعف نشان داده و در اكثر زلزله‌ها مي‌ريزند. در شكل زير يك طاق قوسي كه بر روي سه ديوار قرارگرفته‌داده‌شده‌است.

 

ساختمانهاي با سقف استوانه‌اي:
بررسيهاي انجام‌شده در زلزله‌هاي زرند كرمان و طبس و شهرك قير نشان داده‌است كه مقاومت زلزله‌هاي سقفهاي استوانه‌اي كمتر از مقاومت سقفهاي گنبدي و سقفهاي مسظح يا ديوارهاي مشابه مي‌باشد.
نحوه خراب‌شدن اين نوع ساختمانها هنگامي كه جهت اصلي شتاب زلزله عمود به محور طاق استوانه‌اي است ناشي از ترك‌خوردن طاق در امتداد پاطاق مي‌باشد. در اثر حركات جانبي بيش از حد ديوار‌هاي حمال (پاطاق‌ها) مخصوصاً اگر بين دو تكيه طاق كش‌هاي مناسبي موجود نباشد، طاق استوانه‌اي در امتداد محور خود ترك برمي‌دارد. در اثر ترك‌خوردن طاق فشار جانبي به ديوارها زياد‌شده و باعث فروريختن ديوارها و خرابي طاق مي‌گردد.

استفاده از چوب، ميله‌هاي فلزي براي متصل‌كردن پايه‌هاي طاق به يكديگر به صورت كشش مقاومت طاق را در مقابل ترك و فروريختن افزايش مي‌دهد.
در حالتي كه جهت ضربه اصلي زلزله موازي با جهت محور استوانه طاق باشد معمولاً ديوارهاي انتهايي و قسمتهايي از انتهاي قوس طاق ترك خورده و فرو مي‌ريزند.

نحوه خراب‌شدن ديوارها:
نحوه ترك‌خوردن ديوارهاي باربر دو ساختمان نمونه خشتي در اشكال زير آورده شده است. ديوارها يا باربرند و يا غير باربر. گاهي يكپارچه هستند و گاهي در داخل آنها در و پنجره وجود دارد، كه در اين حالت خود ديوار از عناصر بالاي بازشو (lintel) و قسمتهاي قائم ديوارهاي بين دو بازشو كه بصورت ستون عمل مي‌كنند تشكيل شده‌است.

نحوه رفتار سازه‌اي عناصر ديوار تابع نسبت ابعاد هر عنصر يعني (aspect ratio) آن عنصر مي‌باشد. عناصري كه نسبت طول به عرض آنها كمتر حدود ۲ باشد در اثر برش معمولاً به صورت ضربدري ترك مي‌خورند. عناصري كه نسبت طول به عرض آنها بين ۲ تا ۵ باشد در اثر برش معمولاً به صورت لوزي يا برشي- خمشي ترك مي‌خورند و عناصري كه نسبت طول به عرض آنها بيشتر از ۵ باشد معمولاً به صورت خمشي ترك مي‌خورند. اين نوع ترك خوردنها در اشكال زير آورده‌شده و مشاهده مي‌شود.
بنابراين ديده مي‌شود كه نحوه خراب‌شدن ساختمانهاي بنايي تردشكن با نحوه خراب‌شدن ساختمانهاي قابل انعطاف (ductile) از قبيل فولاد و بتن مسلح فرق دارد. در ساختمانهاي تردشكن اولين اضلاعي كه ازبين مي‌رود اضلاع قطور و كلفت مي‌باشد و اضلاع بلند و باريك قائم چون قابل انعطاف هستند ديرتر از پا درمي‌آيند و شكست آنها به صورت خمشي و به صورت تركهاي انتهايي خواهد بود كه خرد‌شدن آنها سيكلهاي زيادي بطول خواهد كشيد. در ساختمانهاي بنايي غير

مسلح و ديوارها و ستونهاي بين بازشوها حتي اگر هم بلند و باريك باشند در اثر باز و بسته‌شدن شكافهاي نسبتاً قابل انعطاف و دير خرد‌شونده خمشي بتدريج قطعه‌قطعه شده و فرو مي‌ريزند و با اينكه نحوه خراب‌شدن اينگونه ستونها و ديوارها مثل ديوارهاي كوتاه و كلفت تردشكن نيست معهذا چون ظرفيت تحمل كشش را ندارند لذا خراب مي‌شوند. در صورتيكه در كناره‌هاي اين ديوارها حداقل مقداري آماتور يا ساير مصالح مقاوم در مقابل كشش قرار داده مي‌شود و اين ديوارها با سقف و تير بالا سري بازشوها اتصال مقاوم در مقابل كشش داشته‌باشند و تيرهاي بالاسري بازشوها نيز در

امتداد طول ديوار بصورت تيرهاي پيوسته زير سقفي عمل كنند و در كناره‌هاي آنها نيز آماتور يا ساير مصالح مقاوم در مقابل كشش قرار داده شود اين عناصر خواهند توانست تغيير شكلهاي جانبي و نوسانات نسبتاً زياد ناشي از زلزله را تحمل كرده و زلزله‌هاي شديد را بدون خسارت و خرابي از سر بگذرانند.

نحوه اثر زلزله بر ديوارهاي باربر بشرح زير است:
۱- ديوارهاي باربر كه با سنگ‌هاي گرد گوشه نامنظم ساخته شده باشند، معمولاً در اثر زلزله كاملاً درهم مي‌شكنند و بصورت توده‌اي سنگي درمي‌آيند. دليل عمده اين خرابي، كيفيت بدو غيرقابل قبول ملات، نبودن قفل و بست، عدم اتصال سنگهاي نماي خارجي و سنگهاي داخل ديوار و پرنبودن كامل فضاهاي خالي بين سنگها با ملات است.
۲- خرابي ناشي از برش كه با تركهاي مورب ضربدري تشخيص داده مي‌شوند، اين تركها بر اثر كشش و فشار مورب در داخل عضو ساختمان ايجاد مي‌شوند. اينگونه تركها از گوشه‌ها يا از وسط جرزها شروع مي‌شوند و توسعه مي‌يابند. ممكن است اين قبيل شكستگي‌ها باعث فروريختگي تمام و يا قسمتي از ساختمان گردند.

۳- هنگامي‌كه نيروي زلزله عمود بر سطح ديوار است ممكن است در اثر خمش خراب شود در اين حالت تركهاي ناشي از تنش كششي به صورت قائم در وسط، دو انتها و در گوشه‌هاي ديوار پديد مي‌آيد و هرچه طول و دهانه بازشوها بيشتر باشد امكان بروز اين نوع خسارت بيشتر است. از آنجا كه نيروي زلزله در دو امتداد ساختمان بطور همزمان اثر مي‌كند. تنش خمشي و تنش برشي با يكديگر جمع شده و شكستگي ديوار معمولاً ناشي از تركيب دو حالت مي‌باشد. بنابراين خرابي ديوارها و جرزها نتيجه تركيب دو عمل خمش و برش است.

۴- در ساختمان با پوشش شيرواني، پيشاني مثلثي‌شكل ديوارهاي كناري چنانچه بدون مهار و كلاف‌بندي و از مصالح بنائي و غيرمسلح و خشتي و گلي باشند، در برابر نيروي زلزله بسيار ناپايدارند. عمل تيرها كه در موقع زلزله مانند چكش بر پيشاني ديوار ضربه مي‌زنند باعث در هم‌شكستن بيشتر اين قسمت از ديوار مي‌گردد.
۵- فاصله بين بازشوي فوقاني در يك ديوار از نقاط حساس ديوار به شمار مي‌رود. ايجاد ترك در اين ناحيه ممكن‌است قبل از ايجاد ترك در جرز بين دوبازشوي هم تراز بروز كند، براي جلوگيري از بروز اين خسارت و توزيع صحيح نيروي برشي در كليه جرزها يا بايد از كلاف بين‌ارمه بين دو بازشوي فوقاني و تحتاني وجود داشته باشد و يا اينكه كف صلب بين دو بازشو قرار داشته باشد.

۶- خرابي ناشي از پيچش در ساختمان: در ساختمانهاي غير قرينه به علت پيچش ساختمان و توليد نيروهاي برشي ناشي از پيچش در انحناي ساختمان، ممكن است شكافهاي عميقي در تمام ديوارها ايجاد گردد. اين قبيل آسيب‌ها بيشتر در زواياي ساختمان و در محل اتصال ديوارها به يكديگر بروز مي‌كند.
براي اينكه در ساختمان پيچش ايجاد نگردد، همانطور كه قبلاً ديديم بايد مركز منحني اجزاي بابر ساختمان بر مركز ثقل ساختمان منطبق شود.