אנונו רפי

חיזוק מבנים לרעידות אדמה

לאורך ההיסטוריה, בנינו מבנים וערים מרשימות שאתגרו את איתני הטבע. רעידות אדמה הן מבין הכוחות ההרסניים ביותר של כדור הארץ היכולות לקחת חיים, להרוס מבנים, ולעלות סכומי כסף אדירים עבור אובדן רכוש ותיקונו.

לפי מרכז המידע הלאומי לרעידות אדמה, יש בממוצע כ- 20,000 רעידות אדמה בעולם מדי שנה – 16 מהן הן אסונות גדולים. לדוגמא בשנת 1837 פגעה רעידת אדמה בצפת ובסביבותיה, שעל פי ההערכות מודרניות הייתה במגניטודה של 6.5 ל 7 אשר החריבה את העיר והותירה אלפי הרוגים. 

במהלך העשורים האחרונים, מהנדסי בניין הציגו עיצובים וחומרי בניין חדשים על מנת חיזוק מבנים לרעידות אדמה.

מפת מוקדי רעידות אדמה במגניטודות שונות בישראל | מאמר חיזוק מבנים לרעידות אדמה
בתמונה - רעידות האדמה בא"י. מטעם אתר MAPI.gov.il

כיצד רעידות אדמה משפיעות על מבנים ?

רעידות אדמה מפעילות לחץ אופקי על מבנים, וגורמות לקריסתם. לפני שנבחן את המאפיינים, חשוב להבין כיצד רעידות אדמה משפיעות על מבנים מעשה ידי אדם. כאשר רעידת אדמה מתרחשת, היא שולחת גלי הלם  במרווחים מהירים וקצרים בכיוונים השונים בקרקע. 

בעוד מבנים מצוידים בדרך כלל להתמודד עם כוחות אנכיים ממשקלם וכוח המשיכה שלהם, הם אינם יכולים להתמודד עם כוחות מצד לצד הנפלטים מרעידות. עומס אופקי זה מרטיט קירות, רצפות, עמודים, קורות והמחברים שמחזיקים אותם יחד. 

ההבדל בתנועה בין החלק התחתון לחלק העליון של הבניינים גורם ללחץ קיצוני, הגורם לפריצה של המסגרת התומכת ולקריסת המבנה כולו.

איך מחזקים מבנים לרעידות אדמה ?

כדי לתכנן בניין עמיד בפני רעידות אדמה, המהנדסים צריכים לחזק את המבנה ולנטרל את כוחות המופעלים עליו. מכיוון, שרעידות אדמה משחררות אנרגיה שדוחפת בניין מכיוון אחד, האסטרטגיה היא שהבניין ידחוף לכיוון ההפוך. 

להלן כמה שיטות בנייה לחיזוק מבנים בפני רעידות אדמה

יצירת בסיס גמיש

בידוד בסיס הבניין כולל הנחת המבנה על רפידות גמישות, המבודדות את הבסיס ונעות במקום המבנה.

אחת הדרכים להתנגד לכוחות הקרקע היא "להרים" את יסוד הבניין מעל פני האדמה. בידוד בסיס כולל בניית בניין על גבי רפידות גמישות העשויות פלדה, גומי ועופרת. כאשר הבסיס זז במהלך רעידת האדמה, המבודדים רוטטים בעוד המבנה עצמו נשאר יציב. זה עוזר ביעילות לספוג גלים סייסמיים ולמנוע מהם לעבור דרך בניין.

הטמעת בולמי זעזועים

אולי הנכם מודעים לכך שלמכוניות יש בולמי זעזועים. עם זאת אולי לא ידעתם  שמהנדסים משתמשים בהם גם ליצירת מבנים עמידים בפני רעידות אדמה. בדומה לשימוש שלהם במכוניות, בולמי זעזועים מפחיתים את עוצמת גלי ההלם ומסייעים לבניינים להאט את קצב התזוזה. וזאת עושים בשני דרכים: התקני בקרת רטט ובולמי מטוטלת.

בקרת רטט

בולמים מכוונים המחוברים לקורות משתמשים בבוכנות ושמן כדי לספוג את הלם רעידת האדמה.

השיטה הראשונה כוללת הצבת בולמים בכל מפלס של הבניין, בין עמוד לקורה. כל בולם מורכב מראש בוכנה בתוך צילינדר מלא בשמן סיליקון. כאשר מתרחשת רעידת אדמה, הבניין מעביר את אנרגיית הרטט לתוך הבוכנות ודוחף את השמן. כאשר זה קורה – האנרגיה הופכת לחום, ומפזרת את כוח הרעידות.

כוח מטוטלת

משקל גדול שנע מול תנועת רעידת האדמה בכדי לפזר את האנרגיה. 

שיטת שיכוך נוספת היא כוח מטוטלת, שמשתמשים בה בעיקר בגורדי שחקים.  מהנדסים תולים כדור גדול בעל כבלי פלדה עם מערכת הידראוליקה בראש הבניין. כאשר הבניין מתחיל להתנדנד, הכדור פועל כמטוטלת ונע בכיוון ההפוך כדי לייצבו. בדומה לשיכוך, תכונות אלו מכווננות כך שיתאימו וינטרלו את תדר הרעידות של הבניין במקרה של רעידת אדמה.

engineer-4925137_1920

הגנת המבנה מפני רעידות

במקום רק לסתור כוחות, חוקרים מתנסים בדרכים שבהן בניינים יכולים להסיט ולנתב את האנרגיה מרעידות אדמה לחלוטין. טכנולוגיה זאת, המכונה "הגלימ הסייסמית הבלתי ניראת". שיטה זאת כוללת יצירת "גלימה" של 100 טבעות פלסטיק ובטון, וקבורתה שלושה מטרים לפחות מתחת ליסוד הבניין.

כאשר גלים סייסמיים נכנסים לטבעות, הם נאלצים לעבור לטבעות החיצוניות. כתוצאה מכך, הם בעצם מתועלים הרחק מהבניין ומתפזרים לתוך הלוחות באדמה.

חיזוק מסגרת הבניין

בניין עמיד בפני רעידות אדמה מכיל קירות גזירה, פלטות צולבות, דיאפרגמות ומסגרות עמידות לחלוקת כוחות מחדש. כדי לעמוד בפני קריסה, בניינים צריכים לחלק מחדש את הכוחות שעוברים דרכם במהלך אירוע סייסמי. קירות גזירה, פלטות צולבות, דיאפרגמות ומסגרות עמידות הם מרכזיים לחיזוק הבניין.

קירות גזירה הם טכנולוגיית בנייה שימושית המסייעת בפיזור כוחות רעידת אדמה. הקירות הללו עשויים מלוחות המסייעים לבניין לשמור על צורתו במהלך התנועה. קירות גזירה נתמכים לעתים קרובות על ידי פלטות צולבות אלכסוניות. לקורות פלדה אלו יש יכולת לתמוך בדחיסה ובמתח, מה שעוזר לנטרל את הלחץ ולדחוף את הכוחות המופעלים בחזרה אל הבסיס.

דיאפרגמות הן עוד חלק מרכזי במסגרתו של הבניין. אלה מורכבות מהרצפות, הגג והסיפונים המונחים מעליהן, דיאפרגמות מסייעות להסיר מתח מהרצפה ולדחוף כוח למבנים האנכיים של הבניין.

מסגרות עמידות מספקות גמישות רבה יותר בעיצוב הבניין. מסגרת זאת ממוקמת בין חיבורי המבנה, ומאפשרת כיפוף העמודים והקורות בעוד החיבורים נשארים קשיחים. לפיכך, הבניין מסוגל להתנגד לכוחות הגדולים של רעידת אדמה תוך שהוא מאפשר למעצבים יותר חופש לסדר אלמנטים של בניין.

חומרים עמידים בפני רעידות אדמה

בעוד שבולמי זעזועים, מטוטלות ו"גלימות בלתי נראות" עשויים לסייע בפיזור האנרגיה במידה מסוימת, החומרים שממנו בבניין נבנה אחראים באותה מידה ליציבותו.

פלדה ועץ

כדי שחומר בבניין יתנגד ללחץ ורעידות, הוא חייב להיות בעל גמישות גבוהה – זאת אומרת, יכולת לעבור עיוותים ומתחים גדולים. מבנים מודרניים נבנים לרוב מפלדה מבנית – רכיב מפלדה שמגיע במגוון צורות המאפשרות לבניינים להתכופף מבלי להישבר. עץ הוא גם חומר המפתיע בשל חוזקו, יחסית למבנו הקל ומשקלו.

 

חומרים חדשניים

מדענים ומהנדסים מפתחים חומרי בניין חדשים עם שמירת צורה טובה עוד יותר. לחידושים כמו סגסוגות זיכרון צורות יש את היכולת לסבול עומסים כבדים וגם לחזור לצורתם המקורית, בעוד שעטיפת פלסטיק מחוזקת בסיבים – העשויה על ידי מגוון פולימרים – יכולה להיות כרוכה סביב עמודים ולספק עד 38% חוזק וגמישות גדולים יותר.  בנוסף, מהנדסים פונים גם ליסודות טבעיים. כמו לדוגמא – ליחס החוזק-גודל של משי עכביש יש יכולות מבטיחות ביצירת מבנים.

חומרים מודפסים מבמבוק ותלת מימד יכולים לתפקד גם כמבנים קלים ומשתלבים עם צורות בלתי מוגבלות שיכולות לספק התנגדות גדולה עוד יותר לבניינים.

במהלך השנים, מהנדסים ומדענים המציאו טכניקות ליצירת כמה מבנים יעילים מוגנים בפני רעידות אדמה. ככל שהטכנולוגיה והחומרים מתקדמים כיום, עדיין לא ניתן לבניין לעמוד לחלוטין ברעידת אדמה חזקה ללא פגע. ובכל זאת, אם בניין מסוגל לאפשר לדייריו לברוח מבלי להתמוטט ומציל חיים וקהילות, נוכל לראות בכך הצלחה גדולה.