22/02/2023
هل ال Linear Static Analysis كافي لتصميم الزلازل؟
هل ال Linear Static Analysis كافي لتصميم الزلازل في عصرنا الحالي؟
بقلم
د.م.م. أمير الجنيد
م. مصعب خوجلي
بما انه الحديث في الايام الأخيرة دي منصب حول زلزالي سوريا وتركيا خلونا نتكلم شوية عن التصميم الانشائي الأنسب للأبنية القصيرة والمتوسطة الواقعة في مناطق قريبة من حزم الزلازل ومعرضة لهزات خفيفة...
وكلنا ملاحظين النهضة المعمارية التي يشهدها العالم حالياً فأشكال الأبنية صارت أكثر جمالاً ولكنها أكثر تعقيداً وتتخذ الكثير من الاشكال غير المنتظمة سواء أفقياً او رأسياً Irregularity بل ان بعضها تجد بها عدم تماثل في توزيع الاعمدة من طابق لآخر Columns discontinuity والتصاميم التي توجد بها الكثير من الاعمدة المزروعة من طابق لآخر كمثال ... وكذلك اختلاف الكتل من طابق لطابق وكثير من الأشياء الأخرى التي يفرضها التصميم المعماري ... لذا وجب أن يتبع هذه النهضة المعمارية تغيير كبير في المفاهيم الانشائية ...
لذا حالياً مع التطور في العلوم الهندسية وتطور قدرات برامج ال finite Element Method "العناصر المحدودة" وظهور برامج ال Applied Element Method (AEM) والتي تعتبر نوعاً ما أكثر دقة من ال FEM خصوصاً لدراسة ال Collapse Analysis المفترض.. وجب علينا أن نواكب التطور ونستفيد مما توفر لنا من معينات سهلت علينا الكثير مما استعصى على من قبلنا.. لذا حتى بالنسبة للأبنية الاعتيادية لن أطمع كثيراً وأطالب بإجراءDynamic Analysis لعلمي ان التعامل مع مدخلات و مخرجات التحليل الديناميكي يمكن ان يشكل عائق لكثير من المصممين كما أن تطبيق معاملات بلا فهم يتسبب في أخطاء ممكن تكون كارثية ... ولكن بالضرورة يجب إجراء Non-Linear Static Analysis كأضعف الإيمان.
طيب خلونا ندخل لموضوعنا:
بالرغم من ان الغالبية العظمى من المصممين حالياً يعتمدون على البرامج الانشائية ولن يكلفهم أمر إجراء تحليل متقدم إلا دقائق إضافية معدودة إلا أن احدى أكبر الملاحظات التي رأيتها مؤخراً بصورة كبيرة هي لأن أغلب هؤلاء المصممين مازالوا يعتمدون على ال Linear Static Analysis أياً كان شكل المبنى بحجة ان المبنى قصير مثلاً او ال spans ما كبيرة والمبنى بعيد عن خطر الزلازل فلا يحتاج لغير التحليل الخطي ... وهي للأسف فرضية خاطئة لأن تأثر المبنى يرتبط بصورة كبيرة بالتسارع و بطول الموجة فيمكن زلزال يكون اثره على المبنى القصير أشد من اثره على المبنى العالي و يمكن العكس.. اثره على المبنى العالي يكون اقوى من اثره على المبنى القصير.. ومع حدوث تغيرات في الخارطة الزلزالية يجب دوماً أن نتوقع الأسوأ، هنالك مناطق خارج النطاقات الزلزالية ولكنها شهدت بعض الهزات الأرضية في الآونة الآخيرة من ضمنها بعض الدول مثل السودان وقطر وغيرهما وهنالك دول شهدت هزات بإرتدادات مختلفة عما هو مسجل من قبل، منهم إيران وسوريا وتركيا وغيرهم.. يعني أصبحنا في وقت لم يعد فيها التصميم المبني على ال Linear Static Analysis (التحليل الخطي) كافياً بل يتوجب إجراء تحليل غير خطي Non-linear Analysis مخصص.
لذا فمحدودية ال Linear Static Analysis (التحليل الخطي الساكن) في اعطاء نتائج ومخرجات يمكن للمصمم أخذها كقيم لتصميم منشأة واقعة في منطقة متاخمة لنطاق زلزالي يفترض على المصمم أن يكون على دراية كافية بال Parameters (المعاملات) المرتبطة على الأقل بإجراء Non-linear Static Analysis تحليل غير خطي Pushover Analysis ... فمن مميزات ال Pushover Analysis مثلاً ان له القدرة على إعطاء المصمم رؤية و تقدير كافي لشكل الProgressive Collapse (الفشل التدريجي المتتابع) الذي يمكن ان يحدث للمنشأة في حال ان تعرضت المنشأة إلى أي Seismic Impact ويعطي تصور منطقي لنمط الفشل النهائي. لأنه يمكن المصمم من أن يتتبع السلوك الإنشائي الدقيق عند كل عنصر ويعرف بالتحديد المناطق الضعيفة المحتملة ان تصبح القشة التي ستقصم ظهر الهيكل الإنشائي، من خلال تتبع تسلسل الأضرار لكل عضو في الهيكل لان التحليل يعتمد على قاعدة استخدام الPlastic hinges (المفاصل اللدنة) وحالتها status of the hinge . لذا فانه من الحكمة إجراء Pushover Analysis (تحليل انسيابي) لتقييم السلوكيات الانشائية المنفردة للعناصر وكذلك السلوك والآداء المتكامل.
فيما مضى كان يمكن ان يكون العذر ان أي Non-linear Calculations (حسابات وتحليل غير خطي) محتاجة مجهود كبير وزمن وخطوات مختلفة قد تصعب على المصمم إجراء Pushover Analysis لكن في العصر الحالي أصبحت البرامج الانشائية متوفرة والكمبيوترات في المتناول بل ان كل المصممين حاليا يعتمدون على الكمبيوتر بصورة كاملة. يتم النظر في منحنى السعة ومنحنى الطلب وحالة المفصلة. لكن بصورة كبيرة نُرجع السبب للمناهج الدراسية والتي هي في اغلب الجامعات تتطرق الي ال Non-Linear Analysis على استحياء بل أن بعضها لا يتطرق له نهائياً ... وكذلك المراكز التي تدرب على استخدام الحاسب الآلي الكثير منها لا يعير موضوع ال Pushover Analysis أي اهتمام.. قد يكون ذلك بسبب عدم إلمام المدرب بالموضوع او بسبب عدم تقديره لأهمية الموضوع ... بل ان هنالك مراكز تتطرق للموضوع ولكن للأسف يدخلون للبرامج قيم ثابتة دون معرفة مرجعيتها او صلاحيتها بل هي قيم يطلبون من المتدرب حفظها كما هي.. بل والاسوأ تجد في بعض الأحيان أن الدورات الإنشائية يقدمها معماري أو حتى شخص غير متخصص وهو موضوع خطير يحتاج لإعادة نظر وحسم من النقابات الهندسية وجهات منح رخص التدريب و التعليم ...
الموضوع ببساطة كالاتي:
1. بالنسبة للتحليل الخطي ال Linear Static Analysis فهو تحليل مبني على مفهوم يفترض أن الهيكل الانشائي يتصرف بطريقة خطية ومرنة. هذا يعني أن الهيكل يستجيب بشكل متناسب للأحمال المطبقة ويعود إلى حالته الأصلية عند إزالة الأحمال كذلك يعتمد التحليل الخطي على مبدأ التراكب وعامل تقليل الاستجابة R.
2. بالنسبة للتحليل غير الخطي Non-linear pushover analysis فهو تحليل يقوم بتمثيل ودراسة السلوك غير الخطي للهيكل. هذا يعني أن التحليل لا يفترض مبدأ أن يتصرف الهيكل بطريقة خطية ومرنة.. وان المبنى يحاول العودة إلى حالته بعد زوال القوى المؤثرة ولكنه لا يعود بصورة كاملة، بل يمكن أن يخضع ل Yielding و Plastic Deformationلتشوه لدن و فشل. في هذا التحليل يتم تطبيق حمل رتيب على الهيكل من أجل دفعه إلى ما بعد ال yield point ويتم دراسة وتقييم آدائه في ظل ظروف التحميل المختلفة. توفر نتائج هذا التحليل غير الخطي فهمًا أفضل لسلوك الهيكل تحت الأحمال الشديدة مثل تلك التي تحدث أثناء الزلازل.
بصورة مختصرة أكثر يمكن القول ان ال Linear Static Analysis يوفر رؤية أولية مبسطة لسلوك الهيكل الانشائي تحت أحمال محددة، بينما ال Non-linear pushover analysis يأخذ في الاعتبار السلوك غير الخطي للهيكل ويوفر رؤية أكثر شمولاً لآدائه المتوقع في ظل الأحمال القصوى.
مؤخراً الكثير من الباحثين و علماء الجيولوجيا أشاروا الي توقعات كبيرة بتغيرات في خارطة الزلازل و توقعوا حدوث زلازل في مناطق لم تكن تشهد هزات أرضية من قبل كما توقعوا زلازل أقوى و بناء عليه الكثير من الدول قامت بتحديث كوداتها ومعاملات الزلازل فيها من ضمن تلك الدول نجد تركيا التي قامت بتحديث متطلبات الزلازل عندها مؤخراً عام 2017-2018 و رغم ذلك ضربها زلزال اقوى من المتوقع ... إذاً بما ان الخارطة الزلزالية تغيرت يجب علينا أن نستعد بصورة أفضل ... يلا خلونا نتناقش ونقول ليه ال Linear Static Analysis غير كافي لمبنى ممكن يتعرض لهزة على سبيل المثال عندما نصمم هيكلًا خرساني ونختار نظام إنشائي Ordinary Concrete Moment Resisting Frame معروف ال Response Reduction Factor R = لهذا الهيكل هو 3 فهذا يعني أن 33% من القوة الزلزالية بيتم تطبيقها على الهيكل (هذا لا يعني أن بقية القوة الزلزالية يتم اهمالها بل أن الLateral Deformation و ال Distoration لا تتأثر "تقريبا"ً بقيم R المطبقة في الحسابات, ولكن أثر ال R بيظهر في تخفيض قوى التصميم النهائية على العناصر الانشائية إلى مستوى اقتصادي منطقي يمكن عبره أن يقاوم الهيكل القوى الجانبية بشكل معقول من قبل ال Limit State Capacity للهيكل وبالنسبة لل Deformation الاضافي يتم مقاومته بواسطة ال Ductile Capacity قدرة المطيلية لعناصر الهيكل بأخذ التسليح و اثره.. يعني بصورة كبيرة يقع عبئها على حديد التسليح لذا نلاحظ زيادة التسليح في المباني المصممة على حمولات زلازل. ومع ذلك، نادرًا ما ينظر المصممون في حساباتهم لأثر ال Ductility والتغيير في صلابة العناصر وتأثيرات P-delta ، والتغيير في القوى المقدرة النهائية .. إلخ. بل أن الغالبية تكتفي بنتائج التحليل البسيط و يقومون بزيادة التسليح وعمل تفاصيل دقيقة كما موجودة في كودات التسليح لمناطق الزلازل و يعتبرها كافية ... وهنالك من يقوم عن جهل بأخذ النتائج كما هي ويقوم بإستخدام تفاصيل التسليح العامة للمباني دون علم ان هنالك Appendix ملحقات تحوي متطلبات إضافية يتوجب اخذها في الاعتبار... كل هذا يوضح ان المفاصل هي أهم المناطق التي يجب الاهتمام بتصميمها وتفصيلها ويجب علينا ان نعرف ان هنالك عدة عوامل لها بليغ الاثر أهمها هو التغيير في ال stiffness جساءة العناصر بسبب حدوث تشرخات او تصدعات نسبية يحدث على اثرها تغيير في مسار و نسبة إعادة توزيع الحمولات بين العناصر المرتبطة ببعضها و المتجاورة، مما يتطلب تصميمها لقوة اكبر من التي يعطيها ال Static Analysis حتى تكون مهيأة لتحمل القوى والحمولات المعاد توزيعها عليها و مقاومة ال Progressive Collapse الانهيار المتتابع في حالة فشل احد العناصر ...
(توضيح بسيط: أخذ قيمة ال R=3 لا يفرض عليك كمصمم أن تأخذه 3 إنما يعطيك كامل الحرية في أ تأخذ أي قيمة تقع بين 1 الى 3.. طبعاً كلما أخذت قيمة أقل زادت درجة الأمان و بالمقابل زادت التكلفة ولكن بالتأكيد غير مقبول أخذ قيمة أكبر من 3 ... و عموماً تختلف قيمة R حسب النظام الإنشائي المختار مثلاً في مباني ال لوود-بيرينق ,تجد قيمة R=2).
عموماً الفروقات بين التحليلين يمكن معرفتها من خلال الآتي:
بالرغم من أنه في ال Static Analysis وال Pushover Analysis يتم تطبيق القوى الأفقية على المنشأة بناءً على نمط التوزيع الرأسي المحدد مسبقًا ونجد انه في حالة ال Linear Static Analysis يكون نمط التوزيع إما parabolic قطاع مكافئ وهي طريقة ال (Seismic Coefficient Method) أو يمكن أن يكون proportional متناسبًا مع ال التركيبة الشكلية يعني طريقة ال Response Spectrum (طيف الاستجابة). أما في ال Pushover Analysis فيتناسب نمط التوزيع مع الارتفاع إلى القوة 'k' ويمكن أن يكون منتظم أو خطي أو مكافئ أو أي توزيع. المهم أن في كلا الحالتين Linear Static Analysis أو Pushover Analysis يعتمد التحليل على ال maximum lateral load الحد الأقصى للحمل الجانبي الذي يمكن أن يتحمله الهيكل على ال fundamental time-period الفترة الزمنية الأساسية للهيكل.
لكن تظل توجد اختلافات بين الطريقتين لا يمكن تجاهلها يتمثل الاختلاف الأكثر أهمية بين الطريقتين في أن ال Static Analysis يعتمد على ال elastic model نموذج مثالي مرن بينما يستخدم Pushover Analysis نموذجًا غير خطي non-linear plastic model أقرب للواقع Non-Linear Analysis لأنه يأخذ في الاعتبار السلوك غير المرن للهيكل ويخرج نتائج تمثل متطلبات التصميم بشكل أكثر دقة، لذا منطقياً هو سبب كافي يجعل المصمم يلجأ لل Pushover Analysis لأنه باستخدام هذه الطريقة، يمكننا فهم السناريوهات المتوقعة لكيفية حدوث الانهيار المتتالي في المباني و تتبع المناطق الضعيفة المحتملة في الهيكل من خلال تتبع تسلسل الأضرار لكل عضو في المنشأة وتحديد نمط الانهيار الكلي .
ختاماً:
هنالك نقطة يجب توضيحها وهي ان التصميم ضد الزلازل لا يعني ان المبنى مصمم ليقف في وجه الزلازل دون أن يتأثر ... الصحيح هو تصميمها بحيث انها يمكن ان تتعرض لتشققات مقبولة في حالة حدوث زلازل فيبقى المبنى واقفاً إلى حين معالجة الشروخ في مرحلة لاحقة، إذا هذا يقودنا إلى ان عدم صلاحية ال Elastic Analysis التحليل المرن في حساب إعادة توزيع القوى الجديدة الناتجة أثناء ال Progressive Yielding أو حتى التنبؤ بميكانيزم الانهيار.. طيب الكلام ده بقودنا لتساؤل منطقي وهو بما انه في وقتنا الحالي أصبحت برامج النمذجة متقدمة جداً و سهلت آلية التحليل و التصميم و التحقق عبر سيناريوهات محاكاة مطابقة للواقع بدرجة كبيرة ... لماذا لا نقوم بعمل تصاميم و تشييد مباني (خلونا مبدئياً نطلق عليها اسم مباني العناصر الذكية) هذه المباني يكون لها سلوك ذكي يجعلها تتمتع بخاصية ذكية لمقاومة الزلازل القوية من خلال عمل ميكانيزم يتم فيه دراسة الجساءات بصورة دقيقة والقيام بتوزيع كتل إضافية بمنظومة معينة تعمل على توجيه الطاقة الي نقاط مركزية مدروسة في المباني يتم فيها امتصاص هذه الطاقة في عناصر محددة هي الابيام وليس الأعمدة كوسيلة لمنع حدوث انهيارات كاملة وبالتالي مثل هذه المباني ستوفر درجة عالية من الأمان حتى في وجه تلك الزلازل التي قد تتجاوز مستوى التسارع الذي تحدده عادةً الكودات الخاصة بمتطلبات الزلازل. (لماذا لا يوجد تركيز وبحوث متقدمة باستخدام قدرات ال Applied Element Method (AEM) للوصول إلى مواصفات قياسية لهذا النوع من المباني الذكية؟) ... أو مثلاً لماذا لا يتم فرض تطبيق قيمة R=1 على كل الاساسات و العناصر الرأسية؟ و كله من أجل الحفاظ على سلامة الأرواح.
إن شاء الله سنتحدث عن إمكانيات ال Applied Element Method (AEM) في مقال منفصل إن مد الله في عمرنا ...
وللحديث بقية ...
د.م.م. أمير الجنيد
م. مصعب خوجلي
