انهيارات بسبب أخطاء التصميم المعماري.

انهيارات بسبب أخطاء التصميم المعماري

تعتبر أخطاء التصميم المعماري من أهم الأسباب التي تؤدي لانهيار المنشآت بسبب الزلازل، و أحياناً يمكن تدارك بعض الإشكاليات التي يخلقها التصميم المعماري و التي لا تنسجم مع احتياطات الأكواد الزلزالية عن طريق عددٍ من الحلول الإنشائية التي غالباً ما تؤدي إلى زيادة كلفة البناء.
إن مسألة التناظر في المسقط الأفقي يجب أن تأخذ الأولوية الأولى في فكر المهندس المعماري، و الأمر ذاته ينطبق على المهندس الإنشائي الذي يجب أن يختار جملة إنشائية مقاومة أقرب ما تكون إلى التناظر.
الأعمدة القصيرة

إن الأعمدة القصيرة قد تنشأ نتيجةً لترتيبات إنشائية أو معمارية، و من الترتيبات الإنشائية التي تؤدي إلى تشكل الأعمدة القصيرة وصل العمود مع جائز ذي سقوط كبير أو مع عتبة الأبواب أو النوافذ أو بلاطات الأسقف، و من الترتيبات المعمارية تشكيل الطابق الأول بمنسوب أعلى من منسوب الشارع، و تشكيل طابق الميزانين بارتفاع أقل من الطوابق الأخرى أو وجود طابق النصاصي أو الفتحات في جدران القواطع بين الأعمدة و التي تستخدم للإنارة أو للتهوية.



التصميم المعماري أنتج أعمدةً قصيرة أسفل الطابق الأرضي، أما التصميم الإنشائي فلم يراع المتطلبات الدنيا للتسليح العرضي، مما أدى إلى حصول أضرار كبيرة. الأبنية في خلفية الصورة لم تحتو على أعمدة قصيرة و بقيت سليمة بعد زلزال أضنة.
إن العمود القصير يتصف بقساوة نسبية كبيرة بحيث تتولد قوى قاصة و عزوم انحناء كبيرة تؤدي إلى كسره بصورة هشة.



العمود القصير، الشكل ورد في الكود التركي، و الانهيار في اليونان

الطابق اللين

يعرف الطابق اللين The Soft Story بأنه الطابق الذي يحدث فيه تغير مفاجئ في القساوة للعناصر المقاومة للأحمال الجانبية حيث تقل النسبة بين قساوته و قساوة الطابق الذي يعلوه عن 0.7.
و بشكل آخر، في الحالة التي يكون فيها عامل انتظام الصلابة أكبر من 1.5، لكل اتجاه من اتجاه المحاور الرئيسية.
إن إي عدم استمرارية ناتج عن تغير مفاجئ في المنشأة عادةً ما يكون مصدراً لإجهاداتٍ استثنائية، و هذا يشمل حالات التحميل الساكن و يصبح حرجاً من أجل الحمولات الديناميكية، فالزيادة أو النقصان المفاجئان في الصلابة يحدثان تضخيماً في التشوهات و الإجهادات في المنشأ المعرض لحمولات الطاقة (الطاقة الزلزالية مثلاً).
إن الطابق اللين يمكن أن يحدث في الطوابق العليا إلا أنه أكثر شيوعاً في مستوى الطابق الأرضي بين منظومة الأساسات الصلبة و المنظومة الأكثر صلابة نسبياً للمنسوب الأعلى.
من أكثر الأساليب التي تؤدي إلى نشوء مشكلة الطابق اللين تصميم أحد الطوابق (غالباً الطابق الأرضي) بحيث يكون أطول و/أو ذو فتحات أكثر، و هذا الأسلوب مستخدم بشكلٍ شائعٍ جداً في الأبنية التجارية المتعددة الطوابق، و في المنشآت التي يترك فيها الطابق الأرضي دون استثمار.


تصميم معماري غير مبرر يؤدي إلى تشكل الطابق اللين، زلزال أضنة




تضرر شديد في أعمدة الطابق الأول الذي تحول إلى طابق لين أثناء التشييد، من المدهش أن تضرر الأعمدة ذات الاتجاه الطويل كان أكبر من تضرر الأعمدة بالاتجاه المعامد، تأثير الفتل يظهر بوضوح أيضاً، زلزال أضنة
من الحالات الأخرى التي يمكن أن تحدث بها حالة الطابق اللين هي وجود حيز منشأ بشكل خفيف أسفل منشأة ذات شكل صلب، و مثال عليها الشقق التي تملك مرآباً للسيارات في حيز الطابق الأرضي ناتج عن وضع الشقة فوق أعمدة خفيفة للاستناد.
في حالة الطابق الأرضي ذي الفتحات و الطويل نسبياً، يمكن تخفيف أثر الطابق اللين باتباع الأساليب التالية:
أ- تدعيم عدد من الفتحات بشكل قطري إن أمكن.
ب- جعل مسقط البناء مفتوحاً و تأمين صلابة داعمة داخلية.
ت- زيادة عدد و/أو صلابة أعمدة الطابق الأرضي.
ث- استخدام الأقواس أو التدرج بزيادة مقطع الأعمدة لزيادة الصلابة.
ج- إنشاء طابق أول صلب كامتداد معكوس لمنشأة الأساسات الصلبة.

طرق التخفيف من آثار الطابق اللين

الطابق الضعيف

يعرف الطابق الضعيف The Weak Story بأنه الطابق الذي تكون نسبة مقاومة عناصره إلى مقاومة عناصر الطابق الذي يعلوه أقل من 0.8.
و بشكلٍ آخر، في الحالة التي يكون فيها عامل انتظام المقاومة أقل من 0.8، لكل اتجاه من اتجاه المحاور الرئيسية.
من الضروري التمييز بين [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] و الطابق الضعيف و إن كان من الممكن أن تحصل الحالتان معاً في نفس الطابق، فقابلية تشكل الطابق اللين تعتمد على الصلابة أو بشكلٍ أبسط على المقاومة النسبية للتشوه الجانبي أو الانزياح الطابقي، أما قابلية تشكل الطابق الضعيف فهي تعتمد على قدرة التحمل بمعنى مقاومة القوى (الستاتيكية) أو استيعاب الطاقة (الديناميكية).
من الممكن أن يتشكل الطابق الضعيف بسبب الصلابة أو المقاومة الفائقة للطابق الأدنى، كما أن التصحيح المطلوب لتجنب حالة الطابق اللين المحتملة لطابق أرضي مفتوح قد يؤدي إلى تأثير مركز على الطابق الثاني الذي قد يتطلب صلابة أو مقاومة أعلى مما قد يتطلبه التصميم الستاتيكي المبسط، و بالتالي يؤدي هذا الأمر إلى تشكل الطابق الضعيف في الطابق الأرضي.
في بعض الحالات يتشكل كلاً من الطابق الضعيف و الطابق اللين في ذات الطابق، و هذا الأمر ناتج أحياناً عن التغيرات التنفيذية في المناسيب المختلفة أو تغيرات في المسقط الأفقي، مما يؤدي إلى توزيعٍ متباين للعناصر المقاومة على المناسيب المختلفة.

حالة واضحة عن تشكل الطابق الضعيف بسبب تنفيذ جملة إطارية حاملة للطابقين الأول و الثاني مستقلة ستاتيكياً عن الطابق الأرضي، زلزال أثينة

الفتل

يعد الفتل واحد من الأسباب الهامة لانهيار المنشآت بسبب الزلازل، و الفتل بالتعريف هو الإجهادات الناتجة عن عدم تطابق مركز ثقل الطابق مع مركز صلابته، مما يؤدي إلى نشوء عزم فتل يؤدي إلى تغيير في القوى المطبقة على عناصر الجملة المقاومة زيادةً أو نقصاناً.
ينتج الفتل عن عدم انتظام توزع ثقل الطابق كأن يكون مسقط الطابق غير منتظم أو أن يحدث تركيز غير مركزي للحمولات كإنشاء خزانٍ للماء في أحد أطراف البناء، أو تناقص غير مركزي للحمولات كوجود فتحات طرفية في بلاطات الطوابق.



لا مركزية ناتجة عن عدم انتظام توزع الكتل و ذلك بتنفيذ خزان للماء على طرف البناء، زلزال أرمينية
كما يمكن أن ينتج الفتل لأسبابٍ إنشائية ناتجة عن توزيع الجملة المقاومة بشكلٍ عشوائي(أو إلزامي أحياناً) بما يؤدي إلى تباين كبير بين مركز الثقل و مركز الصلابة.
و في أحيان أخرى ينتج الفتل عن أسباب تنفيذية أو معمارية تتعلق بلا مركزية الإكساء الحجري (عدم إكساء البناء من جميع الجهات)، أو باللامركزية الناتجة عن التباين الكبير في توضع جدران القواطع.
يمكن التخفيف من اللامركزية الناتجة عن التصميم المعماري عن طريق مقاربة مركز الصلابة لمركز الثقل باعتماد توضع إنشائي مناسب للجملة المقاومة، و لكن هذا الأمر يؤدي في الأبنية العالية إلى نشوء مشكلة أخرى تتعلق بحدوث لا مركزية ناتجة عن ضغط الرياح، و في هذا الحالة تكون لدينا المعادلة الصعبة التي تتطلب تقارب كلاً من مركز الثقل و مركز الصلابة و مركز دفع الرياح، و هذه المعادلة تملك حلاً وحيداً هو (المسقط الأفقي البسيط المتناظر و الجملة المقاومة المتناظرة) و هو ما تؤكد عليه جميع الكودات.
الفواصل الزلزالية

واحدة من أكثر الأضرار انتشاراً هي تلك الأضرار الناتجة عن حادثة الطرق Hammering Effect (السحق Pounding)، و هي تنتج عن تصادم الكتل المتجاورة في المنشأة نفسها على طول الفاصل بين الكتل و الذي يكون اتساعه قليلاً، أو عن التصادم بين المنشآت المتجاورة حيث يكون التباعد بينها قليلاً.
بغض النظر عن تأثير الهبوطات التفاضلية و دوران الأساسات و التأثيرات الناتجة عن تغيرات الحرارة يجب تحديد أبعاد الفواصل الزلزالية بين كتل المبنى أو بين المباني القديمة و المباني المراد إنشاؤها، و وفقاً لعدد من الأكواد يتم ذلك بتحديد الانتقال الأفقي الأعظمي للكتلة الأولى و الانتقال المقابل للكتلة الثانية و إضافة 10 مم على الأقل للمجموع.
فعلياً لم تعط هذه الأكواد أهمية أكبر لزيادة الخطر الناتج عن اختلاف مناسيب الطوابق المتجاورة حيث يؤدي الطرق إلى تصادم بلاطات الطابق الأول ذات الصلابة الكبيرة في مستويها مع أعمدة الطابق المجاور مما قد يؤدي إلى حصول الانهيار الكلي.

انهيار في أضنة ناتج عن ظاهرة الطرق
إن نظرة سريعة على منشآتنا القائمة يظهر بوضوح الاحتمال الكبير لحدوث ظاهرة الطرق، حيث من المتوقع أن تكون الأضرار الناتجة عن الطرق هي السائدة بشكلٍ عام.
عدم الاستمرارية الطابقية

إن عدم الاستمرارية الطابقية يؤدي إلى حدوث تراكيز في الإجهادات أو اختلاف في طبيعة التشوه مما يساهم في حصول الانهيار.
إن أهم مظاهر عدم الاستمرارية تتجلى في:
- وجود فتحات في البلاطة حيث تكون المساحة الكلية لهذه الفتحات بما فيها فتحة الدرج و فتحات المصاعد تتجاوز 1/3 المساحة الطابقية الصافية.
- في الحالات التي تؤدي فيها الفتحات إلى وجود صعوبة في الانتقال الآمن للحمولات الزلزالية إلى العناصر الإنشائية الشاقولية.
- حصول تناقصات مفاجئة في صلابة الطوابق بمستويها.


حالات عدم الاستمرارية الطابقية
إن وجود الفتحات الكبيرة قد تؤدي إلى إلغاء واحدة من أهم الفرضيات المعتمدة لتصميم المنشآت على الزلازل و هي "الصلابة المطلقة للطوابق في مستويها"، و بالتالي تكون الدراسة التي لا تأخذ بعين الاعتبار وجود هذه الفتحات مغلوطة النتائج.
من المعروف أن الأسس الناظمة للبناء (أو ما يعرف بضابطة البناء) تستلزم في بعض الحالات وجود فتحات بمساحات معينة لأغراض صحية (التهوية و التشميس)، في هذه الحالات يستلزم الأمر اتخاذ جميع الإجراءات الضرورية لتفادي حالات الانهيار و اعتماد ترتيبات التسليح الخاصة بالفتحات.
على سبيل المثال، تسمح ضابطة البناء في تايوان بزيادة عددٍ من الطوابق في حال وجود حيز مفتوح من أجل الاستخدام العام عند مستوى الشارع، و هذا يؤدي إلى وجود خلل في الانتقال الآمن للحمولة الزلزالية خاصةً إذا كانت هذه الفتحات مجاورة لجدران القص.

الفتحات الطابقية أدت إلى خلل في الانتقال الآمن للحمولة الزلزالية إلى جدران القص مما أدى إلى حصول انهيار في
أحد مباني تشي تشي

الطابق الطويل

إحدى الحالات التي تعرضها الأكواد هي حالة الطابق الطويل، و هو الطابق الذي يكون ارتفاعه أكبر من ارتفاع الطابق المجاور و بالتالي يتغير سلوك هذا الطابق عند تعرضه إلى زلزال. لذا يتوجب الانتباه إلى الانتقال (السهم) الناجم في هذا الطابق و الإجهادات المركزة في هذه المناطق الحرجة.
عملياً إن ما اصطلح عليه بالطابق الطويل هو حالة مركبة من الطابق اللين المجاور لطابق يحوي أعمدة قصيرة، و بحسب الشرح المقدم يمكننا اعتبار الأروقة المجاورة للطابق الأرضي و طابق النصاصي مثالاً عن هذه الحالة.
الزوايا المنثنية
تعرف الزوايا المنثنية Reentrant Corners بأنها الزوايا في المسقط الأفقي الناتجة عن حصول تراجعات في كتلة البناء.

بعض التصاميم المعمارية التي تؤدي إلى حصول زوايا منثنية

عدم الاستمرارية الشاقولية

يحدث عدم الاستمرار في العناصر الإنشائية الشاقولية (الأعمدة، الجدران الهيكلية) عندما يتم إيقافها في بعض الطوابق و يتم سندها على جوائز أو أعمدة مضيفة.
في حالة الاضطرار لإيقاف بعض العناصر الشاقولية من الاستمرار بالأسفل حتى الأساسات، فيجب أخذ الحيطة و الحذر باختيار و تصميم جملة النقل المناسبة التي ستكون جملة إطارية مكونة من أعمدة و جوائز حيث يجري تحميل العناصر الشاقولية غير المستمرة للأسفل على الجوائز. و يجب تصميم أعمدة إطار جملة النقل هذه على قص مساوية لضعفي قوى القص التي تنتج بالحساب الستاتيكي.
و من الحالات التي توردها الكودات مثلاً:
- استناد الأعمدة على أظفار، أو التركيب المعروف بالأعمدة الفرعونية (حالة محظورة).
- إيقاف الأعمدة و خاصةً في الطوابق السفلية ( تتطلب زيادة الحمولات بنسبة 50% للجوائز و الأعمدة الحاملة).
- إيقاف جدار القص و سنده من طرفيه على أعمدة (تتطلب زيادة الحمولات بنسبة 50% للأعمدة الحاملة و تطبيق اشتراطات التسليح العرضي لمنطقة العقدة على كامل ارتفاع الأعمدة).
- سند جدار القص على جوائز (حالة محظورة).


بعض التصاميم المعمارية التي تؤدي إلى حلول إنشائية غير سليمة زلزالياً

المحاور غير المتوازية للعناصر الإنشائية

تصادف هذه الحالة عندما تكون المحاور الرئيسية للعناصر الإنشائية الشاقولية في المسقط الأفقي غير متوازية مع الاتجاهين المتعامدين المعتبرين للزلزال.



المحاور غير المتوازية للعناصر الشاقولية


ميلان محاور العناصر الإنشائية أدى إلى تضرر هذا المبنى في القاه

التكوين المعماري للواجهة

تعتبر الواجهة الشاقولية المستطيلة الشكل واجهة مناسبة للكتلة الخالية من الفواصل، و من النقاط الواجب أخذها في تصميم الواجهة الشاقولية تجنب الواجهات التي يزيد فيها بعد الكتلة بالأعلى أكثر من الأسفل و ذلك بسبب زيادة احتمال المنشأة و زيادة حصة الطوابق العلوية من قوة القص القاعدية نتيجةً لزيادة وزن الطوابق في الأعلى.
و لا ينصح بقبول الواجهات التي يقل فيها العرض بالأعلى كثيراً عن العرض بالأسفل أو التصاميم المكونة من تراكب عدد من الكتل و ذلك لنشوء إجهادات مشابهة لحالة الزوايا المنثنية.

تصميم معماري يؤدي إلى نشوء إجهادات مركزة

توضع الحمولات
إن قوة القص القاعدية التصميمية تؤخذ كنسبة من الحمولة الشاقولية المطبقة و الناتجة عن المنشأة، و بالتالي من أجل تخفيضها يجب تخفيض الحمولات الشاقولية، و يتم هذا باعتماد مواد إنشاء خفيفة الوزن و عالية المقاومة و بالإقلال ما أمكن من الحمولات الإضافية.
إن توضع الحمولات الشاقولية بين الطوابق يساهم في استقرار المنشأة، و الإقلال من القوة الزلزالية التصميمية التي يعتمد توزيعها بين الطوابق على مدى الارتفاع الطابقي لكل طابق و نسبة حمولته إلى كامل حمولة المبنى.
و بالتالي من أجل تصميم اقتصادي و آمن يفضل تركيز الحمولات الكبيرة في الطوابق السفلية و الإقلال من الحمولات في الطوابق العليا إن أمكن، على سبيل المثال يمكن اعتماد تصميم مفرغ و قليل السماكة لقمم المآذن و يجب وضع المستودعات في الطوابق السفلية بدلاً من العلوية.