زلزله و سونامی بزرگ توهوکو در سال 2011

روز جمعه، 11 مارس 2011 در ساعت 14:46 به وقت محلی زمین لرزه عظیمی با بزرگای گشتاوری 9 سواحل شمال شرقی ژاپن را لرزاند. کانون این زلزله در اقیانوس آرام بود و باعث شد پس از یک زلزله مهیب و طولانی، یکی از شدیدترین سونامی های ممکن در شهرهای مجاور سندایی رخ دهد.

مدت زمان ثبت شده برای این زلزله در ایستگاه های مختلف حدود 3 دقیقه بوده که در نوع خود یکی از طولانی ترین زلزله های تاریخ بوده است. اما تنها یک ساعت پس از زمین لرزه اصلی موج های عظیم سونامی به سواحل شهر میاکو رسید. این موج ها که ارتفاع آن به 39 متر هم  می رسید، به داخل مناطق ساحلی نفوذ کرد، به طوری که در شهر سندایی تا فواصل 10 کیلومتری از ساحل و مساحتی معادل 561 کیلومتر مربع از آن، تحت تاثیر قرار گرفت. این سونامی در سواحل شیلی که حدود 17 هزار کیلومتر با مرکز زلزله فاصله داشت، امواجی به ارتفاع 2 متر ایجاد کرد. شریان های حیاتی انتقالی نظیر جاده ها و خطوط ریلی راه آهن طی این واقعه دچار آسیب دیدگی جدی شدند، که منجر به تاخیر در انتقال مصدومان و رساندن تجهیزات به مناطق آسیب دیده شد. بیش از 436 جاده، 43 پل، 7 خط راه آهن و 5 سد خاکی به طور کامل تخریب گردید. کمبود آب و غذا و حتی فقدان آب تازه در بسیاری از مناطق این ناحیه منجر به سهمیه بندی گردید.

تلفات اعلام شده طبق آمار رسمی برابر با 15891 کشته، 6152 مجروح و 2584 مفقودی می باشد. بیش از 92 درصد تلفات این واقعه مربوط به سونامی ناشی از این زمین لرزه بوده است. بیش از 120 هزار ساختمان کاملاً ویران شد، 278 هزار ساختمان به صورت نیمه ویران در آمد و حدود 726 هزار ساختمان دیگر آسیب دید. خسارت مستقیم این زلزله نزدیک به 199 میلیارد دلار تخمین زده شد و به طور کلی طبق اعلام USGS خسارت اقتصادی این زلزله حدود 309 میلیارد دلار برآورد شد. بانک جهانی مدعی شد این زلزله پرخسارت ترین بلای طبیعی در تاریخ بشریت بوده است.

کشور ژاپن همواره یکی از آماده ترین کشورهای دنیا برای مقابله با زلزله بوده و این آمار برای این کشور بسیار زیاد است. این در حالی است که ژاپن در این واقعه از سیستم هشدار خود استفاده کرده بود، این سیستم لحظاتی پیش از وقوع زمین لرزه بر روی گوشی های موبایل، شبکه های تلویزیونی و وب سایت ها در سراسر ژاپن اعلام هشدار کرده بود که در واقع به شهروندان سندایی بین 10 تا 30 ثانیه و به شهروندان توکیو 60 ثانیه پیش از رسیدن امواج مخرب هشدار  داده شده بود و مردم شهرهایی که نسبتاً از مرکز زلزله دور بودند، فرصت پناهگیری در مکان هایی امن را داشته اند که خوشبختانه این امر تلفات را به شدت کاهش داد.

فاجعه نیروگاه هسته ای دایچی فوکوشیما یکی دیگر از جنبه های تخریبی این زلزله بود. این نیروگاه که توسط امواج سونامی تخریب شد، که طبق ادعای مسئولین برای این امواج طراحی نشده بود. در نتیجه این تخریب موجب آزاد شدن مواد رادیواکتیو و بسیار خطرناک هسته ای در خارج از نیروگاه شد و سبب شد تا آب این منطقه به مواد رادیواکتیو آغشته شود. این امر دولت را وادار به تعیین ناحیه پرواز ممنوع به شعاع 30 کیلومتری از مجموعه نیروگاه کرد، که از این حیث مشکلات عدیده ای را در امداد رسانی به وجود آورد.

بررسی عملکرد سازه های دارای جداگر لرزه ای در زلزله توهوکو

زلزله توهوکو در سال 2011 را می توان بهترین آزمایش طبیعت بر تجهیزات کنترل ارتعاشات لرزه ای برای انواع سازه ها دانست. چرا که تعداد ساختمان های کنترل شده در این زلزله، از تعداد کل ساختمان های کنترل شده ای که پیش از این تحت زلزله قرار گرفته بودند، بیشتر بود.

کشور ژاپن را می توان سرآمدترین کشور در زمینه استفاده از انواع میراگرها و جداگر لرزه ای دانست. طبق گزارشی که در سال 2012 و پس از زلزله توهوکو منتشر شد، در این کشور بیش از 2900 ساختمان تجاری و 4400 ساختمان مسکونی از سیستم جداگر لرزه ای بهره برده اند. پس از این زلزله انجمن جداگر لرزه ای ژاپن (JSSI) پرسشنامه ای از ساکنان 327 ساختمان که در آن ها از سیستم جداگر لرزه ای استفاده شده بود، جمع آوری و درباره وضعیت این ساختمان ها تحقیق کرد. نتایج تحقیقات آن ها نشان داد که حتی در اثر لرزه های بسیار شدید نیز سازه تمامی این ساختمان ها بدون خسارت باقی مانده و تحت این زلزله بسیار بزرگ عملکرد بسیار خوبی از خود نشان داده است. بیمارستان صلیب سرخ شهر ایشینوماکی نمونه ای شاخص از این ساختمان ها است که پس از زلزله کاملا سالم ماند و بدون هیچ وقفه ای به سرویس دهی خود ادامه داد. طبق گفته رئیس این بیمارستان، پس از زلزله هیچ فردی از کادر بیمارستان دچار آسیب دیدگی نشد و هیچ بخشی از بیمارستان مختل نشد. شهر ایشینوماکی، یکی از شهر های ساحلی ژاپن است که حدودا 46 درصد از آن به دلیل زلزله و سونامی کاملا ویران شد و 3000 نفر در این شهر کشته شدند.

 زلزله توهوکو این امکان را فراهم کرد تا ساختمان های با مقیاس واقعی، تحت زلزله ای با مدت زمان طولانی، فرکانس پایین و دامنه شتاب بسیار بالا قرار بگیرند و عمکردشان به خوبی  محک بخورد. این زلزله ثابت کرد که جداگر لرزه ای نه تنها سازه بلکه افراد ساکن و اشیای درون آن را می تواند از آسیب های لرزه ای مصون نگاه دارد؛ حتی در نواحی آسیب دیده بیمارستان هایی که به جداگر لرزه ای مجهز بودند نه تنها آسیب ندیدند بلکه موفق به امداد رسانی بی وقفه به مجروحان این حادثه نیز شدند.

در ادامه عملکرد سه ساختمان بلندمرتبه که به جداگر لرزه ای مجهز شده بودند تحت این زلزله 9 ریشتری، بررسی می گردد:

(1). ساختمان 18 طبقه MT واقع در سندایی:

ساختمان MT سندایی در واقع یک ساختمان اداری 18 طبقه به ارتفاع 84.9 متر می باشد که در شهر سندایی واقع در شرق ژاپن، قرار گرفته و در سال 1999 ساخته شده است. این سازه اولین سازه ای با ارتفاع بیش از 60 متر در ژاپن می باشد که به جداگر لرزه ای تجهیز شده است.  این سازه مجهز به 26 جداگر سربی لاستیکی (LRB) و 10 تکیه گاه PTFE می باشد.

حداکثر جابجایی در بام این ساختمان، تقریباً 23 سانتیمتر ثبت شده است. شتاب سنج زیر تراز جداگر،حداکثر شتاب 0.317g را ثبت کرده است، در حالیکه حداکثر شتاب طبقات در هر 18 طبقه مقداری مابین نصف الی دو سوم این مقدار ثبت شده بوده است. در مجموع در این ساختمان هیچ گونه خسارت سازه ای رویت نشد و پس از زلزله سازه کاملاً قابل استفاده بود. تنها بخش هایی از پوشش درز انقطاع های مربوط به جداگر لرزه ای آسیب دیدند که به راحتی تعمیر شدند.

(2).ساختمان 27 طبقه یوزمی:

برج یوزمی یک ساختمان بلند مرتبه 26 طبقه ای (به همراه 3 طبقه زیر زمین) به ارتفاع 134 متر می باشد که در سال 2008 مراحل ساخت آن به پایان رسید. سیستم جداگر لرزه ای این ساختمان شامل 25 عدد جداگر سربی لاستیکی (LRB) و 24 عدد تکیه گاه لغزشی PTFE می باشد. سیستم میراگرها نیز شامل 12 عدد میراگر ویسکوز نیمه فعال و 12 عدد میراگر ویسکوز غیرفعال است که ضریب میرایی میراگرهای نیمه فعال با توجه به نیاز سازه بین دو مقدار قابل سوییچ می شود. همچنین در طبقات بالایی این ساختمان از میراگرهای ویسکوالاستیک استفاده شده است. نکته قابل توجه دیگر در برج یوزمی این است که جداگر استفاده شده در این سازه در ترکیب با میراگر نیمه فعال در تراز جداگر عمل می کنند. حداکثر جابجایی ثبت شده برای این ساختمان تحت زلزله توهوکو تقریباً 10 سانتیمتر می باشد. در این ساختمان نه تنها هیچ خرابی سازه ای و غیرسازه ای گزارش نشده است بلکه ساختمان پس از زلزله عملکرد بی وقفه خود را حفظ کرده بود.

(3).ساختمانJ2 موسسه تکنولوژی ژاپن:

ساختمان J2 در واقع یک ساختمان 20 طبقه اداری به ارتفاع 91 متر از موسسه تکنولوژی ژاپن واقع در یوکوهاما می باشد.پی و طبقه اول این سازه، بتنی و مابقی طبقات این سازه سیستم ترکیبی متشکل از تیر های فولادی و ستون های CFT می باشد. در این ساختمان 20 طبقه از 16 عدد جداگر سربی لاستیکی (LRB) و 14 عدد میراگر تسلیمی و 2 عدد میراگر ویسکوز که موازی با جداگر عمل می کنند، استفاده شده است. ابعاد پلان این ساختمان تقریباً 46 متر در 18 متر است و با توجه به ارتفاع 91 متری آن، در بعد کوچکتر نسبت ارتفاع به دهانه تقریباً 5 می باشد که این نسبت پتانسیلی برای ایجاد نیروی کششی در تراز پی ایجاد می کند. برای مقابله با این مسأله، از نوعی واشر فنری فولادی و بولت های خاص استفاده شده که در صورت وقوع بلندشدگی، این المان ها باعث محدود کردن تنش کششی وارده به جداگر لاستیک سربی (LRB) می شوند.

حداکثر جابجایی این ساختمان 12.5 سانتیمتر بود و حداکثر شتاب وارده در تراز قرارگیری جداگر لرزه ای 0.07g ثبت شد که در مقایسه با حداکثر شتاب ثبث شده در طبقه 20ام (0.118g) مشخص شد که سیستم جداگر لرزه ای در حداقل کردن اثر بزرگنمایی دینامیکی در ارتفاع بسیار کارآمد عمل کرده است.