भूकंप मार्गदर्शक सूचना क्र. ५
संरचनेमधील जडत्व बल (Inertia Forces) :
भूकंपामुळे जमिनीला हादरे बसतात. त्यामुळे जम‍िनीवर उभ्या असणाऱ्या इमारतीला देखील त‍िच्या पायाजवळ भूकंपाच्या गतीचे परिणाम जाणवतात. न्यूटनच्या पह‍िल्या नियमानुसार जरी इमारत भूकंपामुळे जम‍िनीसह हलली तरी इमारतीचे छताला मात्र त्याच्या मूळ जागी स्थ‍िर राहण्याची प्रवृत्ती असते. वस्तुंच्या या मूळ स्थ‍िती कायम ठेवण्याच्या प्रवृत्तीला जडत्व (Inertia) असे म्हणतात. म्हणूनच भिंती आणि स्तंभ हे इमारतीच्या पायाला जोडले असले तरीही भूकंपादरम्यान ते छताला आपल्याबरोबर खेचण्याचा प्रयत्न करतात आणि जडत्वामुळे त्यांच्यामध्ये विरोध निर्माण होतो. इमारतींमध्ये भिंती आणि स्तंभ त्यांच्या पायाच्या तुलनेत सुनम्य असल्याकारणाने छताची गती जम‍िनीच्या गतीपेक्षा भिन्न असते (आकृती १) जडत्व बलाचे रोजच्या अनुभवातील उदाहरण म्हणजे स्थ‍िर बसमध्ये तुम्ही उभे असताना जेव्हा बस अचानकपणे सुरू होते. तेव्हा तुम्ही मागे फेकले जाता.
इमारतींच्या छताचे वस्तुमान (Mass) M असेल आणि त्याने अनुभवलेले त्वरण (Acceleration) a असेल तर न्यूटनच्या गतीच्या दुसऱ्या नियमाप्रमाणे F1 हे जडत्व बल होईल (वस्तुमान M गुण‍िले त्वरण a) आणि त्याची दिशा ही त्वरणाच्या व‍िरुद्ध दिशेला असेल. अर्थातच अधिक वस्तुमान म्हणजे अधिक जास्त जडत्व बल म्हणूनच हलक्या इमारती भूकंपाचे हादरे अधिक चांगल्या रितीने सहन करू शकतात.
व‍िरूपतेचे इमारतीवर होणारे परिणाम :
इमारतींच्या छताने अनुभवलेले जडत्व बल जमिनीकडे स्तंभाच्या माध्यमातून स्थानांतरित होते आणि त्यामध्ये बल निर्माण करते. आकृती २ मध्ये दाखविल्याप्रमाणे भूकंपाच्या हादऱ्यांदरम्यान स्तंभाच्या दोन टोकांमध्ये सापेक्ष हालचाल निर्माण होते. जमीन आणि इमारतीच्या छतामधील ही हालचाल यू (U) या राशीने दाखविण्यात आली आहे. परंतु मुक्त संधी मिळाल्यास स्तंभ आपल्या मूळच्या ऊर्ध्व स्थ‍ितीमध्ये येण्याचा प्रयत्न करतात म्हणजेच स्तंभ व‍िरूपतेला प्रत‍िरोध करतात. सरळ ऊर्ध्व रेषेत असताना स्तंभ कुठलेही क्षितीज पातळीतील बल धारण करीत नाहीत.
परंतु त्यांना बलपूर्वक वाकव‍िण्याचा प्रयत्न केल्यास त्यांच्यामध्ये अंतर्गत बलांची उत्पत्ती होते. स्तंभाच्या खालच्या आणि वरच्या भागातील सापेक्ष क्षितीज विस्थापन म्हणजेच यू (U) ज‍ितके जास्त त‍ितके जास्त अंतर्गत बल असते. तसेच स्तंभाचा आकार ज‍ितका जास्त किंवा ते ज‍ितके दृढ असतील त‍ितके हे बल जास्त किंवा ते ज‍ितके दृढ असतील त‍ितके जास्त अंतर्गत बल असते. तसेच स्तंभाचा आकार ज‍ितका जास्त किंवा ते ज‍ितके दृढ असतील त‍ितके हे बल जास्त असते. यामुळेच स्तंभांमधील अंतर्गत बलांना दृढता बल (Stiffness Forces) असे म्हणतात. थोडक्यात स्तंभातील दृढता बल हे स्तंभांची दृढता आणि त्याच्या दोन टोकांमधील सापेक्ष व‍िस्थापनेच्या गुणाकाराइतके असते.
क्षितीज आणि ऊर्ध्व कंपने :
भूकंपामुळे जमीन सर्व तीन दिशांना कंपन पावते. दोन क्षितीज दिशेलगत (‘क्ष’ आणि ‘य’) आणि ऊर्ध्व दिशेलगत (म्हणजे ‘झ’) (आकृती ३) म्हणजेच भूकंपादरम्यान जम‍िनीची प्रत्येक ‘क्ष’, ‘य’ आणि ‘झ’ द‍िशांदरम्यान स्वैरपणे पुढे आणि मागे (+ आणि –) अशी होते. सर्वच संरचना प्रामुख्याने गुरुत्वीय बलाचा सामना करण्याच्या दृष्टीने संकल्प‍ित केल्या जातात. म्हणजेच त्या वस्तुमान ‘M’ (यात त्या संरचनेचा स्वत:चा भार आणि अध्यारोप‍ित भाराइतके वस्तुमान यांचा समावेश होतो) आणि ऊर्ध्व अधोमुखी द‍िशेतील त्वरण उणे झ (-Z) यांच्या गुणाकाराइतके बल घेण्यासाठी संकल्प‍ित केले जातात.
एम्. जी. (Mg) या अधोमुखी बलास गुरुत्वीय बल असे म्हणतात. भूकंपादरम्यान निर्माण होणारे ऊर्ध्व त्वरण गुरुत्वीय त्वरणामध्ये मिळवले जाते किंवा वजा केले जाते. इमारतींचे संकाचन करताना गुरुत्वीय भाराचा प्रत‍िरोध करण्यासाठी सुरक्षा गुणांक (Factor of Safely) वापरण्यात येत असल्याकारणाने साधारणपणे अनेक इमारती ऊर्ध्व कंपने सहजर‍ित्या सहन करू शकतात. तथाप‍ि क्षितीज पातळीतील ‘क्ष’ आणि ‘य’ द‍िशेकडील (दोन्हींची प्रत्येकी + आणि – द‍िशेतील) हालचाल ही च‍िंतेचा व‍िषय ठरते.
भूकंपाचे संरचनेवर होणारे परिणाम :
गुरुत्वीय बलासाठी संकल्प‍ित करण्यात आलेली संरचना साधारणपणे भूकंपाची क्ष‍ित‍िजीय कंपने सहजपणे सहन करू शकत नाही म्हणूनच क्ष‍ित‍िजीय भूकंपाच्या परिणामाव‍िरुद्ध संरचना मजबूत असणे आवश्यक आहे.
जडत्व बलाचा इमारतींच्या पायापर्यंत प्रवाह :
भूकंपाच्या क्षितीज कंपनांच्या प्रभावाखाली संरचनांमध्ये त्याच्या वस्तुमानाच्या पातळीमध्ये क्षितीज जडत्व बलांची निर्म‍िती होते जे साधारणपणे लादीच्या (स्लॅबच्या) पातळीत असतात. हे पार्श्वीय जडत्व बल (Lateral Inertia Forces) लादींकडून भिंती आणि स्तंभाना त्यांच्याकडून पायाला आणि सर्वात शेवटी इमारतीखालील मृदेकडे स्थानांतरित होतात (आकृती ४) म्हणून प्रत्येक संरचनात्मक घटकांचे (लादी, भिंती, स्तंभ आणि पाया) आणि त्यांच्यामधील जोडणीचे संकलन अशा रितीने करणे आवश्यक आहे. ज्यायोगे त्यांच्यामधील जडत्व बल सुरक्ष‍ितपणे स्थानांतरित होईल.
भिंती आणि स्तंभ जडत्व बल स्थानांतरित करण्याच्या दृष्टीने अत‍िशय महत्त्वपूर्ण घटक आहेत. परंतु पारंपार‍िक बांधकामामध्ये लादी आणि तुळईच्या संकल्पन आणि बांधकामाकडे भिंती आणि स्तंभाच्या तुलनेत जास्त लक्ष दिले जाते. भिंती साधारणत: तुलनेने कमी जाडीच्या असून बांधकामाची ठिसूळ सामग्री वापरून बांधण्यात येतात. म्हणूनच अशी भ‍िंत जाडीच्या दिशेत येणाऱ्या क्षितीज जडत्व बलास प्रत‍िरोध करू शकत नाही. दगडी किंवा विटांच्याा बांधकामाचे पूर्वी झालेल्या अनेक भूकंपामध्ये मोठे नुकसान झाल्याचे निदर्शनास आले आहे (उदा. आकृती ५ अ) तसेच कमकुवत र‍ित्या संकल्प‍ित आणि बांधकाम केलेले प्रबल‍ित काँक्रिटचे स्तंभदेखील विध्वंसकारक ठरू शकतात. सन २००१ च्या भुज येथील भूकंपामध्ये तळमजल्यावरील स्तंभांच्या ऱ्हासाची परिण‍िती अनेक इमारती कोसळण्यात झाली (आकृती ५ आ).
आ. ५. क्षितीज भूकंप बलासाठी भिंती आणि स्तंभांच्या संकल्पनाचे महत्त्व
संदर्भ :
- IITK-BMTPC भूकंप मार्गदर्शक सूचना क्र. ५
समीक्षक – सुहासिनी माढेकर
