הערכת התנהגות סייסמית ויכולת התמוטטות של מבנים דו-מערכתיים של מסגרת-בטון מזויין וקירות נגד גזירה בהתחשבות באינטראקציה קרקע-מבנה בתנאי קרקע משתנים

מדוע הקרקע שמתחת לבניינים חשובה

כשמדמיינים בניינים עמידים לרעידות אדמה, אנו נוטים להתמקד בעוצמת העמודים, הקורות והקירות. עם זאת, חלק קריטי של הסיפור נמצא מחוץ לתצוגה — בקרקע וביסודות התומכים במבנה. המאמר בוחן שאלה שלכאורה פשוטה אך בעלת השלכות בטיחותיות נרחבות: עד כמה גמישות הקרקע עצמה משנה את אופן ההתנהגות של בניינים מבטון מזויין ברעידות חזקות, והאם כללי התכנון הנוכחיים עלולים להמעיט בהערכת סיכון ההתמוטטות — במיוחד בקרקעות רכות?

כיצד מבני בטון מודרניים עומדים בפני רעידות

רבים מבין מבני הבטון בגבהים בינוניים וגבוהים משתמשים במערכת "דו-מערכתית" להתנגדות לרעידות. קירות אנכיים מבטון, המכונים קירות נגד גזירה, פועלים יחד עם מסגרות מסביב המורכבות מקורות ועמודים. הקירות הקשיחים נושאים את מרבית ההאצה הצידית, בעוד המסגרות מספקות חוזק תומך ועוזרות לשלוט בנזקים. תקני הבנייה בדרך כלל מניחים כי בסיס המבנה קבוע לקרקע, כלומר היסוד אינו מתנודד או מחליק. במציאות, ובמיוחד בקרקעות רכות, המבנה, היסוד והקרקע נעים ומתעווים יחד. אינטראקציה זו בין קרקע־יסוד־מבנה יכולה להאריך את התקופה הטבעית של המבנה, לשנות את אופן חלוקת הכוחות דרך המסגרת והקירות, ולהכתיב היכן מרוכזים הנזקים בזמן רעידה.

מבחן לבניינים וקרקעות

החוקרים יצרו מודלים ממוחשבים מפורטים של שלושה בנייני בטון מזויין — בגובה 5, 10 ו-15 קומות — שתוכננו לפי תקנים אמריקאיים עדכניים עבור שני סוגי אתרים נפוצים: קרקע קשיחה יותר (סוג C) וקרקע רכה יותר (סוג D). לכל גובה וקרקע השוו גרסה אידיאלית עם בסיס קבוע לגרסה ריאליסטית יותר שבה היסודות יכלו להתנודד ולשקוע על מסרגות המדמות את התנהגות הקרקע. לאחר מכן הריצו אלפי סימולציות תוך שימוש ברשומות רעידות אדמה אמיתיות, כולל אירועי תכנון וגם רעידות אינטנסיביות בהרבה. הסימולציות תיעדו לא רק הזחות כוללות (כמה כל קומה מתנודדת) אלא גם "צירי פלסטיות" — אזורים שבהם קורות ועמודים מתעוותים ומצטברת בהם נזק קבוע — ולבסוף האם ניתן לצפות להתמוטטות המבנה.

מה קורה על קרקע רכה לעומת קשיחה

התוצאות מראות כי יסודות גמישים יכולים גם לרכך וגם לסכן מבנים, עם ההשפעות החזקות ביותר על מבנים קצרים ועל קרקעות רכות. מתן אפשרות למבנה להתנודד האריך את תקופת הרעד והקטין את כוחות השיא בבסיס, אך גם הגדיל הזחות בין-קומתיות ונזק לקורות. בקרקע הרכה, ההזחות בין קומות במודל ה-5 קומות עלו עד כ-100 אחוזים בהשוואה למקרה הבסיס הקבוע; גם הדגמים של 10 ו-15 קומות על קרקע רכה הראו עליות בהזחה של כ-58 ו-18 אחוזים בהתאמה. כאשר הקרקע הפכה לרכה יותר, קירות הנגד לקחו חלק קטן יותר בעומס הצידי, מה שהעביר יותר עומס למסגרות הסובבות. החלוקה המחודשת הזו גרמה לסיבובי קצה קורות גדולים יותר — עד כ-65 אחוז על קרקע רכה וכ-36 אחוז על קרקע קשיחה יותר — במיוחד בקומות התחתונות ובמפרצים החיצוניים שבהם נוטה הנזק להוביל להתמוטטות.

מנוד נוסף לסיכון התמוטטות גבוה יותר

כדי להתגבר על מוגבלות של סימולציה בודדת, הצוות השתמש בשיטה הקרויה ניתוח דינמי הדרגתי (incremental dynamic analysis) כדי לבנות עקומות שבירות — יחסים סטטיסטיים בין עצמת הרעידה לבין ההסתברות להתמוטטות. עקומות אלה הראו כי בסיסים גמישים הגדילו בעקביות את ההסתברות להתמוטטות, במיוחד על קרקע רכה. עבור מבנים על קרקע הרכה, המרווח בין רעידות ברמת התכנון להתמוטטות הצטמצם עד כ-35 אחוז כאשר נכללה גמישות הקרקע. ברמות רעידה מקסימליות נלקחות בחשבון, הסבירות להתמוטטות עבור מבנים על קרקע רכה קפצה לטווח של כ-9–12 אחוז, לעומת רק מספר אחוזים כאשר הנחת היסודות הייתה שלמות קבועים. באופן בולט, עבור מבנים גבוהים התנדנדות נוספת נראתה מתונה ברעידות ברמת התכנון, אך בעוצמות מאוד גבוהות היא הגבירה הזחות צידיות ואת אפקטי P–Delta, שבהם עומסי הכבידה על מבנה מוטה מחריפים את חוסר היציבות.

מה משמעות הדבר לערים בטוחות יותר

לקהל שאינו מומחה, המסר המרכזי הוא ש"הגמישות" שבקרקע עלולה לשחוק בשקט את מרווח הבטיחות הבנוי במבני בטון מודרניים, במיוחד במערכות קיר–מסגרת דו-מערכתיות על קרקעות רכות. תכנונים שנראים חזקים כאשר מטפלים ביסודות כקשיחים עלולים, בפועל, להיות קרובים יותר להתמוטטות אם הקרקע מאפשרת נדנוד ושקיעה משמעותיים. המחברים מסכמים כי תקני הבנייה והפרקטיקה ההנדסית צריכים להתחשב במפורש יותר באינטראקציה קרקע–יסוד–מבנה, במקום להניח שהיא תמיד מועילה. עשיית זאת תביא להערכות דרישות רעידות מדויקות יותר ולבטיחות עקבית יותר בין אתרים שונים, ותעזור להבטיח שבניינים על קרקע רכה לא יעמדו בנחיתות חבויה כאשר תתרחש הרעידה הגדולה הבאה.

ציטוט: Yousefi, A., Tehrani, P. Evaluation of seismic behavior and collapse capacity of dual RC frame–shear wall structures considering soil-structure interaction under varying soil conditions. Sci Rep 16, 6211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36577-0

מילות מפתח: אינטראקציה קרקע-מבנה, הנדסת רעידות אדמה, מבני בטון מזויין, סיכון התמוטטות סייסמי, השפעות קרקעות רכות