תקציר: המחקר מתייחס להתנהגות מבנים עם תקרות לוח"דים לעומסים קיצוניים הכוללים רעידת אדמה ונטרול אלמנט נושא עקב פיצוץ העלול לגרום להתמוטטות בשרשרת. רעידת אדמה עלולה להיות מקור לסכנה לחיי אדם ולמבנים, כפי שהתרחש ברעידות אדמה חזקות בעולם בהן מבנים רבים התמוטטו או נפגעו קשה למוות של מספר רב של אנשים. נושא ההתמוטטות בשרשרת מהווה נושא חשוב לבירור מכיוון שהוא עלול לגרום לכשל לא פרופורציונאלי של חלק גדול או כל המבנה עקב הרס (נטרול) של עמוד או אלמנט נושא חשוב אחר בעקבות אירוע מלחמה, טרור ואף פיצוצים לא מכוונים כגון פיצוץ של מכל גז עקב תאונה. בעבודה הקודמת [Reichman & Adan, 2014] בחנו את העמידות של מבנה רב קומות עם קורות ותקרות מבטון מזוין יצוק באתר להטרחות של רעידת אדמה ונטרול עמוד. בעבודה זו בחנו את העמידות של מבנים הבנויים מתקרות לוח"דים על קורות טרומיות לעומסים אלה.



עמידות תקרות לוח"דים ברעידות אדמה

לצורך איתור הידע העדכני בנושא תגובת מבנים עם תקרות לוחד"ים לרעידות אדמה, ערכנו סקר ספרות מקיף שכלל מספר רב של עבודות תיאורטיות וניסוייות שבוצעו בעולם. הסתבר שעיקר העבודות בוצעו בניו זילנד ובארה"ב. עבודות אלה החלו לאחר רעידת האדמה בנורת'רידג' בשנת 1994 בה נכשלו מספר רב של מבני לוח"דים אשר שימשו בעיקר כמבני חניה גדולים בעלי מפתחים גדולים. עבודות אלה כללו בעיקר ניסיון לזהות את אופני הכשל האופייניים של מבני לוח"דים ברעידות אדמה. הסתבר שקיימות מספר סיבות לכשל של מבני לוח"דים ברעידות אדמה, אולם העיקרי שבהם שלגביו נמצאו עדויות בכשלים שנצפו בנורת'רידג' הוא כשל של הדיאפרגמה האופקית של תקרת הלוח"ד. התקרה בפעולתה כלוח מעבירה את העומסים האופקיים אל מערכת ההקשחה (קירות הקשחה, גרעינים או מסגרות) וכשל נגרם לעיתים קרובות עקב חוסר משיכות של הרשת הזיון העליונה הממוקמת בתוך הטופינג מעל ללוח"דים. אופני כשל נוספים במבני לוח"דים כללו התנתקות מהתושבת עקב שבירה של התושבת או החלק של הלוח"ד המונח על התושבת; כשל בפיתול וכשל בגזירה של לוח"דים קיצוניים עקב שקיעה הבדלית בין הלו"חד לבין קורה אורכית (מקבילה) הצמודה אליו הנובעת בין היתר ממהתארכות של הקורות בעקבות היווצרות פרק פלסטי; ונפילת הלוח"ד מהתושבת שלו.



בעקבות מחקרים אלה שונו באופן משמעותי התקנים לתכן רעידות אדמה של מבני לוח"דים ומבנים טרומיים. בארה"ב שונה תקן ACI 318 והנחיות התכן של ה – PCI (Prestressed Concrete Institute) ובניו זילנד שונה התקן NZS 1170.5 והנחיות התכן.

בעבודה ערכנו השוואה בין ההנחיות הקיימות בתקנים ACI 318 NZS 1170.5 ו-NZS 3101 ובתקנים הישראלים הקיימים בנושא ת"י 466 חלק 4 ו-5 העוסקים בנושאי מבנים טרומיים ותקרות לוח"דים. מטרת ההשוואה הייתה לזהות את החסרים הקיימים בתקנים הישראלים בנושא זה ובעקבות כך להכין המלצות לבצע שינויים מתאימים בתקנים הישראלים הרלוונטיים. שינויים אלה אמורים להביא לידי ביטוי את העובדה שמבנה לוח"דים אינו מבנה אינטגרלי ומונוליטי, וקיימות מספר נקודות חולשה לאורך נתיבי זרימת הכוחות שבהן עלול להתרחש כשל. כמו נערכה בחינה של הפרקטיקה המקובלת בארץ בנושא זה עם משרדי תכנון העוסקים בנושא זה.



מניעת התמוטטות בשרשרת במבנים עם תקרות לוח"דים

בנושא מניעת התמוטטות בשרשרת בחנו בעבודה הקודמת [Reichman & Adan, 2014] את השיטות השונות המומלצות ע"י תקןUFC 4-023-03 לבדיקת עמידות מבנים להתמוטטות בשרשרת עקב נטרול בעמוד נושא בקומת הקרקע. השיטות לביצוע בדיקה זו משתנות בין מהשיטה העקיפה הפשוטה ביותר שמבוססת על ביצוע קשירה של המבנה על ידי חגורות בכל הכיוונים, ועד לשיטת תכן ישירה לנתיב חלופי תוך התפתחות פרקים פלסטיים בקורות ובתקרות.

האנליזה של המבנה עשויה להיות סטטית לינארית עבור מבנים פשוטים וסדירים ועד אנליזה דינאמית לא לינארית מלאה. בעבודה הקודמת ביצענו אנליזה דינאמית לא לינארית מלאה לבחינת קיימות של נתיב חלופי במבנה רב קומות מבטון מזויין עם תקרות שטוחות, ובעזרתה בחנו את ההשפעות הסטטיות והדינאמיות הפועלות על המבנה עקב הסרת העמוד.

בעבודה הנוכחית בחננו האם עשויה להתפתח פעולת שרשריה (Catenary) בקורות לאחר נטרול העמוד (המהווה מנגנון שווי משקל חלופי נוסף לפרקים הפלסטיים) והאם היא עשויה לבלום את התפשטות הכשל של התקרה ולמנוע התמוטטות בשרשרת. עם נטרול העמוד ותחילת שקיעת הקורה, עשויים להתפתח פרקים פלסטיים בקצות הקורה בעלת המפתח הכפול (הנובע מכשל העמוד האמצעי) במידה וקיימים פרטי זיון משיכים הדרושים פרקים פלסטיים. אולם המומנטים הפלסטיים הנוצרים לרוב אינם מספיקים לקיום שו"מ במפתח הכפול, והקורות ממשיכות לשקוע. עם הגידול שקיעת הקורות עשוי להתפתח מנגנון שיווי משקל חלופי במתיחה של הקורות המכונה שרשריה (או פעולת כבל), הבולם את נפילת הקורה.

במידה ויש מספיק זיון שיכול לעבוד במתיחה ויש יכולת להעביר את הכוחות בצמתים ואל שאר המבנה המערכת יכולה להגיע לשיווי משקל יציב ולהיות תלויה באמצעות הזיון - למרות שהקורה עברה את שלב הכשל בכפיפה. מצב זה מלווה בשקיעות גדולות.

בעבודה הנוכחית בוצע סקר ספרות ואותרו עבודות אנליטיות וניסוייות בנושא התכנות התפתחות שרשריה במסגרות מבטון מזוין. הניסויים הראו תהליך כשל הדרגתי של הקורה במספר שלבים עד להיווצרות כשל מלא. תהליך הכשל של מסגרות (קורות ועמודים) לאחר נטרול עמוד



נושא מתאפיין בחמישה שלבים המתרחשים עם הגידול בשקיעה, הכוללים:

א. התנהגות אלסטופלסטית;

ב. התפתחות פרקים פלסטיים;

ג. התפתחות קשת לחוצה בקורות;

ד. פעולת שרשריה בקורות העשויה לבלום את הכשל; או

ה. התמוטטות המסגרת – במידה והשרשריה נכשלת במתיחה.

בעקבות המסקנות מסקר הספרות בוצעה חקירה של מבנה בוחן (פיקטיבי), המתוכנן בשיטות ולפי הפרטים הטיפוסיים של מבני לוח"דים בישראל. תקרת הלוח"דים נבחנה כאשר היא נשענת בשלב ראשון על קורות טרומיות דרוכות, ובשלב שני על קורה יצוקה באתר.

בבחינה שנערכה לקורות הטרומית הדרוכות נמצא שכוח המתיחה שנוצר בצמתים בשלב השרשריה גדול מאד (קרוב לכוח הדריכה). להערכתנו כוחות אלה גדולים באופן משמעותי מהכוחות שיכול להעביר צומת קורה-עמוד, כאשר מעבר הכוחות בצומת מתבצע באמצעות גדילי הדריכה המכופפים של הקורה הטרומיות וזיון רך עליון. לדעתנו העיגון הקיים בצומת זה אינו מספיק בכדי להעביר את הכוחות הדרושים ובעיקר כאשר נוצרת סדיקה עקב הסיבוב הגדול המתפתח בצומת. נושא זה לא נחקר בספרות, והוכחת העמידות יכולה להיות מוכחת בניסוי בלבד. לעומת זאת, ניסויים מוכיחים שקורות יצוקות באתר עם זיון אורכי מספיק ופרטי זיון נכונים עשויות לפתח פעולת שרשריה שתבלום את נפילת הקורה.



בנוסף לבחינה של הקורות נבדקה ההתנהגות של הלוחד"ים בהנחה שהקורות הנושאות אותם מגיעות למצב שיווי משקל של שרשריה. במצב זה, המתאפיין בשקיעות וסיבובים גדולים של הקורות, הלוח"דים מתפתלים עקב סיבוב יחסי בין הסמך הפנימי שהוא קיר או קורה שאינה מסתובבת לבין הסמך החיצוני שמסתובב עקב התפתחות שרשריה בקורות. הלוח"ד רגיש מאוד לפיתול, מאחר ואין בו זיון רוחבי או אנכי, ולכן הוא עלול להיסדק ולהיכשל בגזירה עקב פיתול.



זווית הפיתול הגורמת לסדיקה בפיתול של הלוח"ד במבנה הבוחן חושבה והושוותה לזווית הפיתול הצפוייה להיווצר בלוח"ד עקב התפתחות שרשריה. במקרה הבוחן שבדקנו נמצא שזווית הפיתול הנוצרת בלוח"ד עקב השרשריה גדולה בהרבה מתסבולת הפיתול של הלוח"ד, ולכן גם אם הקורה לא תכשל ותגיע למצב של שיווי משקל יציב - הלוח"דים צפויים להיכשל בפיתול וליפול. מצב זה עלול לגרום להתמוטטות בשרשרת של אגף שלם של הבניין לכל גובהו.

יחד עם זאת עשוי להיות מצב שגורמים אחרים ימנעו את התפתחות הכשל כלפי מעלה כגון במקרה של קירות בני במעטפת המבנה. במידה וקיר הבני המשכי ומספיק חזק עשוי להיווצר מצב של קשת לחוצה (arching) או אלכסוני לחץ בתוך הקיר המסוגלים לגשר על המפתח המוגדל.

בנוסף לכך בוצעה בדיקה של המדיניות הנהוגה בעולם לדירוג חשיבות המבנים מבחינת תכן למניעת לכשל בשרשרת, וזאת על מנת להשוות אותה עם המדיניות הנהוגה בישראל. הגישה המקובלת בארה"ב ובאירופה בנושא זה היא על ידי חלוקת מלאי המבנים ל-4 דרגות חשיבות מבחינת מניעת התמוטטות בשרשרת, על פי ייעוד המבנה, אכלוס המבנה, שטח קומה ומספר קומות. במבנים בעלי חשיבות נמוכה אין דרישות מיוחדות לתכן למניעת התמוטטות בשרשרת. במבנים בעלי דרגות החשיבות הגבוהות יותר הדרישות נעות בין דרישות בסיסיות לתכן עקיף (לדוגמה חגורות המשכיות) ועד דרישות מחמירות לתכן ישיר (לדוגמה הערכת סיכונים מלאה עם תכן מלא של מסלול חלופי). ההיגיון בדרישות אלה נעוץ בעובדה שככל שהמבנה הוא חשוב יותר והתמוטטותו בשרשרת עלולה לגרום לפגיעה באוכלוסייה גדולה, לפגוע בשירות חשוב מאוד או להוות נזק כלכלי גדול, דרישות התכן צריכות להיות מחמירות יותר (עד לרמה של אנליזה דינאמית לא לינארית של מסלול חלופי להעברת כוחות במבנים חשובים מאוד).



מבחינת דרישות התקנים בישראל לגבי מניעת התמוטטות בשרשרת נמצא שגישה זאת לדירוג אמצעי התכן לפי חשיבות המבנה לא קיימת. התקנים מתייחסים לכל המבנים באופן שווה, ללא התחשבות באופי האכלוס שלהם, בשטחם וכדומה. לפי דעתנו יש לאמץ את הגישה בתקנים הזרים גם בישראל.



לפיכך, גובשו המלצות לשלב גישה זו של דרגות שונות של בדיקה לכשל בשרשרת על פי דרגות חשיבות שונות בתקן הישראלי. כמו כן נכללו המלצות לשיפור תכן מבנים הכוללים תקרות לוח"דים למניעת התמוטטות בשרשרת.

שנת פרסום: 2014

הפניה: תכן של בנינים מבטון עם תקרות לוח"דים לשיפור עמידותם בעומסי רעידת אדמה ומניעת התמוטטות בשרשרת עקב אירועי מלחמה וטרור