زلزله و فناوری های نوین

انسان همواره در طول تاریخ سازه های بسیاری را برای مقابله با نیروهای طبیعت ساخته و برای بهبود آن ها تلاش کرده است. انرژی زلزله یکی از مخربترین انرژی­ ها در طبیعت است. انتشار امواج زلزله از طریق زمین منجربه تخریب ساختمان ها و نیز خسارت های مالی و جانی هنگفتی می شود؛ به طوری که همه ساله به طور تقریبی بیش از ده هزار نفر را به کام مرگ می کشاند و تاکنون در طی 4000 سال گذشته جان بیش از پانزده میلیون نفر را گرفته است. طی دهه های گذشته دانشمندان و مهندسان در تلاش برای بهبود رفتار لرزه ای سازه ها، مصالح و فناوری های نوین زلزله متفاوتی را ارائه کرده اند.

• برای آشنایی با فناوری های نوین زلزله با ما همراه باشید.

چگونه یک زلزله به ساختمان شما آسیب می رساند

برای محافظت در برابر زلزله نخست بایستی درک صحیحی از چگونگی مکانیزم زلزله داشته باشیم. به هنگام وقوع زلزله، امواج آن در بازه های زمانی کوتاه و در جهات مختلف منتشر می شود. ساختمان ها که برای تحمل بارهای ثقلی طراحی شده اند، توانایی مقابله با نیروهای جانبی ناشی از زلزله را ندارند. این نیروی جانبی دیوارها، سقف ها، تیر ها، ستون ها و اتصالات آن ها را به ارتعاش در می آورد و به آن ها آسیب می رساند. اختلاف جابجایی در بالا و پایین ساختمان (دریفت طبقات) منجربه ایجاد تنش زیادی می شود که در نهایت ساختمان را به سمت واژگونی سوق می دهد.

از ستون های سنگی تا فناوری های نوین زلزله

تاریخچه طراحی لرزه ای سازه ها

در نگاه اول سالم نگاه داشتن ساختمان در برابر زلزله بسیار ساده است:

“دیوارها و ستون ها را به اندازه کافی قوی بساز تا از واژگونی خودشان و سقف های متصل به آنها در برابر زلزله محافظت کنند.”

شواهد تاریخی صحت این رویکرد را در تالارها، کلیساها و ساختمان های قدیمی که از ستون ها و دیوار های ضخیم سنگی به همراه پنجره های کمتر (که امروزه تحت عنوان بازشو میشناسم) تشکیل شده بودند، نشان می دهند. حال آنکه امروزه شرایط به گونه دیگریست.

تکامل و تغییرات مصالح و طراحی ها

در خلال قرن 20 ام میلادی مصالح نوینی همچون فولاد ضمن ارائه ظرفیت نیرویی بیشتر میتوانستند سازه های سبک تری ارائه دهند. با پیشرفت طراحی های معماری، سازه ها تقاضای فضاهای بیشتری را می کردند (پنجره های بیشتر، ستون های کمتر و..)، که در واقع ساختمان را به اسکلتی متشکل از تیر و ستون تبدیل می کرد. این نوع از طراحی برای تحمل بارهای ثقلی مناسب و کم هزینه بود، لیکن در برابر بارهای جانبی شرایط متفاوتی حاکم بود.

ترکیب بتن و فولاد

مهندسان برای استفاده از ظرفیت فشاری بالای بتن و برای محدودیت ظرفیت کششی آن به ترکیب بتن و فولاد روی آوردند. در این ترکیب برای مقابله با نیروهای فشاری و کششی ایجاد شده در قاب ساختمانی ناشی از زلزله، فولاد نیرو های کششی و بتن نیرو های فشاری را تحمل می کند.
این مکانیزم نیز نشان داد که به تنهایی یارای مقابله با نیروی زلزله را ندارد. زلزله فوکویی ژاپن در سال 1948، زلزله سن فرناندو ایالات متحده در سال 1971و زلزله تانگشان چین در سال 1976 که منجربه واژگونی بسیاری از این سازه های مدرن شد نیز صحت این مهم را ثابت کرد. این زلزله ها به ما نشان دادند که طراحی لرزه ای سازه های مدرن فولادی و بتنی مسلح به تنهایی پاسخگوی نیروی زلزله نمی باشد؛ بلکه فناوری نوین زلزله الحاقی را میطلبد.

دهه 70 میلادی طراحی براساس ظرفیت را ارائه می کند

پیشرفت های طراحی در دهه 70 میلادی منجربه ارائه روند طراحی لرزه ای جدیدی شد که به سرعت در تمام جهان پذیرفته شد و مورد استفاده قرار گرفت. این روش که به نام طراحی ظرفیتی شناخته می شود، بخش های مشخصی از تیر ها و دیوار های برشی را به نحوی طراحی می کند که به آن ها اجازه تغییر شکل های لازم را بدهد تا به این صورت نیروی زلزله را در نقاط مشخصی جذب کند که سازه سالم باقی بماند. چالش اصلی این طراحی جلوگیری از واژگونی سازه بدون در نظر گرفتن تکان ها و آسیب دیدگی اعضای سازه ای و غیر سازه ای می باشد. این در حالیست که امروزه تامین امنیت جانی و مالی انسان ها از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد و نیز از طرفی در سازه هایی نظیر بیمارستان ها اهمیت و ارزش مالی اعضای غیر سازه ای بسیار بالا می باشد. این استدلال در حالی مطرح می شود که در بیمارستان سهم هزینه خود سازه به تنهایی می تواند حدود 20٪ از هزینه اولیه را شامل شود، در حالی که سهم اعضای غیر سازه ای می تواند تا 80٪ نیز باشد.

• با توجه به مشکلات ناشی از زمین لرزه در سازه ها، محققان و مهندسان فناوری های نوین زلزله مختلفی را برای کنترل لرزه ای سازه ها با هدف کاهش تلفات ارائه کرده اند. برای آشنایی با فناوری های نوین زلزله با ما همراه باشید.

• جداگر سربی لاستیکی (LRB)

یکی از فناوری های نوین زلزله برای مقابله با نیروی جانبی زلزله جداگر سربی لاستیکی (Lead Rubber Bearing) می باشد. همانگونه که از نام این فناوری نیز پیداست مبنای این فناوری نوین زلزله جداسازی سازه از زمین می باشد. سیستم جداگر سربی لاستیکی متشکل از لایه های لاستیکی و سربی به همراه هسته سربی در میان آن، می باشد که به هنگام زلزله به ارتعاش درآمده و از نوسان سازه جلوگیری می کند. این فناوری نوین زلزله منجر به فعال شدن مود صلب سازه می شود، به این ترتیب عملاً جابجایی نسبی طبقات سازه صفر می شود و سازه و اجزای غیر سازه ای درون آن سالم باقی می مانند.

• لرزه گیر (میراگر ویسکوز (VD))

یکی دیگر از فناوری های نوین زلزله که به هنگام زلزله از ساختمان در برابر واژگونی محافظت می کند میراگر ویسکوز مایع می باشد. شاید با لرزه گیرهای ماشین (کمک فنر) آشنا باشید، میراگر ویسکوز مایع نیز حاصل استفاده مهندسان از همان فناوری در کنترل ارتعاشات لرزه ای سازه ها است. همانند لرزه گیر ماشین، میراگر ویسکوز نیز به هنگام زلزله شدت امواج ورودی زلزله به سازه را کاهش می دهد و جذب خود می کند و به این طریق به سازه کمک می کند تا در برابر زلزله به آرامی مقاومت کند.

• میراگر جرمی تنظیم شونده (TMD)

میراگر جرمی تنظیم شونده از جمله فناوری های نوین زلزله می باشد که با افزودن جرم به سازه ارتعاشات ناشی از زلزله را کنترل می نماید. این فناوری نوین زلزله که مدت هاست مورد استفاده مهندسین قرار گرفته، به هنگام وقوع زلزله با اعمال نیرویی در خلاف جهت حرکت سازه، از آن در برابر زلزله محافظت می نماید. از میراگر جرمی تنظیم شونده در سازه های بلند و میان مرتبه، پل ها و … استفاده می شود.

فیوز ها

ایده استفاده از فناوری های نوین زلزله به عنوان فیوز از همان فیوز های مورد استفاده در مدار های الکتریکی گرفته شده است. هدف اصلی در این ایده عدم آسیب دیدگی اعضای سازه ای و غیر سازه ای می باشد. از مزیت های اصلی استفاده از فیوز می توان جلوگیری از آسیب دیدگی اعضای سازه ای و غیر سازه ای و نیز تعویض پذیر بودن آن را نام برد. از جمله این فناوری های نوین زلزله می توان مهاربند کمانش تاب (Buckling Restrained Brace یا BRB) و میراگر اصطکاکی (Friction Damper) را نام برد.

این فناوری نوین زلزله درست زمانیکه سطح نیرو ها از حدی که توسط طراحان تعیین می گردد بالاتر می رود فعال می شود و با جذب انرژی مانع افزایش سطح نیرو در اعضای سازه می شود، به عبارت دیگر با بالا رفتن سطح انرژی فیوز جریان ورودی به مدار را قطع کرده و از اعضای مهم آن محافظت می کند.

• مهاربند کمانش تاب (BRB)

یکی از مؤثرترین فناوری های نوین زلزله که بر پایه ایده استفاده از فیوز در مدار های جریان برای محافظت از سایر اعضای مدار بنا شده است، مهاربند کمانش تاب (BRB) می باشد. این فناوری نوین زلزله قادر می باشد تا میزان قابل توجهی از انرژی لرزه ای ورودی به سازه را با استفاده از رفتار چرخه ای پایداری (متقارن در فشار و کشش) جذب و مستهلک کند. مهاربند کمانش تاب به هنگام وقوع زلزله با رسیدن به حد تنش تسلیم خود اجازه نمی دهند که نیرو در سایر اعضا بالاتر رود و نیز پس از زلزله به راحتی و بدون تهدیدی برای عملکرد سازه تعویض می گردد.

• میراگر اصطکاکی(FD)

میراگر اصطکاکی از دیگر فناوری نوین زلزله می باشد که به هنگام زلزله بر اساس قواعد مربوط به یک میراگر کولمب یا یک ترمز اصطکاکی که انرژی جنبشی را به وسیله اصطکاک به حرارت تبدیل می‌کند، در نقش فیوز هایی دائمی (بدون نیاز به تعویض پس از زلزله) ظاهر شده و سازه را در برابر آسیب های ناشی از امواج زلزله مصون نگاه می دارد. میراگر اصطکاکی به ساختمان‌ کمک می‌کند که بتواند به صورت بازگشت پذیری ارتعاش کند و انرژی زمین لرزه را مستهلک نماید.

میراگر اصطکاکی با استهلاک انرژی لرزه ای ورودی به ساختمان، به آن کمک می کند تا در محدوده ارتجاعی باقی بماند و ارتعاشی ارتجاعی داشته باشد. این مهم علاوه بر صرفه جویی در هزینه و بهینه سازی اعضای سازه ای، از اعضای غیر سازه ای نیز محافظت می کند تا در سازه های مهمی نظیر بیمارستان ها که اعضای غیر سازه در کنار نقش مدیریت بحران پس از زلزله، نقش تعیین کننده ای  در هزینه ساخت کل بیمارستان دارند، از آسیب مصون باقی بمانند.

• ردای نامرئی کننده زلزله

دانشمندان به تازگی به فناوری نوین زلزله ای دست یافتند که به جای مقابله با امواج زلزله، سعی در منحرف کردن امواج از سازه دارد، به تعبیری با استفاده از این فناوری نوین زلزله سازه از دید امواج زلزله نامرئی می گردد. در این فناوری رینگ های بتنی و پلاستیکی هم مرکزی  به فاصله یک متر (یا بیشتر) درست در زیر پی اصلی سازه قرار می گیرند. به هنگام زلزله، وقتیکه امواج زلزله به این رینگ ها می رسند به ناچار بایستی از آن ها عبور کنند. در خلال عبورشان انرژی آن ها مستهلک و به کلی از خود سازه دور می شوند.

• آلیاژ حافظه دار شکلی  (SMA)

دانشمندان دانشگاه توهوکو ژاپن با بهره گیری از ایده فیوز که پیشتر ارائه گردید، یک گام فراتر برداشتند و آلیاژ فلزی هوشمندی با رفتاری الاستیک ارائه کردند که می تواند همچون فیوز انرژی را جذب خود کند و از سایر اعضای ساختمان محافظت نماید سپس پس از زلزله به راحتی به فرم قبلی خود پیش از تغییر شکل بازگردد.
آلیاژ حافظه دار شکلی (Shape Memory Alloy یا SMA) نوعی فناوری نوین زلزله هوشمند می باشد که هم می تواند مقاومتی بالا همچون آلیاژ های پرمقاومت فولادی داشته باشد، هم رفتار الاستیکی از خود ارائه دهد. این فناوری نوین زلزله با حرارت به شکل اولیه خود باز می گردد. با استفاده از این فناوری نوین زلزله در نقاط کلیدی ساختمان (به عنوان مثال استفاده از مهاربندی از جنس SMA) می توان بخش زیادی از انرژی زلزله را جذب و مستهلک نمود سپس بعد از وقوع زلزله با حرارت دادن به SMA آن را به فرم اولیه خود بازگرداند.

∗استفاده از مطالب این صفحه با ذکر منبع بلامانع است.