בעשור האחרון חלה עלייה ניכרת בבניית מבני מגורים רבי קומות בישראל כחלק מההתמודדות עם גידול האוכלוסייה והחוסר בקרקעות למגורים. התקן הישראלי לתכנון מבנים ברעידות אדמה בבסיסו נכתב ונבדק עבור מבנים נמוכים ובאמצעות אנליזות ליניאריות פשוטות יחסית. מאמר זה ממחיש באמצעות מקרה בוחן כחלק ממחקר מורחב ומקיף בנושא את חשיבות הרחבת והעמקת הוראות התקן
מהנדס אורן ברזילי*
איור 1. מבנים רבי קומות – חלק אינטגרלי מהבנייה הרוויה בישראל
הקדמה
מבני מגורים רבי קומות יכולים לאכלס מאות אנשים ברגע נתון ולכן, ישנה חשיבות רבה לתפקודם התקין תחת העומסים השונים להם הם נתונים ובכללם עומסים דינאמיים עקב רעידת אדמה. מערכת ההקשחה האופקית השכיחה של מבני מגורים רבי קומות מבוססת על קירות ופירים מבטון מזוין של מעליות, חדרי מדרגות וממ"דים. בזמן רעידת אדמה מבנים אלו חשופים לתופעות דינמיות אשר לא ניתנות לניטור באמצעות אנליזות ליניאריות בסיסיות, כאלו העונות לדרישות התקן הישראלי לתכן מבנים ברעידות אדמה 413/1. התקן הישראלי נכתב ונבדק על בסיס אנליזות מפושטות שבוצעו על מבנים נמוכים. לאחרונה נוספו כלים לצורך התאמתו לתכנון מבנים גבוהים אך תפקודם לא נבדק באמצעות אנליזות לא-ליניאריות מתקדמות. בעשור האחרון נצפית עלייה ניכרת בבניית מבנים בעלי עשר עד שלושים קומות בערים השונות ברחבי ארץ ישראל, זאת לאור גידול האוכלוסייה במדינת ישראל והחוסר הגובר בשטחי הקרקעות המיועדות למגורים. על כן, גדל הצורך בהבנת תפקודם ברעידות אדמה של מבנים רבי קומות המתוכננים בישראל לצורך עדכון הוראות התקן במידת הצורך. ההיסטוריה מלמדת כי לשבר הסורי-אפריקאי באזורנו קיים פוטנציאל לייצר רעשים סיסמיים חזקים אך ככל הנראה בפערי זמן ארוכים בין האירועים. הזמן הרב בין רעידות אדמה חזקות עלול לייצר שאננות מסוכנת המעכבת את התפתחות התקינה הישראלית בנושא. במאמר זה יודגם הצורך והחשיבות שבהרחבת ועדכון הוראות התקן הישראלי, זאת באמצעות בחינה אנליטית של מבנה מגורים טיפוסי שתוכנן לפי ת"י 413/1 ונבחן באנליזות דינמיות לא-ליניאריות בזמן.
רגישות מבני מגורים רבי קומות וגישת התקן הישראלי
בזמן רעידת אדמה, העומסים הדינאמיים הפועלים על רכיבי השלד של המבנה מאלצים את המבנה לנוע על בסיס מספר צורות תנודה עיקריות הפועלות בו זמנית ושילובן מקיים מגדיר את תגובת המבנה הכוללת. מבני מגורים נמוכים מאופיינים בצורת תנודה עיקרית אחת וככל שמספר קומות המבנה וגובהו עולה כך נוספות צורות תנודה מורכבות יותר המשפיעות על תגובתו. השפעתן של צורות התנודה הנוספות ניכרות בעיקר במבנים אשר מערכת הקשחתם מבוססת על קירות ופירים מבטון מזוין, המערכת השכיחה למבני מגורים בישראל. זאת עקב היחס העולה בין זמן המחזור של צורת התנודה הראשונה לצורות התנודה הנוספות. ברעידות אדמה חזקות מבנים מתוכננים לספוג נזק, המתבטא בכך שורכיבי השלד המהווים חלק ממערכת הקשחתם נכנסים לתחום הכניעה הפלסטית. בזמן שמבנה נכנס לתחום הפלסטי, תכונות מערכת הקשחתו משתנות והשפעתן של צורות התנודה הגבוהות על תגובתו הכוללת עולה. תופעות אלו קשורות לתפקוד המבנה ברמה הגלובלית ואינן ניתנות לניטור באמצעות אנליזות ליניאריות. בנוסף, כאשר בוחנים ברמת האלמנטים המרכיבים את מערכת הקשחת המבנה, נוספות שתי תופעות עיקריות שאינן ניתנות לניטור באמצעות כלים אנליטיים בסיסיים ומשפיעות לרעה על הליך התכן ותפקוד המבנה: 1. תופעת "נדידת גזירה" – מעבר כוחות גזירה בין רכיבי הקשחת המבנה דרך הדיאפרגמות. התופעה מתרחשת בזמן שחלק מרכיבי הקשחת המבנה מפתחים התנהגות פלסטית משיכה בעוד שהשאר ששאר הרכיבים בתחום הליניארי. 2. הקושי בהערכת מקדמי הפחתת הקשיחות לחתכי הבטון הסדוקים אשר משתנים בין האלמנטים ולכל גובה המבנה, משפיעים על יחסי חלוקת העומס הסיסמי הגלובלי בין האלמנטים. לכן,עקב התופעות המתוארות, השימוש באנליזות ליניאריות בתכן לרעידות אדמה של מבנה רב קומות, עבור רעידות חזקות בעיקר (בהן רכיבי המבנה מפתחים התנהגות פלסטית גבוהה), עלול להביא להערכות שגויות על בנוגע לתפקודו וההטרחות שחווים המקסימליות על רכיביו. כיום, האנליזה הלא-ליניארית דינמית בזמן נחשבת לכלי המתקדם ביותר להערכת תגובת מבנה, ומבוססת על סט הקלטות של רעידות אדמה אשר ספקטרום התגובה הממוצע שלהם מותאם לספקטרום התכן בטווח המוגדר לפי זמן מחזור של צורת התנודה העיקרית של המבנה, כמתואר באיור 2. באמצעות שיטות נומריות האנליזה פותרת את תגובת המבנה במשך רעידת האדמה, תוך התחשבות בתכונות הלא ליניאריות של רכיביו. את נתוני תוצאות האנליזות של כלל סט הרעידות ניתן לנתח לפי הצורך. ראה לדוגמה באיור 8, עבור כל רעידה נגזר עקום ההזזות המקסימליות של הקומות בזמן, והעקום הנבחן הוא הממוצע של שבעת העקומים בסט.
איור 2. התאמת סדרת רעידות לערכי ספקטרום "פסאודו" תאוצה לתכן
מבנים חדשים נדרשים לתכנון לפי התקן הישראלי לתכנון מבנים ברעידות אדמה, ת"י 413/1 כולל גיליונות התיקון העדכניים. לפי טבלה 9 בסעיף 301.3 בתקן זה, השימוש באנליזה מודלית-ליניארית מתאים לכל המבנים בכל האזורים, כולל מבנים רבי קומות. בנוסף, קיימות מספר הוראות שאחת ממטרותיהן היא הפחתת הסיכון לתופעות הדינאמיות הצפויות שצוינו כגון: מקדם הגברה דינאמי להגדלת כוחות התכן בגזירה; "עוטף מומנטים מוגדל" למניעת התפתחות פרקים פלסטיים לגובה המבנה; ערך גבולי למקדם התכן הסיסמי (אפקטיבי בזמני מחזור גבוהים המאפיינים מבנים רבי קומות גמישים); מקדמי בטיחות לתכונות החומר; מנות זיון מינימליות באלמנטים (כמתואר באיור 3); כל זאת תוךבנוסף, ניתנים ערכים גבוליים הקשורים להסטות המבנה, ובכך הגבלת גגיאומטריית שלד המבנה מוגבלת על מנת לספק קשיחות אופקית מתאימה דרך ערכים גבוליים הקשורים להסטות המבנה. הצורך בשיפור והרחבת הוראות התקן, לפחות בתחום של רבי הקומות, ניתן לבחינה בכמה מישורים. לצורך מיקוד, מאמר זה עוסק בהשפעת שתי הנחיות דומיננטיות הנוגעות למקדם התכן הסיסמי והנחת הקשיחות האפקטיבית של המבנה בזמן רעידת אדמה.
איור 3. סיכום כלי ת"י 413/1 העיקריים התורמים להתמודדות עם התופעות הדינמיות
עקרונות הבחינה
התוצאות והמסקנות המוצגות הן לפי בחינה על מבנה מגורים רב קומות טיפוסי גנרי. הרעיון מאחורי בחירת המקרה הפשוט ביותר נובע מהצורך לבחון את השפעותיהן הישירות ככל הניתן של הוראות התקינה על תפקוד המבנה המתוכנן לפיהן ברעידת אדמה, תוך הימנעות מתופעות הקשורות באי סדירות מבנית של רכיבי השלד. קל וחומר שבחינה זו היא ייחודית, ראשונה מסוגה ולא בוצעה בעבר. לכן, עבור המקרים האמיתיים בהם מכורח המציאות המבנים מורכבים יותר, התופעות המוצגות עלולות להחריף. מאמר זה שופך אור חלקי על בחינה שנערכה כחלק ממחקר מקיף בנושא, במסגרת תואר מגיסטר, את התוצאות והמסקנות המלאות ניתן למצוא בעבודת מגיסטר של הח"מ,- "בחינה תפקודית ברעידות אדמה למבנים רבי קומות שתוכננו לפי ת"י 413/1 באנליזות דינמיות לא ליניאריות בזמן" [ברזילי א. 2022], הפקולטה להנדסה אזרחית וסביבתית הטכניון.
מבנה המגורים הנבחן ממוקם באילת, כ-3 ק"מ מ"העתק אילת" המהווה חלק מהשבר הסורי-אפריקאי. כמתואר ב- איור 4, המבנה בן שלושים קומות עיליות ושלוש קומות חנייה תת-קרקעיות המוקפות בקירות דיפון. ההנחה היא כי מבחינת הסכמה האופקית של המבנה המבנית, מערכת השלד התת-קרקעית קשיחה ביחסמהווה ריתום למערכת העל-קרקעית ומהווה לה ריתום, כך שמתקבלות הזזות וסיבובים שווים במישור מפלס הקרקע.. זאת באמצעות מערכת שלד תת קרקעית קשיחה בעלת יכולת צימוד גבוהה בין הקירות. סכמת ההקשחה האופקית העל-קרקעית של המבנה הטיפוסי מתקבלת על ידי מערכת של פירים וקירות, כאשר השפעת הצימוד בין האלמנטים נמוכה. . קומה טיפוסית כוללת רצפות מקשיות המאפשרות פעולה משותפת של רכיבי השלד האנכיים, . קונטור המבנה ריבועי בצלעות שוות של 24 מ' המקיף שטח של 576 מ"ר. בכל קומה טיפוסית ארבע דירות בשטח של כ- 110 מ"ר. מערכת ההקשחה האופקית של המבנה כוללת אלמנטים אנכיים של פירים וקירות – פיר מרכזי בחתך ריבועי חלול, ארבעה ממ"דים בחתך ריבועי חלול בפינות הקומה בכל דירה, קירות הקשחה נוספים בין דירות בחתך I. עמודי גרביטציה בחתך של 40/40 ס"מ אינם מהווים חלק ממערכת ההקשחה. לצורך פישוט מקרה הבוחן, הפירים רציפים וללא פתחי חלונות או דלתות. בפועל פתחים אלו קיימים ובנוסף, ישנם מקרים רבים בהם קיימת הפחתה בשטח הקירות בקומות התת קרקעיות המשמשות לחנייה. מטרת המחקר לבחון תפקוד מבנים המתוכננים לפי ת"י 413/1 בכדי ללמוד את השפעת הוראות התקן ולכן תוכננו על פיו בלבד. ייתכן שמבנים שגיאומטריית המבנים הנבחנים ופרטי הזיון של רכיביהם היו משתנים אילו תוכננו לפי כלל התקינה הישראלית, כגון חוקת הבטון (ת"י 466) ועומסי רוח (ת"י 414), ובהתאם תפקודם היה שונה (אולי משתפר) בזמן רעידת אדמה. מבנים אשר תוכננו לפי כלל התקינה הישראלית לא נבחנו במחקר זה, אך ראשית יתפקדו אחרת אך חשוב לוודא שכל תקן יעמוד במטרתו ללא תלות בתקנים אחרים.
איור 4. סכמת מבנה טיפוסי פשוט לבחינה
לצורך תכנון מיטבי ופרקטי גם יחד, פרטי הזיון בחתכי הקירות השונים משתנים לגובה המבנה כל 5 קומות, במידת האפשר, ובהתאם לדרישות הזיון המינימליות. החתכים תוכננו בהתאם לעומסי התכן לפי הוראות ת"י 413/1. בשלב הבא, חושבו קשיחותם ותסבולתם האופיינית של החתכים לגובה המבנה (תוך התעלמות ממקדמי הביטחון לתכונות החומרהתחשבות בתכונות חומר אופייניות, וכולל התחשבות בתסבולת האלמנטים לכפיפה דו-ציריתמשופעת ביחס לוכוחות הציריים הקיים עקב עומסי הגרביטציה) ויושמו במודל לא-ליניארי שעליו הופעלו אנליזות דינמיות בזמן של סט רעידות אדמה המותאמות לספקטרום התגובה. התכנון לפי שיטת התקן הישראלי מייעד לחתכים שבבסיס המבנה (בקומות התחתונות) לפתח התנהגות פלסטית לא-ליניארית. באזורים הפינתיים הנקראים "אזורים רגישים", בהם חתך הבטון צפוי לקבל עיבורים גבוהים, ניתנים פרטי זיון הכולאים את הבטון ומשפרים את תכונותיו – מבחינת חוזק ועיבור המעיכה. ב-איור 5 מוצגים לדוגמה פרטי הזיון של חתך פיר מרכזי בבסיס אחד המבנים הנבחנים במחקר אשר תוכנן לפי הנחיות התקן. בנוסף, מוצג גרף מומנט-עקמומיות שלו תחת הכוח הצירי והכפיפה המשופעת (העקום הירוק). מגרף זה נגזר העקום הבי-ליניארי האקוויוולנטי (העקום הכחול) שבאמצעותו נגזרה הקשיחות האפקטיבית לחתך הבטון הסדוק בקומה זו (שימוש בתוכנת GSD מבית MidasGen).
איור 5. תכנון חתך פיר ב"אזור הרגיש" ובחינה לא-ליניארית לתסבולתו האופיינית
אפיון המבנה בשלב התכן ביחס לתפקודו המציאותי ברעידת אדמה
הקשיחות האפקטיבית של חתך הבטון הסדוק תלויה בכמה גורמים כגון: הכוח הצירי בחתך, גיאומטריית החתך ופרטי הזיון. לפי הנחיות סעיף 203.4 בת"י 413/1 ניתן לקבוע את קשיחות הרכיבים בהתחשב במחצית קשיחות החתך הלא סדוק. זוהי הגישה הנפוצה בקרב המהנדסים בתכן מבנים לרעידות אדמה. למודלים האנליטיים שהוכנו לצורך ביצוע האנליזות הלא-ליניאריות בזמן, ניתנה הקשיחות האפקטיבית לחתך הבטון הסדוק לפי החישוב המוצג באיור 5. באיור 6 מוצגים מקדמי הפחתת קשיחות לבטון הסדוק (ציר רוחבי) המחושבים לגובה המבנה (ציר אנכי) עבור המבנה הנבחן לאלמנטים השונים (W1 – קיר הקשחה מפריד בין דירות, PR – הפיר המרכזי, MMD – ממ"ד). ניתן לראות כי ערכי המקדמים המחושבים נמוכים מערך המקדם 0.5 באופן גורףלכל גובה הבניין, ובשל כך המבנה הנבחן בפועל גמיש יותר ובהתאם זמני המחזור של צורות התנודה ארוכים מאלו שהונחו בשלב התכנון. בנוסף, ערכי המקדמים משתנים בין האלמנטים כך שיחס חלוקת ההטרחות הגלובליות בין האלמנטים משתנה לעומת שלב התכן שבוצע לפי הנחיות התקן. סדיקת הבטון מתפתחת בזמן רעידת אדמה. בשלבים הראשונים של הרעידה, כאשר הסדיקה בהיקף קטן יחסית, קשיחות המבנה גדולה ביחס לשלבים המתקדמים, כאשר המבנה חווה התנהגות פלסטית וסדיקה נרחבת. היקף סדיקת הבטון ובכלל הקשיחות האפקטיבית של המבנה בהתחשב בתפקודו הלא ליניארי תלוי בעוצמת הרעידה. כלומר, לא ניתן לייחס לרכיבי השלד השונים ערך סופי לקשיחותם בזמן רעידה אדמה אך למרות זאת, חשוב לנסות להגיע לערכים ריאליים ככל הניתן (כגון השיטה המתוארת באיור 5) שכן השפעתם על הערכת תפקוד המבנה קריטית.
איור 6. מקדמי הפחתת הקשיחות לחתכי הבטון הסדוק לגובה המבנה
באיור 7 מוצג ספקטרום ההזזה באילת עבור תכן מבנה מגורים רב קומות בעל רמת חשיבות ב' (עקום כחול מלא) – עקום זה מאפיין את ההזזה המקסימלית בזמן הצפויה למודל בעל דרגת חופש אחת. בעקום המנוקד מוצג ספקטרום ההזזה של מקדם התכן הסיסמי המתאים לתכנון אותו המבנה באילת אשר מוכפל במקדם הקטנת הכוח K – עקום זה מייצג בקירוב את הערכת ההזזות הצפויה להתקבל בשלב התכן. לפי שיטת התקן, המהנדס לא מאבחן את המבנה ישירות מול ספקטרום התגובה אלא על פי ספקטרום מקדם התכן הסיסמי. ערך המקדם תלוי ברמת חשיבות המבנה (I) ורמת המשיכות (K). בנוסף, המקדם נתון לערך גבולי מינימלי כמתואר בסיכום כלי התקן ב-איור 2. כאשר בוחנים בשלב התכן הזזות והסטים קומתיים, מכפילים את ההזזות המתקבלות מהאנליזה במקדם הקטנת הכוח K. הנחייה זו נובעת מהנחת יסוד כי ההזזות שיחווה מבנה המפתח התנהגות פלסטית שוות בקירוב למבנה זהה ליניארי לחלוטין. אלא שבבסיס הנחיה זו (שבמקרים מסוימים סבירה) קיימת התעלמות מכך שלמקדם התכן הסיסמי ערך גבולי אשר אפקטיבי בזמני מחזור ארוכים – המאפיינים מבנים רבי קומות. לכן, מתקבלת "התבדרות" של ספקטרום הזזת התכן בזמני מחזור גבוהים. כלומר, המהנדס מקבל בשלב התכן אינדיקציה להזזות גבוהות ביחס להזזות הריאליות הצפויות ועלול להחמיר עם גיאומטריית השלד בכדי לעמוד במגבלות התקן. נשים לב כי מלכתחילה למהנדס עלולה להיות אינדיקציה שגויה לגבי קשיחות המבנה עקב הערכה לקויה של מקדמי הפחתת הקשיחות לבטון הסדוק. קו התכלת המלא מסמן את זמן המחזור שהתקבל בהליך התכנון לפי ת"י 413/1 עם מקדם הפחתת קשיחות כולל (0.5) לחתכי הבטון הסדוק, וקו התכלת המקווקו מסמן את זמן המחזור של המבנה אשר התקבל לפי הנחת קשיחות אפקטיבית המחושבת מביצוע אנליזה לא-ליניארית לחתכי האלמנטים. משום כך, עבור מקרה זה ההערכה השגויה של קשיחות המבנה מרסנת את תופעת ה"התבדרות" לספקטרום הזזת התכן.
איור 7. השוואת הערכת הזזות צפויות למבנה בשלב התכן ולמקרה הריאלי
נראה כי התחזית הרעיונית באה לידי ביטוי בתוצאות המחקר. ב-איור 8 ואיור 9 מוצגים לצורך השוואה שני תרשימים של הזזות ממוצעות המתקבלות באנליזות הדינמיות בזמן (עקום שחור מלא) למול הזזות המתקבלות בשלב התכן (אדום מקווקו). בתרשימים באיור 8 מוצגת השוואת הזזות עבור מבנה אשר תוכנן באופן מלא לפי הנחיות התקן, כולל התחשבות בערך הגבולי למקדם התכן הסיסמי, ובאיור 9 מוצגת השוואת הזזות עבור מבנה אשר תוכנן לפי הנחיות התקן אך בהתעלם מהערך הגבולי למקדם התכן הסיסמי. כפי שניתן לראות, עבור המבנה שתוכנן באופן מלא לפי הנחיות התקן, ניכר כי ההזזות שהונחו בשלב התכן גבוהות משמעותית מההזזות המתקבלות באנליזות הדינמיות, זאת עקב "התבדרות" ספקטרום ההזזה. כאשר המבנה תוכנן בהתעלמות מהערך הגבולי של מקדם התכן הסיסמי, ההזזות שהתקבלו בשלב התכן היו נמוכות מאלו המתקבלות באנליזות הדינמיות. זאת עקבהסיבה לכך היא הערכת יתר לקשיחות המבנה בשלב התכן, הנובעת מהשוני בערכי מקדמי הפחתת הקשיחות לבטון הסדוק.
איור 8. השוואת הזזות עבור מבנה שתוכנן בהתאם להנחיות המלאות של ת"י 413/1
איור 9. השוואת הזזות עבור מבנה שתוכנן בהתאם להנחיות ת"י 413/1 ללא הערך הגבולי למקדם התכן הסיסמי
באיור 10 מוצג בעקום כחול מלא ספקטרום "פסאודו" התאוצה באילת עבור תכן מבנה מגורים רב קומות בעל רמת חשיבות ב'. עקום זה מאפיין את הכוח המקסימלי המתפתח בזמן עבור מודל בעל דרגת חופש אחת. בעקום המנוקד מוצג הספקטרום של מקדם התכן הסיסמי המתאים לתכנון אותו המבנה באילת, מוכפל במקדם הקטנת הכוח .K עקום K מייצג בקירוב את כוח הגזירה הגלובלי הצפוי להתקבל בהליך התכן. כאשר בוחנים בשלב התכן את כוחות הגזירה המתפתחים, מכפילים את הערכים המתקבלים במקדם הגברה הדינאמי, כלי הקיים בתקן על בסיס נוסחת "קיינצל" (Keintzel 1990), שנועד להגדלת כוחות התכן לגזירה תוך התחשבות בתופעות הדינאמיות הצפויות עקב תרומת צורות התנודה הגבוהות. במקרה הנבחן, מקדם ההגברה הדינאמי שווה בערכו למקדם הקטנת הכוח K. כמו במקרה של הזזות כך גם מבחינת כוחות גזירה גלובליים קיים צפי רעיוני לקבלת ערכי תכן גבוהים מהערכים הריאליים באחוזים משמעותיים. נראה כי מבחינת הערכת כוחות גזירה, למרווח הביטחון שמייצר הערך הגבולי למקדם התכן הסיסמי יש דווקא השפעה חיובית. כפי שהוסבר קודם לכן, האנליזה המודלית-ליניארית היא כלי מוגבל בניטור תופעות דינאמיות – הן ברמה הגלובלית (מבחינת הערכת השפעת כלל צורות התנודה על התגובה הכוללת) והן ברמת האלמנטים (מבחינת חלוקת הטרחות התכן בין האלמנטים ותופעת "נדידת גזירה"). קו התכלת המלא מסמן את זמן המחזור שהתקבל לפי הנחת הליך התכנון למקדם הפחתת קשיחות כולל (0.5) לחתכי הבטון הסדוק, וקו תכלת מקווקו את זמן המחזור של המבנה אשר התקבל לפי הנחת קשיחות אפקטיבית המחושבת מביצוע אנליזה לא-ליניארית לחתכי האלמנטים. במקרה זה, הערכת היתר של קשיחות המבנה בזמן רעידת אדמה בשלב התכן מגדילה את מרווח הביטחון המתקבל.
איור 10. השוואת הערכת כוחות תכן צפויים למבנה בשלב התכן ולמקרה הריאלי
ניתן לראות את התופעות המתוארות כפי שהן באות לידי ביטוי בתוצאות המחקר. באיור 11 ואיור 12 מוצגים לצורך השוואה תרשימי כוחות גזירה גלובליים ממוצעים לכל כיוון המתקבלים באנליזות הדינמיות בזמן (כחול בהיר וכחול כהה) למול כוחות תכן (אדום מלא). בתרשימים המוצגים באיור 11 מוצגת השוואת כוחות גזירה גלובליים עבור מבנה אשר תוכנן באופן מלא לפי הנחיות התקן, כולל התחשבות בערך הגבולי למקדם התכן הסיסמי, ובאיור 12 השוואת כוחות גזירה גלובליים עבור מבנה אשר תוכנן לפי הנחיות התקן אך בהתעלם מהערך הגבולי למקדם התכן הסיסמי. כפי שניתן לראות, עבור המבנה שתוכנן באופן מלא לפי הנחיות התקן, מרווח הביטחון הצפוי בין כוחות התכן לכוחות האופייניים לא שווה בכל גובה המבנה., ובקומות הגבוהות מרווח הביטחון לא קיים. כלומר, לא מובטח כי הערך הגבולי למקדם התכן הסיסמי יבטיח מרווח בטחון מבחינת כוחות גזירה גלובליים לכל גובה המבנה. ובקומות התחתונות קיים מרווח קטן ביחס לקומות האמצעיות וזאת בשל ההשפעה הגבוהה בשלב התכן של צורת התנודה הראשונה אשר מוגברת עקב הערך הגבולי למקדם התכן הסיסמי. לצורת התנודה הראשונה אפקטיביות נמוכה בקומות הגבוהות ולכן באזורים אלו הפער צומצם. ניתן להבחין כי כאשר המבנה תוכנן בהתעלמות מהערך הגבולי למקדם התכן הסיסמי, מהלך כוחות הגזירה הממוצעים המתקבלים מהאנליזות הדינמיות גבוה ממהלך כוחות התכן לכל גובה המבנה. הפרשים אלו מתקבלים עקב השפעה גדולה יותר של צורות התנודה הגבוהות על התגובה הכוללת ביחס לזו שהוערכה בשלב התכן. השוני בהערכה נובע משתי סיבות עיקריות: 1. אחוז השתתפות גבוה של צורות התנודה הגבוהות מזה שהוערך באנליזתמוגבלות האנליזה המודלית-ליניארית, זו שבוצעה בשלב התכן. (כניסת רכיבי המבנה לתחום הפלסטי תורמת לתופעה כפי שתואר בהקדמה). 2. ערכי השוני בין רעידות אדמה אמתיות לבין ספקטרום תגובה לתכן – עקום סינטטי.ספקטרום התכן ל"פסאודו" התאוצה לוקים בחסר ביחס לערכים הצפויים באתר. ברעידות אדמה מציאותיות, קיימת סבירות גבוהה להגדלה בערכי "פסאודו" התאוצה בזמני מחזור אפקטיביים לצורות התנודה הגבוהות, אשר מעלים את השפעתם על התגובה הכוללת של המבנהכך שהשפעת צורות התנודה על התגובה הכוללת תגדל. ראה באיור 2 עקום ספקטרום ממוצע של סט הקלטות רעידות האדמה (עקום כחול מקווקו) ביחס לספקטרום התגובה לתכן (עקום שחור) בזמני מחזור שבין 0.5 ל-1.5.
איור 11. השוואת כוחות גזירה גלובליים עבור מבנה שתוכנן בהתאם להנחיות המלאות של ת"י 413/1
איור 12. השוואת כוחות גזירה גלובליים עבור מבנה שתוכנן בהתאם להנחיות ת"י 413/1 ללא הערך הגבולי למקדם התכן הסיסמי
עם זאת, ייתכן כי במקרים מסוימים הערך הגבולי למקדם התכן הסיסמי לא יספיק בכדי לספק מעטפת ראויה להטרחות הגזירה שיתקבלו באלמנטים. דוגמה לכך מופיעה ב-איור 13 אשר מתאר תוצאות לבחינת מבנה דומה שתוכנן לפי הוראות מלאות של ת"י 413/1 במפרץ חיפה – אזור סיסמי נמוך ביחס לאילת אך חתך הקרקע באזור זה עלול לייצר עליות של ערכי ספקטרום "פסאודו" התאוצה בזמני מחזור גבוהים, כאלו המאפיינים צורות תנודה של מבנים רבי קומות. הערך הגבולי למקדם התכן הסיסמי אינו תלוי במאפייני הקרקע ובסיכוי לקבלת עליות אלו ועלאתר המבנה ועל כן הוא קטן נמוך במפרץ חיפה לעומת האתר הנדון באילת כמשל. בבחינת אחד האלמנטים (W1) של המבנה הטיפוסי הנבחן במפרץ חיפה ניתן לראות כי מהלך הגזירה חוצה את כוחות התכן בבסיס הקיר. כאשר בוחנים ברמתבוחנים את הטרחות הגזירה ה ברמת האלמנטים נחשפים לתופעות נוספות אשר אינן מופיעות ברמה הגלובלית. תופעת "נדידת גזירה" מתרחשת כאשר אחד או מספר אלמנטי הקשחת השלד נכנעים ומפתחים התנהגות פלסטית בזמן ששאר האלמנטים או חלקם בתחום הליניארי. במצב זה, עקב הימצאות דיאפרגמות בקומות השונות אשר נלחצות או נמתחות ומאלצות הזזות שוות לכלל רכיבי הקשחת המבנה, עלולים להתפתח ברכיבים כוחות גזירה נוספים ומשמעותיים. זאת כתוצאה מהשינוי בסכמת הקשחת המבנה עם קבלת תוספת כוח דינאמי המתקבל במהלך רעידת האדמה. ניתן לראות את תוספת כוחות הגזירה בתרשים המוצג. חשוב לציין כי השפעת התופעה יכולה להיות מופחתת עקב הסיבות הבאות: 1. קשיחות משתיירת של האלמנטים בזמן כניסתם לתחום הפלסטי אשר לא נלקחה בחשבון במודל האנליטי 2. האורך האפקטיבי שבו מתפתח הפרק הפלסטי שונה מההערכה.
איור 13. השוואת כוחות גזירה לרכיב הקשחה של מבנה שתוכנן בהתאם להנחיות ת"י 413/1 ללא הערך הגבולי למקדם התכן הסיסמי
לסיכום
מאמר זה ממחיש באמצעות מקרה בוחן פשוט כחלק ממחקר מורחב ומקיף בנושא את חשיבות הרחבת והעמקת כלי ת"י 413/1 לתכנון מבנים ברעידות האדמה. כיום מבנים רבי קומות מהווים חלק אינטגרלי מהבנייה הרוויה בישראל ובעלי רמת חשיבות גבוהה עקב כמות אנשים גדולה המאכלסים אותם. מבנים אלו רגישים לתופעות דינאמיות אשר אינן ניתנות לניטור באנליזות ליניאריות מפושטות ועלולות להחמיר ככל שהמבנים יותר מורכבים. התקן הישראלי לתכנון מבנים ברעידות אדמה בבסיסו לא מתאים ואינו נכתב עבור מבנים רבי קומות, לאחרונה נוספו בו כלים והוראות אשר נועדו לגשר על הפערים. במקרים מסוימים, כלי התקן מספקים מענה לבעיות הקשורות בתופעות דינאמיות ובמקרים אחרים, עלולים לגרום לבזבזנות מיותרת ולתכנון שמרני יתר על המידה. כמו כן, יעילות כלי התקן יכולה להשתנות מאזור לאזור, כאשר נוספים למשוואה סיכונים גיאולוגיים כגון הגברות האתר הספציפי. ראינו כי השימוש בכלים לא הנדסיים כגון הערך הגבולי למקדם התכן הסיסמי, ביחד עם הערכה לוקה בחסר של קשיחות המבנה האופיינית ברעידת אדמה, עלול להביא לספק למהנדס המתכנן תמונה שונה לחלוטין על תפקודו הריאלי של המבנה. בתקן חסרים כלים לאפיון המבנה בזמן רעידת אדמה אשר יכולים להשפיע רבות על הליך התכן ויש להרחיבם, כגון הנחות הנוגעות לקשיחות האפקטיבית של המבנה, לאינטראקציה עם הקרקע, ליכולת המשיכות הספציפית לכל אלמנט ועוד. עם הרחבת דרישות התכן לאפיון תפקוד המבנים ברעידת אדמה ועדכון קריטריונים לתכנון נוספים כגון: תכן תפקודי למספר רמות סיכון, שימוש באנליזות לא-ליניאריות מתקדמות, ביצוע סקר אתר ספציפי ועוד, תשתפר הערכת סיכון המבנים לרעידות אדמה אשר תוביל לתכנון מבנים באופן יעיל, חסכוני ובטוח יותר.
