ساختمانی با مقاومت بالا در برابر زلزله بساز

مقاومت ساختمان در برابر زلزله:

زلزله یکی از بلایای طبیعی است که نه می‌توانیم آن را پیش بینی کنیم و نه می‌توانیم جلوی آن را بگیریم. بدین منظور در علم مهندسی مقاوم سازی ساختمان از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در علم مهندسی عمران مقاوم سازی ساختمان به معنی بالابردن مقاومت ساختمان در برابر نیروهای وارده است. در واقع منظور ازمقاومت‌سازی بالا بردن مقاومت در برابر نیروی زلزله نیست بلکه منظور بهبود عملکرد اجزای سازه (ساختمان) در برابر نیروی زلزله است.نیرو هایی وارد می‌شود به ساختمان به هنگام زلزله که اگر ساختمان نتواند در برابر این نیرو ها دوام بیاورد سازه شما دچار خرابی شده و تلفات جانی و مالی زیادی در پی خواهد داشت. به دلیل اینکه ستون ها مقاومت سازه را افزایش می‌دهند سازه مقاوم در برابر زلزله دارای ستون های بیشتری است. به همین دلیل احتمالا یکی از خطرناک ترین مناطق در هنگام زلزله مناطق باز خانه شما هستند.

هرچه شکل سازه به چهار ضلعی نزدیک باشد مقاوم تر است. فراموش نکنید سازه هایی که با گل و خشت و آجر ساخته شده اند نمی‌توانند در مقابل زلزله دوام بیاورند. متاسفانه زلزله ای که چند سال پیش در شهر بم رخ داد به این دلیل که خانه ها اغلب از گل بود تلفات بسیار زیادی به دنبال داشت. در این مقاله از روش های مقاوم سازی لرزه ای را معرفی می‌کنیم. چندین مورد از این تکنولوژی ها برای سال ها مورد استفاده قرار گرفته اند. موارد دیگر هنوز روی آنها آزمایش هایی در حال انجام است.

1- فونداسیون شناور

یک روش مقاوم سازی در برابر زلزله جداسازی لرزه ای است که مهندسین و متخصصین زلزله طی سال های متعدد از این روش استفاده می‌کردند. مفهوم جداسازی لرزه ای به جدا کردن بستر سازه از سازه روی آن باز می‌گردد. در این سیستم ساختمان به وسیله تکیه گاه های سربی لاستیکی می‌تواند بر روی فونداسیون حرکت کند تکیه گاه سربی لاستیکی از یک هسته ی سربی سخت که توسط چند لایه ی لاستیکی و فولاد محصور شده تشکیل شده است. لایه های فولادی تکیه گاه ها را به ساختمان و فونداسیون آن متصل می‌کنند. بنابراین زمانی که زلزله ضربه وارد می‌کند فونداسیون اجازه دارد بدون حرکت سازه ی روی آن حرکت کند.

اما اخیراً تعدادی از مهندسین ژاپنی نسل جدیدی از جداسازهای لرزه ای را معرفی کردند. سیستم معرفی شده توسط آنها در واقع می‌تواند ساختمان را بر روی بالشتک هوا معلق سازد عملکرد این سازه به این گونه است که سنسورهای نصب شده روی سازه امواج اولیه زلزله را تشخیص دهد. شبکه سنسورها اطلاعات دریافتی را نیم ثانیه بعد از دریافت امواج به کمپرسور های هوا منتقل می‌کند، بالشتک های هوا سازه را تا ۳ سانتی متر از سطح زمین به بالا بلند می‌کنند و در نتیجه نیروهای وارده از زمین به ساز منتقل می‌شود و در نتیجه سازه از فروپاشی نجات پیدا می‌کند. زمانی که زلزله تمام می‌شود کمپرس های هوا خاموش شده و ساختمان به روی فونداسیون خود باز می‌گردد. تنها جای خالی موسیقی" بزرگترین قهرمان آمریکایی" احساس می‌شود.

2- ضربه گیرها (دمپرها)

ضربه گیرها یا دمپرها فقط مختص خودروها نیستند.روش دیگری که در هنگام زلزله باعث حفاظت از ساختمان شود. ضربه گیرها دامنه حرکات لرزشی را با استفاده از تبدیل انرژی حرکتی از حرکات تعلیقی شدید خودرو به انرژی گرمایی که می‌تواند از طریق روغن هیدرولیک دفع شود را کند کرده و کاهش می‌دهند. در علم فیزیک این عمل به عنوان دمپر شناخته می‌شود از این روست که بعضی از افراد به جای استفاده از ضربه گیر از کلمه دمپر برای این منظور استفاده می‌کنند.

در طراحی سازه مقاومت در برابر زلزه استفاده از دمیرها هستند. به طور کل مهندسین دمپرها را در هر یک از طبقات ساختمان قرار می‌دهند طوری که یک انتهای آن به تیر و انتهای دیگر آن به ستون متصل باشد. یک پیستون در هر دمپر وجود دارد که در داخل یک استوانه پر شده با روغن سیلیکون و قابلیت حرکت دارد. زمانی که یک زلزله اتفاق می‌افتد حرکات افقی ساختمان باعث وارد شدن نیرو به پیستون در هر دمپر شده که نیرویی به روغن وارد می‌کنند، که در نتیجه انرژی ناشی از نیروی مکانیکی زلزله را به شکل گرما در می‌آورد.

3- نیروی پاندولی

زمانی که فعالیت لرزه ای منجر به نوسان در سازه می‌شود حرکت پاندولی در خلاف جهت این حرکت باعث دمپ انرژی می‌شود.یکی از این روش ها مخصوصا در برج ها استفاده از جرم بزرگ معلق در نزدیکی بالای سازه است. که یکی از دمپ کردن انرژی است کابل های فولادی تکیه گاه های این جرم بوده در حالی که دمپرهای ویسکوز بین جرم و سازه ای که از آن محافظت می‌کند قرار گرفته اند.

از آن جایی که هر پاندول با دقت زیاد با توجه به فرکانس ارتعاشی طبیعی همان سازه تنظیم شده است مهندسین از چنین سیستمی با نام دمپر جرمی تنظیم شده نام می‌برند. اگر حرکت زمین منجر به ایجاد نوسان با فرکانس رزونانس در ساختمان شود، ساختمان با شدت زیادیآهنگ لرزید و با توجه به انرژی زیاد وارد شده به آن احتمال وقوع صدمات تهران افزایش خواهد یافتوظیفه دمپر جرمی تنظیم شده جلوگیری از تشدید و کاهش پاسخ های دینامیکی سازه است.

4-فیوز های قابل تعویض

در الکتریسیته نقش فیوز محافظت یک مدار با قطع کلی جریان در زمانی که جریان از یک مقدار خاصی تجاوز کند. این اتفاق جریان الکتریسیته را قطع می‌کند و از گرم شدن بیش از حد و آتش سوزی جلوگیری می‌کند. پس پس از این اتفاق می‌توان به آسانی فیوز را تعویض و سیستم را به حالت نرمال بازگرداند.

محققین دانشگاه استنفورد و دانشگاه ایلینویز مفهوم مشابهی را در درخواست برای ساخت ساختمانی مقاوم در برابر زلزله به کار گرفته و مورد آزمایش قرار دادند. از آنجایی که قاب های فولادی تشکیل دهنده سازه‌ها الاستیک هستند و اجازه نوسان روی فونداسیون را دارند آنها ایده خود را سیستم نوسانی کنترل شده نامیدند. ولی این روش به تنهایی راهکار ایده آلی نخواهد بود.علاوه بر قاب های فولادی، محققین استفاده از کابلهای عمودی را که بالای هر قاب را به فونداسیون متصل می‌کند و منجر به محدود شدن حرکت نوسانی قاب می‌شود را معرفی کردند. نه تنها این کابلها قابلیت خود مرکز گرایی، که به معنی کشیدن کل سازه به سمت بالا در زمان توقف لرزه ها است را دارند، اعضای نهایی فیوزهای فولادی قابل تعویض هستند که بین دو قاب یا در زیر ستون ها گرفتند. دندانه فلزی فیروز هنگامی که سازه نوسان می‌کند انرژی زلزله را جذب می‌کند. اگر این فیوزها در حین زلزله بپرند می‌توان با سرعت نسبتاً خوب و هزینه مناسب آنها را جایگزین کرده و سازه را به وضعیت اولیه و ابتدایی آن بازگرداند.

5- حرکت دیوار مرکزی

در بسیاری از سازه های بلند مهندسین عمران برای افزایش عملکرد لرزه ای با هزینه پایین مرتبه مدرن از دیوار های مرکزی استفاده می‌کنند. در این طرح لرزه ای یک دیوار مرکزی بتنی مسلح در مرکز سازه در اطراف اتاقک آسانسور احداث می‌شود. برای سازه های بسیار بلند وجود دیوار مرکزی کاملاً ضروری است، این دیوار در هر راستا حداقل باید ۹ متر طول داشته و ضخامت آن حداقل بین ۴۵ تا ۸۰ سانتی متر باشد.

راه حل بهتر برای مقاوم سازی لرزه ای سازه ها در مناطق لرزه خیز استفاده از ترکیب دیوارهای محرک مرکزی و جداسازی لرزه ای است. با اینکه دیوار مرکزی سازه را در مقابل نیروهای زلزله مقاوم می‌کند این سیستم یک تکنولوژی کامل و بی نقص نیست. محققین یافتند که سازه ها با تکیه گاه صلب با دیوار مرکزی همچنان تغییر شکل های غیر خطی، نیروهای برشی، شتاب خسارت در طبقات قابل توجهی را تجربه خواهند کرد. همانطور که بحث کردیم یک راهکار برای حل این موضوع استفاده از جداساز های سربی لاستیکی است. این روش طراحی شتاب و نیروهای برشی در طبقات را کاهش داده ولی تغییر مکان در پایه دیوار مرکزی را کاهش نمی‌دهد.در این سیستم دیوار مرکزی محرک با توجه به قابلیت جابجایی در تراز پایه از تغییرشکل های دائمی در بتن دیوار جلوگیری می‌کند. برای دستیابی به این منظور مهندسین دو طبقه از پایینترین طبقات را با فولاد مسلح کرده و همچنین از پس تنیدگی در کل ارتفاع سازه استفاده می‌کنند. در سیستم های پس کشیدگی کابل های فولادی از درون دیوار مرکزی عبور داده می‌شوند. از آنجاییکه می‌توان  کابل ها را به طور محکم با جک های هیدرولیک کشید تا مقاومت کششی دیوار مرکزی را افزایش دهند مانند نوارهای لاستیکی عمل می‌کنند.

6- ناحیه کور لرزه ای

برخی از لرزه شناسان معتقدند که حلقه های هم مرکز پلاستیک می‌توانند برای محافظت از ساختمان در مقابل صدمات زلزله استفاده شوند. وقتی ضربه ای به آب وارد می‌شود حلقه های موج که از یک مرکز واحد انشعاب می‌گیرند.

امواج توسط زمین شناسان به دو دسته امواج حجمی و سطحی تقسیم بندی می‌شوند.

امواج حجمی به سرعت از داخل زمین حرکت می‌کنند. امواج سطحی در عوض بسیار آهسته تر در پوسته خارجی زمین حرکت می‌کنند و از چندین دسته موج تشکیل شده اند، که با نام امواج رایلی شناخته می‌شوند، که به صورت عمودی نسبت به سطح زمین حرکت می‌کنند. این حرکات رو به پایین و بالا منبع اصلی لرزش ها و صدمات در هنگام زلزله هستند.

هنگامی که امواج زلزله نزدیک می‌شوند از یک انتها وارد حلقه ها شده و داخل سیستم حبس می‌شوند. درحالی که امواج در ناحیه ی کور محبوس شده اند نمی‌توانند انرژی خود را به داخل سازه ی روی خود منتقل کنند.‌ آنها به راحتی از اطراف فونداسیون ساختمان عبور می‌کنند، و از حلقه ها خارج می‌شوند و به راه طولانی خود ادامه می‌دهند. یک گروه فرانسوی این مفهوم را در سال 2013 آزمایش کردند.

7- آلیاژ حافظه دار شکلی

در این تصویر لوله ای ساخته شده از آلیاژهای حافظه دار شکلی در دست دارد. مهندسین باور دارند که استفاده از این مصالح هوشمند می‌تواند در راستای جلوگیری از خسارات زلزله به ساختمان کمک کند.پلاستیسیته یا حالت خمیری در مصالح به تغییرشکلی باز می‌گردد که در اثر وارد کردن نیرویی به آن ایجاد می‌شود. اگر نیروها به اندازه کافی بزرگ باشند، شکل مصالح می‌تواند به طور دائمی تغییر کند که منجرب عملکرد صحیح آن می‌شود. فولاد می‌تواند تغییرشکل های پلاستیک را تجربه کند همچنین بتن و با این حال این دو مصالح به طور گسترده ای تقریبا در همه ی پروژه های ساختمانی مشاهده می‌شوند.آلیاژهای حافظه دار شکلی می‌توانند بابازگشت به شکل اولیه خود کرنش های بزرگی را تجربه کنند. تعداد زیادی از مهندسین در حال انجام آزمایش روی مصالح معروف به مصالح هوشمند هستند تا بتوانند جایگزینی برای مصالح سنتی همچون فولاد و بتن در ساختمان ها پیدا کنند.

8- بافته های الیاف کربن (FRP)

کاملا عقلانی است که اگر ساختمانی جدید می‌سازیم مقاومت در برابر زلزله را در نظر بگیریم، اما مقاوم سازی یک ساختمان قدیمی برای بهبود عملکرد لرزه ای نیز بسیار اهمیت دارد. مهندسین یافته اند که افزودن سیستم جداسازی لرزه ای به ساختمان هم از لحاظ امکان سنجی و هم از لحاظ اقتصادی گزینه جذابی است. راهکار بسیار موثر دیگر که اجرای ن بسیار نیز آسان تر است نیازمند بهره گیری از تکنولوژی پلیمر مسلح شده با الیاف یا همان FRP است. در اجرای مقاوم سازی مهندسین به سادگی این مصالح (الیاف کربن) را به دورپایه های بتنی پل یا ساختمان می‌پیچند و سپس بین فاصله بین ستون و الیاف توسط پمپ اپوکسی تزریق می‌کنند. بر اساس الزامات طراحی مهندسیسن این مرحله را باید 6 یا 8 بار تکرار کنند تا به طور چشمگیری مقاومت و شکل پذیری را بالا ببرند. به طور شگفت آوری حتی ستون های صدمه دیده در زلزله را می‌توان با استفاده از الیاف کربن FRP ترمیم کرد.

9- بیومتریال ها

این الهام را به احتمال می‌توان از دنیا و قلمروی حیوانات برداشت کرد. حال موضوع این است که مصالح ساختمانی را توسعه دهیم که مشابه رفتار صدف ها و قابلیت غیر طبیعی آنها برای تکان نخوردن عمل کند.صدف، یک نرم تن دو کفه ای که به سنگ های اقیانوس چسبیده و یا بعد از اینکه از آن جدا شده و توسط واین بخارپز شده را در ظرف شام خود تصور کنید. راز صدف ها برای چسبیدن قسمت نرم صدمه پذیر آنها بخش بیرونی توسط الیاف چسبناک رشته های باسیل (byssal threads) است. بخشی از این رشته ها بسیار سخت و صلب هستند در حالی که بقیه آنها بسیار منعطف و الاستیک هستند. وقتی که موجی به صدف برخورد می‌کند به وسیله ی رشته های انعطاف پذیر شوک های وارده جذب و انرژی پراکنده می‌شود و همین امر باعث می‌شود که صدف ها از جای خود تکان نخورند. محققین حتی نسبت دقیق این رشته ها را محاسبه کردند، به طوری که نسبت الیاف سخت و منعطف برابر با ۸۰ و۲۰ است عاملی برای چسبندگی صدف ها است.

ریشه دیگری که بسیار برای ما جذاب است از بدن عنکبوت ها خارج می‌شود همه ما می‌دانیم که ابریشم عنکبوت ها بسیار قوی تر از فولاد است زمانی که محققین یک رشته از ابریشم عنکبوت را کشیدن متوجه شدند که رشته ها در ابتدا سخت سپس سختی آنها کاسته شده و مجدداً سخت می‌شوند. پاسخ غیر خطی که تار عنکبوت و رشته های بافته شده توسط آن را بسیار مقاوم کرده به همین  پیچیدگی است. نسل بعدی مصالح ساختمانی که مقاوم در برابر زلزله باشند رفتار این تارها تقلید کند بسیار وسوسه انگیز است.

10- لوله های کارتنی

در ارتباط با کشورهای در حال توسعه جایی که اقتصاد مناسبی برای به کار گرفتن سیستم‌ها و فناوری‌های مقاوم سازی در برابر زلزله برای خانه ها و ساختمان های اداری وجود ندارد چه کار باید کرد؟ آیا هر زمان که زمین لرزه اتفاق می‌افتداین مردم محکوم به تحمل هزاران تلفات هستند؟ معلوم است که الزاما این گونه نیست. گروه های مهندسی در سراسر جهان در حال تلاش برای یافتن راهی برای طراحی ساختمان های مقاوم در برابر زلزله با استفاده از مصالح موجود و قابل دسترس محلی می‌باشند. برای مثال در پرو محققین سازه‌های سنتی خشتی را با استفاده از مسلح سازی دیوارها توسط مش های پلاستیکی بسیار مقاوم تر کرده اند. در هند مهندسین به‌طور موفقی با استفاده از بامبو مقاومت بتن را افزایش دادند. و در اندونزی برخی از منازل بر روی تکیه گاه های ساخته شده از تایرهای مستهلک که توسط ماسه و یا سنگ پر شدند قرار گرفته اند.

در ادامه بخوانید....

• طراحی ساختمان امن