به گزارش سرویس ترجمه ایمنا، بر اساس مرکز ملی اطلاعات زلزله ایالات متحده، سالانه به طور متوسط ۲۰ هزار زمین لرزه رخ می‌دهد که از این بین ۱۶ زمین‌لرزه به فاجعه‌های بزرگ و گسترده تبدیل می‌شود. در ۲۹ شهریور ۱۳۹۶، زلزله‌ای به بزرگی ۷.۱ در مقیاس ریشتر پایتخت مکزیک را لرزاند و حدود ۲۳۰ نفر جان باختند.
مانند سایر زمین لرزه‌ها، علت اصلی خسارات، خود زمین لرزه نبود بلکه ریزش ساختمان‌ها بر روی ساکنین موجب بالا رفتن تلفات شده بود؛ به همین علت، بنای ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله یکی از ارکان مهم شهرسازی به ویژه در مناطق زلزله‌خیز تلقی می‌شود. طی چند دهه گذشته، مهندسان طرح‌ها و مصالح ساختمانی نوینی برای تجهیز بهتر ساختمان‌ها برای مقابله با زلزله معرفی کرده‌اند که در این گزارش به چند مورد از آن‌ها می‌پردازیم.
نحوه تأثیر زلزله بر ساختمان‌ها
قبل از هر چیز مهم است که درک کنیم چگونه زمین لرزه‌ها بر سازه‌های بنا شده توسط بشر تأثیر می‌گذارد. هنگام وقوع زلزله، امواج ارتعاشی در فواصل زمانی کوتاه و سریع در جهات مختلف به سراسر زمین فرستاده می‌شود. با رسیدن امواج به ساختمان، نیروی جانبی بر سازه وارد شده و این نیروی جانبی موجب لرزش دیوارها، کف‌ها، ستون‌ها، تیرها و اتصالات می‌شود. تفاوت جابه‌جایی بین قسمت‌های پایین و بالای ساختمان‌ها باعث ایجاد تنش شدیدی می‌شود که قاب تحمل کننده نیرو را گسیخته و کل سازه فرو می‌ریزد.
چطور یک سازه مقاوم در برابر زلزله بسازیم
ایده محافظت از ساختمان‌ها در برابر اثرات مخرب زلزله، سال‌های زیادی است که مورد توجه پژوهشگران و مهندسان قرار گرفته است. راهکارهای متعددی برای مقاوم ساختن ساختمان‌ها در برابر زلزله وجود دارد و مطابق با شرایط، هر کدام می‌تواند مزایایی بر دیگری داشته باشد. در ادامه با برخی از روش‌های مورد استفاده برای کمک به ساختمان‌ها جهت تحمل بار زلزله آشنا می‌شویم.
۱- ساخت شالوده‌های انعطاف پذیر (استفاده از جداسازهای لرزه‌ای)
یکی از روش‌ها مقاومت در برابر نیروی زلزله این است که پایه سازه بالاتر از سطح زمین ساخته شود. در این روش ساختمان بر روی تکیه گاه‌هایی که معمولا از جنس لاستیک، فولاد و سرب است و قابلیت تغییر شکل بالایی دارند بنا شده و از زمین جدا می‌شود.
به این تکیه گاه‌ها «جداسازهای لرزه‌ای» می‌گویند. با وقوع زلزله و حرکت زمین، جداسازها ارتعاش پیدا می‌کنند در حالی که سازه مانند جسم صلبی (سفت و محکم) ثابت است و یا با تغییر شکل‌های کوچکی ارتعاش می‌کند.
این روش به طور مؤثر به جذب امواج لرزه‌ای کمک می‌کند و مانع از انتقال آن‌ها به ساختمان می‌شود.
۲- خنثی کردن نیروهای وارد به سازه با میراگرها
شاید بدانید خودروها دارای ضربه گیر (کمک فنر) هستند اما ممکن است ندانید که مهندسین از آن‌ها برای بنای ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله استفاده می‌کنند. ضربه گیرها در ساختمان مانند خودرو، مقدار امواج شوک را کاهش داده و به پایداری سازه کمک می‌کنند. این دستاورد به دو شیوه تعبیه دستگاه‌های کنترل ارتعاشات و یا تجهیز ساختمان به میراگرهای آونگی می‌تواند صورت گیرد؛ به منظور کاهش ارتعاشات ناشی از باد یا زلزله در ساختمان‌های بلند، از ابزاری به نام میراگر استفاده می‌شود که با کاهش جابجایی کل سازه، شتاب پاسخ و تغییر مکان جانبی طبقات، میزان خسارات سازه ای و غیر سازه ای را به حداقل می‌رساند.
دستگاه‌های کنترل کننده ارتعاشات که یک نمونه از آن‌ها "میراگرهای ویسکوز" است، در طبقات ساختمان بین تیر و ستون جانمایی می‌شود. این میراگرها شامل یک سیلندر است که با روغن سیلیکون پر شده و یک پیستون در آن تعبیه شده است. وقتی زمین لرزه رخ می‌دهد، ساختمان انرژی ارتعاشی را به پیستون‌ها منتقل می‌کند، پیستون به روغن فشار می‌آورد و انرژی ارتعاشی تبدیل به گرما شده و تلف می‌شود؛ به عبارتی دیگر نیروی ارتعاشات را مستهلک می‌کند.
میراگرهای آونگی که ابتدا از آن‌ها در آسمان خراش‌ها استفاده شد، شامل گوی بزرگی است که به‌وسیله کابل‌های فولادی با سیستم هیدرولیک در بالای ساختمان معلق می‌شود. هنگامی که ساختمان نوسان می‌کند، گوی به‌عنوان یک آونگ عمل کرده و با حرکت در جهت مخالف حرکت سازه، آن را پایدار می‌کند. فرکانس حرکت این آونگ تقریبا بر فرکانس ارتعاش ساختمان منطبق است تا بتواند نیروهای وارد شده را با جابه‌جایی در فاز مخالف خنثی کند.
۳. محافظت ساختمان از ارتعاشات
محققان در حال ارزیابی روش‌هایی هستند که به جای مقابله مطلق با نیروی زلزله، ساختمان‌ها از امواج تولید شده از زلزله در امان باشند یا به عبارتی دیگر، از انتقال برخی امواج لرزه‌ای به ساختمان جلوگیری کنند. این نوآوری که «پوشش نهان‌ساز لرزه‌ای» (Seismic invisibility cloak) نام دارد، شامل جداره‌ای با حدود ۱۰۰ رینگ پلاستیکی و بتنی هم مرکز است و حداقل تا عمق یک متر پایین‌تر از پی ساختمان دفن می‌شوند.
با وقوع زلزله، امواج لرزه‌ای به رینگ وارد شده، در امتداد آن حرکت کرده و از طرف دیگر خارج می‌شود و در نتیجه، ساختمان از برخورد امواج مصون مانده و امواج در صفحات موجود در زمین تلف می‌شوند.
۴. تقویت سازه ساختمان
دیوارهای برشی ، مهاربندهای ضربدری و قاب‌های خمشی از روش‌های مرسوم برای تقویت ساختمان در مقابل اثرات مخرب زلزله محسوب می‌شود. دیوارهای برشی، یک فناوری ساختمانی مؤثر برای انتقال نیروهای زلزله است؛ این دیوارها مانند صفحاتی از شالوده ساختمان تا طبقات بالا شده و به ساختمان کمک می‌کند فرم خود را در حین حرکت ناشی از نیروی جانبی حفظ کند.
مهاربندهای فولادی نیروهای برشی زلزله را به فشار و کشش تبدیل کرده و آن را تحمل و به شالوده منتقل می‌کنند. اما دیافراگم‌ها به لحاظ صلبیت دارای اهمیت بسزایی در انتقال و مستهلک نمودن بارهای جانبی وارد به ساختمان دارند؛ دیافراگم‌ها متشکل از قاب‌های افقی و کف‌ها و سقف‌ها است و تنش‌ها را به المانهای عمودی ساختمان و مهاربندها منتقل می‌کند.
قاب‌های خمشی، انعطاف پذیری بیشتری برای طراحی ساختمان ایجاد می‌کنند. در این سیستم ستون‌ها و تیرها تغییر شکل می‌دهند در حالی که اتصالات "صلب" باقی می‌مانند. بنابراین، ساختمان قادر به مقاومت در برابر نیروهای بزرگ‌تری از زلزله است و به طراحان اجازه می‌دهد آزادی بیشتری برای جایگذاری عناصر ساختمان داشته باشند.
مصالح مقاوم در برابر زلزله
در حالی که ضربه گیرها و آویزها به میرایی انرژی تا حدودی کمک می کنند، مصالح مورد استفاده در یک ساختمان به همان اندازه در پایداری ساختمان تأثیرگذارند.
فولاد و چوب: برای اینکه مصالح ساختمانی در برابر تنش‌ها و ارتعاشات مقاومت کند، باید از شکل پذیری بالایی برخوردار باشد یعنی بتواند تغییر شکل و تنش‌های زیادی را تحمل کند. ساختمان‌های جدید اغلب با فولاد سازه‌ای ساخته می‌شود چرا که به اشکال مختلفی در می‌آید و به ساختمان اجازه می‌دهد بدون شکست تغییر شکل دهد. چوب همچنین از مصالح شکل پذیر است و به دلیل وزن سبک و مقاومت زیاد مناسب است.
مصالح نوین: دانشمندان و مهندسان در حال ساخت مصالح ساختمانی جدید با حفظ شکل (shape retention) بیشتری هستند. نوآوری‌هایی مانند آلیاژهای حافظه دار، توانایی تحمل تغییر شکل‌های زیاد و بازگشت مجدد به شکل اولیه خود را دارند.
در سال های اخیر، استفاده از پارچه‌های مسلح به الیاف پلیمری رواج یافته که با چسب های خاص به اطراف ستون‌ها و یا المانهای سازه ای متصل شده و مقاومت و شکل پذیری آن را تا ۴۰ درصد افزایش می دهند.
همچنین مهندسین به‌سوی استفاده از عناصر طبیعی تمایل پیدا کرده‌اند؛ الیاف چسبنده و سخت نوعی صدف دریایی و تارهای عنکبوت با نسبت مقاومت به ابعاد زیاد، الهام بخش مهندسان برای بنای سازه‌ها هستند. بامبو و مصالح پرینت سه بعدی نیز سبک، منسجم و با اشکال متنوع هستند که به طور بالقوه می‌توانند مقاومت بیشتری برای ساختمان‌ها ایجاد کنند.
با گذشت سال‌ها مهندسین و محققین شیوه‌های مؤثری برای بنای ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله به کار برده‌اند. با پیشرفتی که امروزه فناوری و مصالح داشته‌اند هنوز جلوگیری کامل از خسارات ناشی از زلزله‌های شدید بسیار دشوار است. با این وجود، اگر یک ساختمان بتواند بدون فروریزش به ساکنین فرصت فرار دهد و ایمنی جانی آن‌ها را تأمین کند، می‌توانیم آن را موفقیت بزرگی در نظر بگیریم.
ترجمه و تنظیم: حمید بهبهانی، مترجم ایمنا
نظر شما