כימות התכונות המכניות – מבניות של קירות דֶבֶּש לצורך הערכת עמידותם הסיסמית

כותבים

גאלי ג'בר M.Sc. ; פרופ"ח אברהם דנציגר ; ד"ר רמי עיד ; פרופ' אמר' אביגדור רוטנברג
מלווי מחקר

אינג' עומרי מזרחי ; אינג' יונתן אופק ; ירון אופיר M.Sc. ; ואסים ח'ורי M.Sc. ; ד"ר אדי ליבוביץ

1. רקע כללי

חיזוק מבנים בישראל, אשר נבנו לפני מחצית המאה שעברה, ואינם מיועדים להריסה, הוא ככל הנראה הכרחי. זאת, משום שחלקם של מבנים אלה, מכילים קירות פנים וחוץ, שהם חלק ממערכת היציבות האנכית של המבנה, והם עשויים בטון באיכות נמוכה, המכיל בדרך כלל (אם כי לא תמיד) אגרגטים גדולים. מבנים המכילים קירות אלה נפוצים בארץ )ומכונים "קירות דֶבֶּש"). התכונות המכניות של קירות אלה לא נבדקו די צרכם, ועל כן תסבולתם והשפעתם האפשרית על תסבולת המבנה לא ברורה. בנוסף, במבנים עם קירות דֶבֶּש, הקירות נחשבים כאלמנט מבני הנושא כוחות אנכיים) גרביטציוניים (ותומכים את התקרות. מבנים ישנים אלה לא תוכננו לעמוד בכוחות הנובעים מרעידת אדמה ולכן גם לא תוכננה עבורם מערכת הקשחה אופקית. בהתאם לכך, קירות הדֶבֶּש לא תוכננו לשאת כוחות אופקיים. מאידך גיסא, הקירות הם גם בעלי מידות יחסית גדולות ולכן גם קשיחותם יחסית גדולה. אי לכך, במהלך רעידת אדמה, לא מן הנמנע שקירות אלה יקבלו חלק גדול מהכוחות הסיסמיים. כאלמנטים קונסטרוקטיביים התומכים את התקרות ושחוזקם לגזירה הוא ככל הנראה, מוגבל, כשל של קירות הדֶבֶּש יגרום לכשל בשרשרת של המבנים עצמם. כתוצאה מכך, יש צורך אקוטי בקביעת התכונות המכניות של קירות דֶבֶּש קיימים. מידע זה יאפשר הערכת עמידות מבנים ישנים ויסייע בקבלת החלטות לגבי שיטות לחיזוקם ו\או שדרוגם. המחקר נעשה על ידי גאלי ג'בר בהנחייתם של פרופ"ח אברהם דנציגר, ד"ר רמי עיד ופרופ' אמר' אביגדור רוטנברג בפקולטה להנדסה אזרחית וסביבתית, ביחידה להנדסת מבנים וניהול הבנייה בטכניון. המחקר הוזמן על ידי המשרד לבינוי והשיכון עם מלווי מחקר: אינג' עומרי מזרחי, אינג' יונתן אופק, ירון אופיר M.Sc, ואסים ח'ורי M.Sc וד"ר אדי ליבוביץ. המחקר עסק באפיון התכונות המכניות של קירות מבטון דֶבֶּש.

2. מבנה הדוח

בפרק השני מובא סקר ספרות הנוגע להיבטים שונים שקשורים בבטון דֶבֶּש. סקירה היסטורית, אפיון, וסקירה של בדיקות מעבדה שמתייחסות לתכונות מכניות של החומר. כמו-כן נסקרו מערכי ניסוי והתוצאות של בדיקות לחיצה אלכסונית. בפרק השלישי מוצגת ומפורטת מתודולוגיית הניסויים והבדיקות שבוצעו במסגרת המחקר לבדיקת תכונות החומר והתסבולת המבנית, תיאור הדגמים, מערך הניסויים ומהלך הניסויים. בפרק הרביעי מתוארות תוצאות הניסויים ובפרק החמישי - ניתוח התוצאות והשוואה לחישובים תיאורטיים, נוסחאות התקינה ותוצאות של אנליזות נומריות. בפרק השישי מובא סיכום ומסקנות מעיבוד התוצאות וכן המלצות למחקרים עתידיים.

3. מטרות המחקר

למחקר המוצע שלוש מטרות עיקריות כמפורט להלן:

1) לבדוק וללמוד את תכונותיהם המכניות של קירות דֶבֶּש.

2) לחקור את התסבולת לגזירה של אלמנטים שמופעלים עליהם כוחות אופקיים.

3) לספק לקהילת מהנדסי המבנים בארץ כלים מקצועיים כדי להעריך את ההתנהגות הסיסמית של מבנים קיימים שבהם קירות הדֶבֶּש מהווים חלק מהמערכת הנושאת) אם לא כל המערכת הנושאת).

4. שיטת המחקר

המחקר מבוסס על ניסויים שבהם נערכו בדיקות להערכת התכונות המכניות, הן החומריות והן המבניות (בהיבט של התסבולת לגזירה), של מדגמי קירות דֶבֶּש. המחקר בוצע לפי השלבים הבאים:

איתור דגימות אותנטיות של קירות דֶבֶּש :

לשם ביצוע הבדיקות, נדרש תחילה לאתר מבנים שיש בהם קירות דֶבֶּש כדי לנסר מתוכם דגימות ולהביאם למעבדה. עם זאת ,היה ברור שאיתור וניסור דגמים מקירות קיימים עלול להיתקל הן בבעיות הנדסיות והן בקשיים בירוקרטיים. לשם כך ,הוכנה תוכנית חלופית ליציקת דגמים במעבדה, כתחליף לדגמים האותנטיים או בנוסף להם. דגמי דֶבֶּש מעבדתיים נוצקו בתוספת לדגמים האותנטיים בניסויים שבוצעו על קורות למטרת מציאת תסבולת הגזירה של בטון הדֶבֶּש (ראה סעיף 2 להלן).

ניסויים לשם לימוד כמותי של התכונות המכניות של בטון דֶבֶּש:

לצורך אנליזה של ההתנהגות של קיר בטון דֶבֶּש יש צורך בהערכת/קביעת המאפיינים המכניים של החומר. אולם, קיים חוסר בנתונים ניסויים של התכונות המכניות של בטון דֶבֶּש, ובמיוחד התכונות הקשורות לתסבולת הגזירה. לכן, בוצעו בדיקות סטנדרטיות לקביעת התכונות המכניות של הבטון הקשוי שכללו בראש ובראשונה מדידה של חוזק הלחיצה (החד צירית), מודול האלסטיות וחוזק המתיחה (בבקיעה). בנוסף בוצעו בדיקות לא סטנדרטיות של לחיצה אלכסונית, כמתואר באיור 1. יצוין שניסויים כאלה על מדגמי קירות דֶבֶּש נערכו בארץ בפעם הראשונה. מערך הניסוי המתואר באיור מבוסס על בדיקות של קירות בני (masonry) כדוגמת אלה המתוארים על-ידי Milosevic et.al ((2013. מטרת הבדיקה היא לאמוד את תסבולת הגזירה, בדומה לאומדן שמתקבל מבדיקה של קירות בני.

איור 1: מערך הניסוי עבור בדיקת לחיצה אלכסונית

Figure 1: Test set-up for diagonal compression test

בנוסף נבדקו בשיטה זאת גם מדגמי בקרה מבטון" רגיל" על מנת לקבל ערכי ייחוס לתוצאות שהתקבלו מול תוצאות דגמי הבקרה.

לאחר ההבנה שתסבולת הגזירה עבור קירות דֶבֶּש תמירים לא מתקבלת מניסוי לחיצה אלכסונית, נעשו במסגרת המחקר בדיקות נוספות של דגמי קורות שתוכננו להיכשל בגזירה. כדי לאפיין את תסבולת בטון הדֶבֶּש לגזירה נעשו ניסויים על שלוש קבוצות של מדגמי קורות עם ובלי חיזוק באמצעות יריעות פחמן (FRP - fiber reinforced polymer): דגמים אותנטיים מבטון דֶבֶּש, דגמי דֶבֶּש מעבדתיים ודגמי בקרה מעבדתיים. המחקר התבסס על ניסויי מעבדה סטטיים של קורות נשענות חופשי על שני סמכים אשר הועמסו באמצעות כוח מרוכז במרכז הקורה (סכימה של '3-point-loading') כמתואר באיור 2 עבור דגמים אותנטיים מבטון דֶבֶּש.

איור 2: מערך הניסוי עבור כשל בגזירה

Figure 2: Test set-up for shear failure

ניתוח תוצאות הניסויים, תוך התמקדות ביישומם בתכנון שמטרתו הערכת העמידות הסיסמית של קירות דֶבֶּש:

ניתוח זה הינו עיוני ומטרתו להראות כיצד נעשה שימוש בממצאים הניסויים לשם הערכה כמותית של התסבולת והקשיחות לגזירה של קירות דֶבֶּש.

5. תרומת המחקר

שידרוג וחיזוק מבנים קיימים הוא תחום שהעיסוק בו הולך וגובר. כך למשל, זה הוא אחד הנושאים שיתווספו למהדורות המודל-קוד החדש (Model Code 2020). בהקשר זה, היה סימן שאלה לגבי תכונותיהם המכניות של קירות בטון הדֶבֶּש במבנים שונים בארץ, בשל מבנהו של בטון זה ובשל חריגת חוזקו בלחיצה מתחום הבטונים התקניים המוכרים למהנדסי המבנים. לעומת המצב הנוכחי, בו נאלצים המהנדסים להעריך את התסבולת של מבנים קיימים, וזאת, ללא ידע ממשי של התכונות המכניות של קירות אלה, תוצרי מחקר זה יאפשרו לראשונה להשתמש בנתונים מדודים של התכונות המכניות או להעריך תכונות אלה באופן המבוסס על ממצאי המחקר, לפי חוזק הלחיצה של הבטון. לפיכך, ממצאי מחקר זה יאפשרו למהנדסים להעריך את התסבולת ואת אופן השדרוג של מבנים ישנים המכילים קירות דֶבֶּש, על בסיס נתונים בדוקים של תכונות החומר. בנוסף, ממצאי המחקר בנוגע לתסבולת הגזירה של בטון הדֶבֶּש יאפשרו חישובים והערכות הנדסיות מושכלות ומבוססות. לפיכך, לתוצאות המחקר המוצע חשיבות מהיבטים אלה: הן מאפשרות הערכה מערכתית של מצבם של מבנים ישנים רבים, תכנון יעיל וטוב יותר של חיזוקם ושדרוגם, וכן יוכלו גם לעזור למקבלי ההחלטות בקביעה של סדרי עדיפויות בהקצאת משאבים לשיפור המוכנות של מבנים קיימים לאירוע של רעידת אדמה.

על סמך תוצאות הבדיקות והניסויים שנערכו פותחו קשרים מתאימים בין חוזק הלחיצה ובין חוזק המתיחה ומודול האלסטיות. כמו כן, נמצא שנוסחת התקן הנוכחית להערכת חוזק הגזירה של רכיבי מבנה שאינם מכילים זיון לגזירה מתאימה גם לקירות הדֶבֶּש (אשר בדרך כלל אינם מכילים פלדת זיון). בעוד שחוזק זה מתאים להערכת התסבולת לגזירה של קירות דֶבֶּש יחסית תמירים (שהיחס בין גובהם לאורכם גדול מ-~1 עד 1.5), הערכת התסבולת של קירות נמוכים תתבסס על חוזק המתיחה של הבטון. ממצאי מחקר אלה יאפשרו למהנדסים להעריך, לפי חוזק הלחיצה של מדגם שנלקח מקיר קיים, את תכונות החומר האחרות הנחוצות לתכנון חיזוקו.