ניתוח תגובת רעידות של מבנה מגדל גרעין במכרה פחם בהתחשב בהשפעת PSSI באתרים שונים

מדוע מגדלים תת-קרקעיים ורעידות אדמה חשובים

מכרות פחם עמוקים מסתמכים על מגדלי גרעין בטון גבוהים על פני השטח כדי להעלות אנשים ופחם מעומקים גדולים. מגדלים אלה מונחים על יסודות החודרים לקרקע ושכבות סלע שונות. כאשר מתרחשת רעידת אדמה, הרעד לא מעביר תנועה רק למגדל; גם העמודים היסודיים והקרקע המקיפה זזים, והשלושתם משפיעים זה על זה. המחקר שואל שאלה מעשית עם השלכות בטיחותיות וכלכליות גדולות: עד כמה האינטראקציה החבויה הזו בין אדמה, עמודים ופרמידת המגדל משנה את תגובת מגדל הגרעין לרעידות, והאם היא הופכת את תקנות התכנון הנוכחיות למסוכנות מדי באתרים מסוימים ושמרניות מדי באחרים?

כיצד המגדל, העמודים והקרקע נעים יחד

המחברים מתמקדים במגדל גרעין מודרני וגדול של מכרה פחם בגובה כ־90 מטר, הנתמך על ידי יסוד מסוג piled raft המקושר באופן קשיח לבור בטון אנכי. במקום להניח שהבסיס מקובע לחלוטין, הם מתייחסים למערכת משולבת שבה המגדל, העמודים, הראפט, בור הבור והקרקע השכבתית מהווים מערכת מקושרת. באמצעות מודלים פיזיקליים מבוססים היטב הם מפשטים את המבנה המורכב הזה למערכת של קפיצים, מסות ומגבים שיכולים לדמות כיצד כל רכיב מתכופף, מתנדנד ומחליק בעת רעד. לאחר מכן הם גוזרים משוואות תנועה שקושרות את התנועה בקומות המגדל עם תנועת היסוד הקבור והקרקע הסובבת, ופותרים משוואות אלה מספרית באמצעות קוד MATLAB מותאם.

בדיקת רעידות אדמה וסוגי קרקע מציאותיים

כדי לראות כיצד התנהגות מקושרת זו מתבטאת בפועל, הצוות משתמש באתר מכרה אמיתי באנחווי, סין, כמקרה מבחן. הם בוחרים 21 הקלטות רעידות — גם רעידות חזקות טבעיות וגם רעידות מדומות בקפידה — ומיישמים אותן בצורה אופקית בבסיס. הם בודקים שלוש תנאי קרקע טיפוסיים המופיעים בקודי הרעידות הסיניים: אתר יחסית קשה "סוג II", אתר בינוני "סוג III" ואתר רך יותר "סוג IV", כאשר כל אחד מיוצג על ידי שכבות קרקע מרובות עם קשיחות וצפיפות שונות. להשוואה הם מריצים כל רעידת קרקע פעמיים: פעם אחת עם האינטראקציה המלאה בין אדמה–עמוד–מגדל ופעם אחת באמצעות הקיצור המקובל המתייחס ליסוד כאל בסיס קשיח לחלוטין.

מה קורה להסטה בין־קומתית

הכמות המרכזית שהם עוקבים אחריה היא ההסטה בין־קומתית — התנועה הצדית היחסית בין קומות סמוכות — שהיא קשורה קשר הדוק לכוחות הכיפוף בקירות, בקרשים ובעמודים. המחברים מגדירים "מקדם הגברה" כיחס בין הסטת הקומה בין־קומתית במערכת האינטראקטיבית הריאליסטית לזו בהנחת הבסיס הקשיח. ערכים מעל אחד מעידים שהאינטראקציה מגדילה כוחות; ערכים מתחת לאחד מעידים שהיא מפחיתה אותם. בכל שלושת סוגי הקרקע, ההגברה המקסימלית מופיעה בעקביות בקומה העליונה של המגדל, שם אפקט ניצוצי מרוכז התנועה, בעוד הקומות האמצעיות נעות באופן פחות דרמטי.

קרקעות שונות, מרווחי בטיחות שונים

התוצאות מראות שהתעלמות מאינטראקציה אדמה–עמוד–מבנה יכולה להיות מסוכנת בהגדרות מסוימות ומבוזבזת באחרות. בקרקע קשה מסוג II, מקדמי ההגברה הממוצעים להסטה בין־קומתית נעים בין כ־1.31 ל־1.61, כלומר המגדל האמיתי עלול לחוות סטות גדולות ב־30–60 אחוז יותר, ומכאן כוחות פנימיים גבוהים יותר, ממה שצפוי בעיצוב על בסיס קשיח. בקרקע מסוג III הממוצעים קרובים יותר ליחידה, בסביבות 0.89 עד 1.25, עם הגברה בעיקר בקומות העליונות. בקרקע הרכה מסוג IV הממוצעים נופלים לכ־0.74 עד 0.97, כך שבדרך כלל האינטראקציה מפחיתה סטות בהשוואה להנחת הבסיס הקשיח. מבחינה פיזיקלית, המערכת המשולבת של אדמה–עמוד–מגדל מציגה תקופת תנודה ארוכה יותר מאשר המגדל הקשיח לבדו, מה שיכול להזיז אותה מחוץ לטווח התדרים הפוגע ביותר של תנועת הקרקע ולהפחית את הביקוש הסייסמי.

מה המשמעות לכך מבחינת בטיחות ותכנון במכרות

עבור מהנדסים בעשייה, המסר הוא דו־כיווני. באזורי קרקע קשים ובאזורים סיסמיים חזקים, תכנון מגדל גרעין כאילו הוא מונח על בסיס בלתי נשבר עלול לתחמן את כוחות הרעידה האמיתיים, במיוחד סמוך לקומות העליונות, ולחשוף מבנים קיימים לסיכונים בטיחותיים חבויים. בקרקעות רכות, אותה פישוטה עלולה להעריך יתר על המידה את הכוחות ולגרום לעיצובים כבדים ויקרים שלא לצורך. המחקר מספק מסגרת מעשית לשילוב אינטראקציית אדמה–עמוד–מבנה בניתוח מגדלי גרעין ומדגיש אילו שילובים של סוג קרקע, גובה המגדל ותקופת תנודה משפיעים ביותר על התגובה הסייסמית. בעוד שהמספרים המדויקים ישתנו ממגדל למגדל, הדפוס הכללי — שהקומות העליונות פגיעות ביותר ושאתרים רכים יכולים לעתים לסייע במקום להזיק — מציע בסיס בהיר ומעודן יותר לתכנון וחיזוק מגדלי גרעין במכרות באזורים מועדים לרעידות אדמה.

ציטוט: Han, L., Zhao, S., Zhang, Y. et al. Seismic response analysis of coal mine shaft tower structure considering PSSI effect under different sites. Sci Rep 16, 6656 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37617-5

מילות מפתח: מגדל גרעין במכרה פחם, אינטראקציה אדמה–מבנה, יסוד שטוח על עמודי יסוד (piled raft), הנדסת רעידות, הסטת קומה בין-קומתית