التفاعل بين التربة والبنية

يتألف تفاعل التربة مع المنشأة ( SSI ) من التفاعل بين التربة (الأرض) والمنشأة المشيدة عليها. وهو في الأساس تبادل للإجهاد المتبادل ، حيث تتأثر حركة نظام التربة والمنشأة بنوع كل من التربة ونوع المنشأة. وينطبق هذا بشكل خاص على المناطق المعرضة للنشاط الزلزالي . يمكن لتراكيب مختلفة من التربة والمنشأة أن تزيد أو تقلل من الحركة والأضرار اللاحقة. فالمبنى المقام على أرض صلبة، على عكس المبنى المقام على أرض قابلة للتشوه، يميل إلى التعرض لأضرار أكبر. ومن آثار التفاعل الأخرى، المرتبطة بالخصائص الميكانيكية للتربة، هبوط الأساسات، الذي يتفاقم بفعل الزلزال. وتُعرف هذه الظاهرة بتسييل التربة .

تتضمن معظم منشآت الهندسة المدنية نوعًا من العناصر الإنشائية المتصلة مباشرة بالأرض. وعندما تؤثر قوى خارجية، كالزلازل ، على هذه الأنظمة، فإن الإزاحات الإنشائية والإزاحات الأرضية لا تكون مستقلة عن بعضها البعض. وتُعرف العملية التي يؤثر فيها استجابة التربة على حركة المنشأة، وتؤثر فيها حركة المنشأة على استجابة التربة، بتفاعل التربة مع المنشأة (SSI) . ^{[ 1 ]}

تتجاهل أساليب التصميم الإنشائي التقليدية تأثيرات تفاعل التربة مع المنشأ. يُعدّ تجاهل هذا التفاعل منطقيًا بالنسبة للمنشآت الخفيفة في التربة الصلبة نسبيًا، مثل المباني المنخفضة والجدران الاستنادية البسيطة. إلا أن تأثير تفاعل التربة مع المنشأ يبرز بشكل واضح في المنشآت الثقيلة التي ترتكز على تربة رخوة نسبيًا، مثل محطات الطاقة النووية والمباني الشاهقة والطرق السريعة المرتفعة على التربة الرخوة. ^{[ 2 ]}

أظهرت الأضرار الناجمة عن الزلازل الأخيرة ، مثل زلزال كوبي عام 1995 ، أن السلوك الزلزالي للمنشأة يتأثر بشكل كبير ليس فقط باستجابة البنية الفوقية، بل أيضاً باستجابة الأساسات والتربة. ^{[ 3 ]} ولذلك، تنصّ معايير التصميم الزلزالي الحديثة، مثل المواصفات القياسية للمنشآت الخرسانية: التحقق من الأداء الزلزالي JSCE 2005 ^{[ 4 ]} ، على ضرورة إجراء تحليل الاستجابة مع مراعاة النظام الإنشائي بأكمله، بما في ذلك البنية الفوقية والأساسات والتربة.

يُعتقد تقليديًا أن تفاعل التربة مع المنشأ (SSI) تأثيرٌ مفيدٌ بحت، ويمكن إهماله بسهولة في التصميمات المحافظة. تُعدّ أحكام تفاعل التربة مع المنشأ في قوانين التصميم الزلزالي اختيارية، وتسمح للمصممين بتقليل قوى القص القاعدية التصميمية للمباني من خلال اعتبار تفاعل التربة مع المنشأ تأثيرًا مفيدًا. الفكرة الأساسية وراء هذه الأحكام هي إمكانية استبدال نظام التربة والمنشأ بنموذج مكافئ ذي قاعدة ثابتة، يتميز بدورة أطول ونسبة تخميد أكبر عادةً. ^{[ 5 ] [ 6 ]} تستخدم معظم قوانين التصميم أطياف تصميم مبسطة للغاية، تصل إلى تسارع ثابت حتى دورة معينة، ثم تتناقص بشكل مطرد مع الدورة. إن مراعاة تفاعل التربة مع المنشأ يجعل المنشأ أكثر مرونة، وبالتالي يزيد من دورته الطبيعية مقارنةً بالمنشأ المقابل المدعوم بشكل صلب. علاوة على ذلك، فإن مراعاة تأثير تفاعل التربة مع المنشأ يزيد من نسبة التخميد الفعالة للنظام. يُشير التبسيط المُبسّط لطيف التصميم إلى استجابة زلزالية أقل مع زيادة الفترات الطبيعية ونسبة التخميد الفعّالة نتيجةً لتفاعل التربة مع المنشأة (SSI)، وهو المبرر الرئيسي لرموز التصميم الزلزالي لتقليل قص القاعدة التصميمي عند أخذ تأثير تفاعل التربة مع المنشأة في الاعتبار. وتُشكّل الفكرة نفسها أساس رموز التصميم الزلزالي الشائعة حاليًا، مثل ASCE 7-10 وASCE 7-16. وعلى الرغم من أن الفكرة المذكورة، أي تقليل قص القاعدة، تُجدي نفعًا مع أنظمة التربة والمنشأ الخطية، فقد تبيّن أنها لا تستطيع رصد تأثير تفاعل التربة مع المنشأة على الأنظمة الخاضعة للخضوع بشكل مناسب. ^{[ 7 ]} وفي الآونة الأخيرة، قيّم خوسرافيكيا وآخرون ^{[ 8 ]} نتائج تطبيق أحكام تفاعل التربة مع المنشأة الواردة في ASCE 7-10 وتلك الواردة في البرنامج الوطني للحد من مخاطر الزلازل لعام 2015 (NEHRP)، والتي تُشكّل أساس إصدار 2016 من معيار التصميم الزلزالي الصادر عن الجمعية الأمريكية للمهندسين المدنيين (ASCE). أظهرت الدراسات أن أحكام تفاعل التربة مع المنشأ في كل من برنامج NEHRP ومعيار ASCE 7-10 تؤدي إلى تصاميم غير آمنة للمنشآت ذات الأساسات السطحية على تربة رخوة متوسطة، إلا أن برنامج NEHRP يُحسّن الأحكام الحالية بشكل طفيف للمنشآت المنخفضة. أما بالنسبة للمنشآت على تربة رخوة جدًا، فإن كلا المعيارين يُنتجان تصاميم متحفظة، بل إن معيار NEHRP أكثر تحفظًا. وأخيرًا، يُنتج كلا المعيارين تصاميم شبه مثالية للأنظمة الأخرى.

باستخدام تحليلات عددية دقيقة، أظهر ميلوناكيس وغازيتاس ^{[ 9 ]} أن زيادة الفترة الطبيعية للمنشأ نتيجة لتفاعل التربة مع المنشأ ليست مفيدة دائمًا كما توحي به أطياف التصميم المبسطة. إذ يمكن لرواسب التربة الرخوة أن تطيل بشكل ملحوظ فترة الموجات الزلزالية، وقد تؤدي زيادة الفترة الطبيعية للمنشأ إلى حدوث رنين مع اهتزازات الأرض طويلة المدى. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الدراسة أن متطلبات المطيلية يمكن أن تزداد بشكل كبير مع زيادة الفترة الطبيعية للمنشأ نتيجة لتأثير تفاعل التربة مع المنشأ. وقد يؤدي التشوه الدائم وانهيار التربة إلى تفاقم الاستجابة الزلزالية للمنشأ.

عندما يتعرض مبنى ما لهزة أرضية ، فإنه يتفاعل مع الأساس والتربة، مما يُغير حركة الأرض. ويمكن تقسيم تفاعل التربة مع المبنى إلى ظاهرتين رئيسيتين: أ) التفاعل الحركي، ب) التفاعل القصوري. تُسبب حركة الأرض الناتجة عن الزلزال إزاحة للتربة تُعرف بالحركة الحرة. إلا أن الأساس المُدمج في التربة لا يتبع هذه الحركة الحرة. هذا العجز في الأساس عن مُواكبة الحركة الحرة يُسبب التفاعل الحركي . من جهة أخرى، تنقل كتلة البنية الفوقية قوة القصور الذاتي إلى التربة، مما يُسبب تشوهًا إضافيًا فيها، وهو ما يُعرف بالتفاعل القصوري. ^{[ 2 ]}

عند مستويات منخفضة من اهتزاز الأرض، يكون التأثير الحركي هو السائد، مما يؤدي إلى إطالة فترة الاهتزاز وزيادة التخميد الإشعاعي. ومع ذلك، مع بدء اهتزاز أقوى، يؤدي تدهور معامل مرونة التربة في المنطقة القريبة من الأرض ، وتباعد التربة عن الركائز، إلى الحد من التخميد الإشعاعي، ويصبح التفاعل بالقصور الذاتي هو السائد، مما يتسبب في إزاحات مفرطة وإجهادات انحناء مركزة بالقرب من سطح الأرض، مما يؤدي إلى تلف الركائز بالقرب من مستوى سطح الأرض. ^{[ 2 ]}

أظهرت الملاحظات المستقاة من الزلازل الأخيرة أن استجابة الأساسات والتربة تؤثر بشكل كبير على الاستجابة الإنشائية الكلية. وقد سُجلت عدة حالات لأضرار جسيمة في المنشآت نتيجة لتفاعل التربة مع الأساسات في الزلازل السابقة . ويشير ياشينسكي ^{[ 10 ]} إلى أضرار لحقت بعدد من جسور الركائز بسبب هذا التفاعل في زلزال لوما بريتا في سان فرانسيسكو عام 1989. كما عزا تحليل عددي موسع أجراه ميلوناكيس وغازيتاس ^{[ 9 ]} تفاعل التربة مع الأساسات إلى أحد أسباب الانهيار المفاجئ لطريق هانشين السريع في زلزال كوبي عام 1995 .

الأنواع الرئيسية للأساسات، بناءً على عدة خصائص للمباني، هي:

• Isolated plinths (currently not feasible)
• Plinths connected by foundations beams
• Reverse beams
• A plate (used for low-quality grounds)

The filing of foundations grounds takes place according to the mechanical properties of the grounds themselves: in Italy, for instance, according to the new earthquake-proof norm – Ordinanza 3274/2003 – you can identify the following categories:

• Category A: homogeneousrock formations
• Category B: compact granular or clayey soil
• Category C: quite compact granular or clayey soil
• Category D: not much compact granular or clayey soil
• Category E: alluvialsurface layer grounds (very low quality soil)

The type of foundations is selected according to the type of ground; for instance, in the case of homogeneous rock formations connected plinths are selected, while in the case of very low quality grounds plates are chosen.

For further information about the various ways of building foundations see foundation (architecture).

Both grounds and structures can be more or less deformable; their combination can or cannot cause the amplification of the seismic effects on the structure. Ground, in fact, is a filter with respect to all the main seismic waves, as stiffer soil fosters high-frequency seismic waves while less compact soil accommodates lower frequency waves. Therefore, a stiff building, characterized by a high fundamental frequency, suffers amplified damage when built on stiff ground and then subjected to higher frequencies.

For instance, suppose there are two buildings that share the same high stiffness. They stand on two different soil types: the first, stiff and rocky—the second, sandy and deformable. If subjected to the same seismic event, the building on the stiff ground suffers greater damage.

The second interaction effect, tied to mechanical properties of soil, is about the lowering (sinking) of foundations, worsened by the seismic event itself, especially about less compact grounds. This phenomenon is called soil liquefaction.

تتضمن أكثر الطرق شيوعًا للتخفيف من مشكلة تفاعل التربة مع المنشآت استخدام أنظمة العزل المعروفة مسبقًا وبعض تقنيات تدعيم التربة، والتي تُعتمد بشكل خاص على المنشآت ذات الجودة المنخفضة (الفئتين د وهـ). ومن أكثر التقنيات انتشارًا تقنية الحقن النفاث وتقنية الركائز . تعتمد تقنية الحقن النفاث على حقن الخرسانة السائلة في التربة باستخدام مثقاب . وعندما تتصلب هذه الخرسانة، فإنها تُشكل عمودًا يُعزز التربة المحيطة. وتُكرر هذه العملية في جميع أجزاء المنشأة. أما تقنية الركائز، فتعتمد على استخدام الركائز التي، بمجرد غرسها في الأرض، تدعم الأساس والمبنى أعلاه، وذلك بنقل الأحمال أو الأوزان نحو طبقات التربة الأعمق، وبالتالي الأكثر تماسكًا ومقاومة للحركة.

• هل ترغب في فهم أفضل لما يحدث عندما تخترق الموجات الزلزالية نظام الأرض والبنية التحتية؟ (باللغة الإيطالية)
• التفاعل الزلزالي بين التربة والمنشآت