עמידות מבנים בתנאי רעידת אדמה - פרופ' דוד ינקלבסקי

​פרק זו הוא בבחינת שער שנועד להקנות מושגים ראשוניים בתחום הבנייה ועמידותה ברעידות אדמה. בגלל קוצר היריעה אין הוא כולל את כל שיש לומר ושראוי לשאול. מטבע הדברים אין בו פרטים אלא ביאורים ומושגים כלליים, אולם הוא עשוי להאיר כמה היבטים ולהבהיר מושגי יסוד.
רעידות אדמה חזקות שהתחוללו בעבר והפעילות הסיסמית המתמדת באזורנו, גם אם עוצמתה נמוכה ובדרך כלל איננו חשים בה, מעידים על הסכנה הפוטנציאלית להתרחשות רעידת אדמה בישראל. כלל מוכר הוא כי במקום שהתרחשו בו רעידות אדמה בעבר תתרחשנה רעידות אדמה גם בעתיד. השאלות שאין להן מענה, לפי שעה, הן אלה: מהו מועד ההתרחשות של הרעידה הבאה, היכן יימצא מוקד הרעידה, ומה תהיה עוצמתה. תורת הסיסמולוגיה מאפשרת מעקב אחרי אירועי רעידת אדמה בהווה וניתוח אירועי העבר, אולם היא אינה מסבירה את התהליכים המעוררים את ההתרחשות של רעידת אדמה ואינה מאפשרת, לפי שעה, לחזות את מועד ההתרחשות הבאה. במצב זה לא קיימת התרעה מוקדמת ורעידת האדמה תפקוד אותנו במפתיע. השקט המתמשך מבחינה סיסמית אינו מרגיע אלא להפך;
הנטייה המתמדת לתזוזה במעבה האדמה מצד אחד וריסונה מצד שני, אוגרים אנרגיה שאיננה משתחררת. ככל שחולף הזמן גדלה כמות האנרגיה אשר עלולה להשתחרר באירועי רעידת אדמה עתידיים. מידת האנרגיה שתשתחרר באירוע מסוים איננה ניתנת לקביעה, אך אפשר לומר כי יש הסתברות גבוהה להתרחשות רעידת אדמה בעוצמה נמוכה יחסית, והסתברות נמוכה יותר להתרחשות רעידת אדמה חזקה יותר.
רעידת אדמה המתרחשת באזור בלתי מיושב אינה גורמת בדרך כלל לנזק בעל חשיבות גם אם עוצמתה גבוהה מאוד. היא יכולה לגרום לתזוזות קרקע משתיירות, הקרקע עלולה להיקרע במקומות מסוימים ועלולים להיפער בה סדקים עמוקים, מדרונות עלולים לגלוש ועוד כהנה וכהנה; אולם במקום שאין בו תשתית בנויה ובני אדם השוכנים בה, לא צפויים נזקים של ממש לנפש ולרכוש. יתר על כן, אילו בני אדם היו נמצאים במרחב הפתוח, טלטלת הרגע של הרעידה הייתה עלולה לכל היותר להפילם. יוצא אפוא כי התשתית הבנויה היא המרכיב הרגיש לרעידות האדמה, ובני אדם נפגעים בעיקר משום שהם נמצאים בתוך מבנים או לידם. ראוי אם כן למקד את תשומת הלב בתשתית הבנויה ובמאפייניה.
בכלל התשתית ניתן למנות את כל עבודות ההנדסה האזרחית אשר שינו את פני השטח. בתשתית נכללים מבנים לצרכים שונים, דרכים וגשרים, מתקני תעשייה ושירות, קווי חשמל וטלפון, צנרת למיניה, קירות תומכים ועוד ועוד. כל מרכיב תשתית כזה מהווה מערכת מבנית החשופה בעת רעידת אדמה לזעזועי קרקע, המעמידים במבחן באותו פרק זמן קצר את כושרה לעמוד בטלטלה החזקה ולחזור למצב יציב ובטוח בשוך הרעידה.

dpic1.jpg 

מראה אזורי הפגיעה

 

כל מבנה קשור לקרקע באמצעות יסודותיו או חלקיו האחרים. מה קורה למערכת מבנית או למבנה כלשהו בזמן התרחשות רעידת אדמה? האנרגיה המשתחררת בעת הרעידה מתפשטת למרחקים ניכרים, ומרעידה את הקרקע שבה ממוקם המבנה - בדרך כלל למשך כמה עשרות שניות. עוצמת הרעידה המורגשת במבנה הנדון ומשכה תלויים, בין היתר, במגניטודה של הרעידה, במרחק המבנה מהמוקד, ובתווך הקרקע שבו מתפשטת האנרגיה המשתחררת לרבות שכבות הקרקע שמתחת למבנה הנדון. הרעידה מתבטאת בתזוזות ניכרות המשנות כיוון בפרקי זמן קצרים מאוד ולא אחידים, בתנועה אקראית. מעקב אחר תנועתה של הקרקע המקומית יצביע על שינויי מהירות ותאוצה בכיוונים שונים. יסודות המבנה המעוגנים בקרקע המקומית עוברים את הטלטלה הזאת עם הקרקע שמסביב, והקשר שלהם אל יתר המבנה מושך את המבנה לעקוב אחר אותה הטלטלה.
כדי לקבל תחושה ראשונית של הרעידה הפוקדת את המבנה, ניטול מוט דק (אפשר סרגל ארוך עשוי עץ או מתכת) ונחזיקו בתחתיתו כשהוא במצב מאונך. נטלטל את היד האוחזת בתחתית המוט בתנועות אופקיות מהירות ואקראיות, ימינה ושמאלה, ונעקוב אחר תנועת המוט כולו. ניווכח כי כאשר היד עשתה כבר כברת דרך שמאלה, קצה המוט העליון טרם הצליח לעקוב אחר תנועת היד ותנועתו הממשית שמאלה חלה כעבור זמן, אולי בעת שהיד כבר נעה בדרכה ימינה. יוצא אפוא שטלטלת הבסיס גורמת למוט לעקמומיות משתנה, והוא נע כלולב.
ככל שהמוט דק יותר, ולפיכך גם גמיש יותר, תהיה עקמומיותו גדולה בהשוואה לזו של מוט עבה וקשיח יותר. ניקח תחילה מוט העשוי מחומר פריך, כמו סרגל עץ (פריכותו מתבטאת בכך שעד עקמומיות מסוימת ניחן המוט בגמישות ולכן יחזור למצבו המקורי;לאחר שנרפה ממנו, ומעבר לרמת עקמומיות זו - יישבר). אם נרצה לשבור את המוט - נעקם אותו עד שחוזקו לא יעמוד לו. העקמומיות הגדלה מאמצת את המוט בהתאם. כך גם בעת התנודה: עלולה להתפתח עקמומיות הגובלת בסף החוזק של המוט והוא עלול להישבר. כאשר ניקח מוט עבה יותר ולפיכך גם קשיח יותר, תהיה העקמומיות קטנה יותר, ותידרש טלטלה חזקה יותר כדי לשברו.
אם נחליף את סרגל העץ בסרגל פלדה תהיה התמונה שונה: כאשר נעקם אותו הוא עשוי להתעקם עוד ועוד, ולגלות את המשיכות הגלומה בו (לכן הוא נקרא "משיך"). משיכות, להבדיל מפריכות, מאפשרת הגדלת העקמומיות מעבר להתנהגות האלסטית, וכאשר נרפה - תפתח העקמומיות וגם אם יישאר לה זכר, המוט לא יישבר. כלומר, בסרגל הפריך אין מצב ביניים: בזמן רעידה או שתהיה תנודה אלסטית או שהסרגל יישבר. במקרה של הסרגל המשיך ייתכן מצב של תנודה אלסטית, ומעבר לה ייתכן מצב של נזק - המתבטא במקרה זה בעקמומיות ובתזוזות משתיירות; אולם הסרגל יישאר שלם ולא יישבר.
מתיאור פשטני זה ניתן להסיק שטלטלת המבנה ברעידת אדמה גורמת לעקמומיות משתנה בזמן, המאמצת את המבנה ועלולה לגרום ברגע מסוים למצב גבולי שבו הוא עלול להישבר. מבנה קשיח יותר העשוי מאותו חומר, יתאמץ פחות לעמוד באותה טלטלה והוא עשוי לעמוד בטלטלה חזקה יותר. גם היתרון של המשיכות ברור, מכיוון שגם אם ייגרם נזק - הוא יהיה מבוקר. הנזק יגדל ככל שתגדל עוצמת הטלטלה אולם המבנה יישאר על תלו.
מכאן ברור הצורך להתאים מבנים לעמידות ברעידת אדמה; השאלה היא מה הדרך הנכונה לעשות זאת. במחשבה ראשונה נעדיף מבנים קשיחים יותר כדי לעמוד ברעידות אדמה חזקות. אולם לשם כך נדרשת בניית מבנים בעלי רכיבים עבים ויקרים, הרבה מעבר לנדרש לכל יתר ההשפעות הפועלות על המבנה במהלך חייו. לכן מבנים כאלה יהיו יקרים מאוד בהשוואה למקובל.
יתר על כן, אפשר לשאול לאיזו עוצמת רעידה יש לתכנן מבנה כזה. הרי הרעידה העתידית אינה מוגדרת, ויש הסתברות, אם כי נמוכה ביותר, להתרחשות  רעידת אדמה חזקה יותר. יוצא אפוא שגם אם נתכנן היטב מבנה עמיד לרעידת אדמה בעוצמה מסוימת, תהיה הסתברות כלשהי להתרחשות רעידת אדמה חזקה יותר. במקרה כזה, אם המבנה יהיה קשיח יותר אך פריך, כוחו לא יעמוד לו בהתמודדות עם רעידה חזקה מזאת שתוכנן לעמוד בה. לפיכך נראה כי בניית המבנה המשיך עדיפה, כי בעוצמת רעידה חזקה יותר מזאת שתוכנן לעמוד בה אמנם ייגרם לו נזק, אך הוא לא יישבר, גם אם ככל שהרעידה תהיה חזקה יותר מידת הנזק תגדל.
אם נמשיך בקו מחשבה זה - אם מוקנית למבנה משיכות, ניתן לתכננו כמבנה פחות קשיח ולהסתמך על משיכותו שתעמוד לו בהתמודדות עם רעידות אדמה חזקות יותר. כך נקבל מבנה שעלותו סבירה ועם זאת מוקנית לו יכולת התמודדות עם רעידות אדמה באופן מדורג: ברעידות אדמה קלות יעמוד ללא כל נזק, ברעידות אדמה בינוניות ייגרם נזק לרכיבים שאינם חלק מהשלד (כמו קירות בני שהם קירות מילוי מבלוקים), וברעידות חזקות ייגרם נזק לרכיבי השלד (כמו קירות מבטון מזוין, קורות ועמודים) אולם המבנה לא יתמוטט - לא ייהרגו אנשים החוסים בו.
על הנחה זו מבוססת תפיסת התכנון של מבנים לרעידות אדמה. עלינו להבין כי ניתן לתכנן מבנים שלא ייגרם להם נזק כלשהו ברעידת אדמה חזקה, אלא שההסתברות להתרחשות רעידה כזאת קטנה, ואילו ממדי המבנה הנדרשים לשם כך גדולים מדי. כתוצאה מכך גם תתייקר הבנייה, וייתכן אף שמידותיו המגושמות של המבנה יגרמו לשיבוש תפקודו. אם נבחן את כל טווח האפשרויות נוכל לראות במקרה קיצוני מסוג אחד מבנה שאינו מתוכנן כלל לעמוד ברעידת אדמה כלשהי; מבנה כזה כרוך בהשקעה נמוכה יותר, אולם אם ייגרם לו נזק הוא עלול לגבות מחיר הרבה יותר גבוה, בנפש וברכוש. במקרה הקיצוני מהצד האחר יהיה המבנה היקר מאוד שתוכנן לעמידה ברעידת אדמה חזקה בלא שייגרם לו נזק משמעותי; עלותו תהיה גבוהה מאוד וההשקעה הנדרשת במקרה של נזק צפוי תהיה קטנה ביותר. מצב הביניים, של מבנה המתוכנן לספוג נזק מבוקר בתלות בעוצמת הרעידה, הוא ככל הנראה הפתרון הכלכלי הנכון ביותר. עלות המבנה אינה גבוהה, וגם מחיר הנזק העתידי יהיה מוגבל. למבנים כאלה מכוונת תפיסת התכנון הרווחת.
הנזק אם כן, הוא חלק בלתי נפרד מתפיסת התכנון, ואין לראות בו סימן לפגם או לכשל, כל עוד הוא נמצא בהתאמה לקריטריונים שתוארו והוא יחסי למידת ההשפעה. רעידת אדמה חזקה גורמת לנזק רב הן במדינות חסרות מוכנות לרעידת אדמה חזקה והן במדינות בעלות מודעות, המצויות בתהליך מוכנות לרעידת אדמה חזקה. ההבדל הוא בכך שבמבנה שתוכנן להשפעה זאת יהיה הנזק קל יותר, המבנה ישמור על שלמותו וכך לא יקבור אנשים תחתיו. ככל שהתשתית מפותחת יותר, יותר מערכות חשופות לסיכוני רעידת אדמה ומידת הנזק הכולל רבה יותר. עם זאת, כאשר המוכנות גבוהה יותר והמבנים מתוכננים בהתאם לעקרונות אלה, למרות הנזק שייגרם הם יעמדו על תלם והשוכנים בהם יינצלו. מספר הנפגעים בנפש במקרים כאלה קטן בהרבה ממספר הנפגעים בהעדר מוכנות.
תפיסת התכנון של מבנים לרעידות אדמה מתפתחת ומשתכללת בהתמדה: עד שנות ה-60 במאה העשרים לא היו הנחיות בתקנים הישראליים;  בשנות ה-60 ועד 1975 נקבעו הנחיות בהיקף מצומצם ביותר; בין 1975 ל-1995 נקבעו הנחיות מפורטות למדי; וב- 1995 התפרסם תקן מפורט ומעודכן. בתוך התהליך הזה התרחשה מלחמת המפרץ, ובעקבותיה, בראשית שנות ה- 90, שונתה תפיסת המיגון של העורף - ממקלט לכל בית למרחבים מוגנים. נבנו מעין פירים ובהם חדר מוגן לכל דירה (מרחב מוגן דירתי) או לכל קומה (מרחב מוגן קומתי). פירים אלה, העשויים מבטון מזוין, משתלבים במערכת המבנה ומוסיפים לקשיחותו ולחוזקו ועשויים לתרום במידה ניכרת גם לעמידותו במקרה של רעידת אדמה.
במקביל להתפתחות ההנדסית, הלכו והתפתחו הידע הסיסמולוגי בכלל והנתונים על הפעילות הסיסמית בישראל בפרט. השלכותיו של ידע זה על תכנון המבנים בישראל מתבטאות בחלוקת הארץ לאזורי עוצמה סיסמית צפויה ובהתאם למאפייני הרעידה בהם. מאחר שהידע מצטבר ומשתנה בהתאם לנתונים, נוצרת מציאות שבה מבנים אשר תוכננו ונבנו על פי כל הכללים לפני זמן רב, עלולים שלא להתאים לקריטריונים העכשוויים. המצב חמור עוד יותר אם מבנים תוכננו ללא התחשבות ברעידות אדמה או בהתחשבות מוגבלת כלשהי, אם תכנונם בוצע שלא כהלכה או שהם לא תוחזקו בצורה נאותה וחלה בהם התערערות עם הזמן. לכן, אחת המשימות הנכבדות בהיערכות לרעידת אדמה חזקה היא בחינת כל הבנייה הקיימת והתאמתה במידת הצורך לדרישות ולידע העדכניים.
התהליך של בחינת בנייה קיימת שונה מתהליך התכנון של בנייה חדשה, וגישות מתאימות לכך מפותחות ומתגבשות עתה על מנת לאפשר בחינה מתאימה כזאת. בהעדר הנחיות מתאימות או מספקות, נבנו מבנים רבים שאינם מקיימים את מלוא הדרישות ויש בהם מוקדים של פריכות (כמו עמודים קצרים או קירות בני) או של חולשה (כמו קומת עמודים פתוחה), או מוקדים של סיכון נוסף ניכר (למשל אגפי מבנה המופרדים בתפר צר, אשר עלולים להתנגש זה בזה בעת תנודתם באירוע רעידת אדמה, או מיקום לא סימטרי של רכיבי השלד העלולים להיות אחראים לתנודות פיתול של המבנה). את מוקדי החולשה והסיכון הללו ודומיהם יש לאתר במסגרת הבחינה הכוללת של עמידות הבנייה הקיימת. בתום הבחינה ניתן יהיה להעריך את מצבו של מבנה או את מצבו של ריכוז מבנים גדול, לחזות את פוטנציאל עמידותם ולקבל החלטות לגבי דרך הטיפול בהם.

 

dpic2.jpg 

בתים רבי קומות שנפגעו ברעש

 

ככלל, יש אפשרויות רבות לשדרג את מצבו של מבנה קיים על מנת להעלות את עמידותו בפני רעידת אדמה ולהגביר את בטיחותו. בהתאם לסוג המבנה ולרמת עמידותו המוערכת במצבו העכשווי, אפשר להתאים לו פתרונות חיזוק מתאימים. מהי רמת החיזוק הדרושה מבנה קיים - זו שאלה ראויה המחייבת שיקול דעת ובחינה, ואחת הפעילויות המתבצעות עתה במסגרת ההיערכות הכוללת אמורה לספק כלים למענה הולם.
גורמים רבים משפיעים על תפקודו הנכון של מבנה בעת רעידת אדמה, ובכללם הידע הדרוש לטיפול בנושא, אנשי המקצוע המיומנים כל אחד בתחומו, התכנון הנאות והביצוע הקפדני, התחזוקה התקינה לאורך חיי המבנה וגורמים רבים נוספים. אחת המשימות החשובות בתהליך ההיערכות להתמודדות טובה עם רעידת אדמה חזקה היא הראייה המערכתית של כל המרכיבים והגורמים אשר יש להם נגיעה והשפעה כלשהן על התוצאה הסופית, שיכלול כל אחד מהם וחיבורם הנכון יחד. מרכיבי הטיפול בבנייה חדשה ובבנייה קיימת רבים, והעיסוק בהם נמשך תקופה ארוכה. מלאכת ההיערכות לרעידת אדמה חזקה נמשכת שנים רבות ומתקדמת עקב בצד אגודל. יש דוגמאות מצוינות של מדינות שבהן תהליך כזה נמשך ברציפות שנים רבות וטרם הסתיים, אולם תוצאות הנזק ברכוש ובנפש בעת רעידות אדמה המתרחשות בהן לעתים, מעידות כי יש ברכה בעמלן. בשנת 2001 החל תהליך זה במדינת ישראל, ויש לדאוג להפעלתו המלאה והרציפה עד להשגת היעד המיוחל.