راهکارهای نوین در ساختمان‌سازی برای مقابله با زلزله

این سال‌ها با افزایش جمعیت و کم بودن فضای شهرها، ساختمان‌ها مرتفع‌تر شده‌اند و همین امر آنها را در برابر زلزله آسیب‌پذیرتر می‌کند. البته مهندسین سازه مخصوصا در چند دهۀ اخیر، همواره دنبال راهکارها و روش‌های بهتر و کارآمدتری برای مهار انرژی و تکان‌های زلزله و بالا بردن ضریب امنیت ساختمان‌ها هستند. در کنار نقشی که مقاومت و کیفیت مصالح در این امر بازی می‌کنند، نحوۀ طراحی و ساخت اجزای مختلف ساختمان نیز تاثیر به سزایی بر استحکام آن خواهد داشت.

در ادامه ده روش نوینی را که امروزه برای بالا بردن ضریب امنیت ساختمان در مقابل زلزله اجرا می‌شود را بررسی می‌کنیم:

۱۰) فونداسیون شناور

  مبنای این روش جدا کردن فونداسیون و شالودۀ ساختمان از طبقات فوقانی و روساخت است. یکی از راه‌های اجرای این روش استفاده از یاتاقان‌های لاستیکی زیر ساختمان است. هر یاتاقان‌ از یک هستۀ مستحکم و رشته‌های متناوب کابل لاستیکی و فولادی که دور آن پیچانده‌اند تشکیل شده‌ است. صفحه‌های فولادی که بالا و پایین یاتاقان قرار دارند شالوده را به ساختمان متصل می‌کند. زمانی که زلزله اتفاق بیافتد، تکان‌ها فقط پی را می‌لرزاند و انرژی آن به خود ساختمان منتقل نمی‌شود. متخصصین ژاپنی این روش را وارد مرحلۀ جدیدی کرده‌اند. با این طراحی ساختمان تقریباً در فضا معلق می‌ماند. این سیستم ساختمان را روی بالشتی از هوا بلند کرده و از زمین جدا می‌کند. حسگرهای این سیستم شروع لرزش‌ها را تشخیص داده و به کمپرسورهای قوی پیغام می‌دهند که هوا را با فشار وارد فضای بین ساختمان و فونداسیون کند. در این حالت کل ساختمان حدود سه سانتی‌متر از سطح زمین فاصله می‌گیرد و گزندی از تکان‌های زلزله نمی‌بیند. زمانی که زلزله تمام شود، ساختمان به آرامی به حالت اولیه برمی‌گردد.

۹) ضربه‌گیر

این روش شبیه کمک فنر در اتومبیل عمل می‌کند. ضربه‌گیرها در ساختمان حرکات لرزشی را کم و سرعت آن را پایین می‌آورند. مهندسین سازه معمولا ً این ضربه‌گیرها را در هر طبقه کار می‌گذارند. یک سر ضربه‌گیر به یک ستون وصل می‌شود و سر دیگر آن را به تیرهای سقف متصل می‌کنند. هر ضربه‌گیر دارای یک پیستون است که در سیلندری از روغن سیلیکون حرکت می‌کند. زمانی که زلزله رخ بدهد، تکان‌های افقی باعث می‌شود پیستون به روغن فشار آورده و انرژی حرکتی را به انرژی گرمایی تبدیل کرده و جلوی تخریب ساختمان را بگیرد.

۸) نیروی آونگی

  این روش هم به نوعی شبیه ضربه‌گیر عمل می‌کند. برای اجرای این سیستم وزنه‌های سنگینی را نزدیک به بام ساختمان به صورت معلق قرار می‌دهند. تسمه‌های فولادی این وزنه‌ها را نگه می‌دارند. بین ساختمان و وزنه‌ها، تعدیل‌کننده‌هایی وجود دارد که با مایع روغنی پر شده‌اند. زمانی که تکان‌های زلزله شروع می‌شود و ساختمان به یک سمت متمایل می‌شود، وزنه‌ها در جهت مخالف کشیده می‌شوند و به کمک اثر آونگی نیروی زلزله را تا حدود زیادی خنثی می‌کنند. هر پاندول به صورت اختصاصی برای بازۀ ارتعاشی ساختمان مورد نظر طراحی و اجرا می‌شود. عملکرد این روش بر مبنای خنثی کردن انرژی زلزله و متعادل کردن واکنش حرکتی ساختمان است.

۷) فیوزهای قابل تعویض

این سیستم انرژی حرکتی حاصل از زلزله را به کمک قاب‌های فولادی که در مرکز ساختمان یا دیوارهای خارجی آن کار گذاشته می‌شوند، خنثی و پراکنده می‌کند. این قاب‌ها می‌توانند ساختمان را از روی شالودۀ آن بلند کنند. برای کنترل این وضع پس از اتمام زلزله و برگرداندن قاب‌ها به حالت اولیه، تاندون‌های فولادی به صورت عمودی در مرکز قاب قرار گرفته‌اند. این تاندون‌ها از کابل‌های فولادی مقاوم و در هم تنیده تشکیل شده‌اند و طراحی آنها به صورتی است که هنگام لرزیدن حالت الاستیکی خود را حفظ کنند. زمانی که تکان‌های زلزله تمام می‌شود، این تاندون‌ها به حالت اولیۀ خود برگشته و ساختمان را هم در حالت مناسب قبلی قرار می‌دهند. فیوزهای فولادی در در انتهای هر قاب قرار دارند که وظیفۀ آنها جلوگیری از آسیب دیدن باقی قسمت‌های ساختمان است. این فیوزها در صورت لزوم به راحتی و با هزینۀ کم قابل تعویض هستند.

۶) دیوار مرکزی جنبنده

این روش در بسیاری از برج‌ها و ساختمان‌های بلندمرتبۀ امروزی به کار می‌رود تا نیروی زلزله با هزینۀ کمتری مهار شود. برای اجرای این سیستم یک هستۀ سیمانی تقویت شده در قلب ساختمان قرار گرفته و بالا می‌رود و باکس آسانسور را دربرمی‌گیرد. البته این روش زمانی کاربرد بهتری دارد که همراه با یکی از راه‌های ایزوله کردن شالوده به کار برده شود. ایزوله شدن شالوده به حالتی گفته می‌شود که فونداسیون با بنای روی آن به صورت یکپارچه اجرا نشوند.( مانند روش فونداسیون شناور). در این حالت یاتاقانی با مقاومت افقی کم و استحکام عمودی بالا ایجاد می‌شود. ترکیب دیوار مرکزی جنبنده و شالودۀ ایزوله شده از کارآمدترین و مقرون‌ به ‌صرفه‌ترین روش‌های ضد زلزله کردن ساختمان است.

۵) پوشش ضد زلزله

این روش هم جزو راهکارهای متحیرکننده برای مقابله با صدمات زلزله است. لرزش حاصل از زلزله به صورت موجی حرکت می‌کند. مخرب‌ترین این امواج به «رالی» معروف است که نزدیک سطح پوستۀ زمین رخ می‌دهد و زمین را به صرت افقی حرکت داده و خرابی به بار می‌آورد. برخی دانشمندان به این نتیجه رسیده‌اند که می‌توانیم برای ساختمان – یا حتی کل یک فضای شهری – پوششی ضد زلزله قرار بدهیم که با ایجاد اختلال در حرکت امواج زلزله، از قدرت تخریب آن کم کند. برای اجرای چنینی روشی، حدود ۱۰۰ حلقۀ لاستیکی را به شکل یک دایره متحدالمرکز زیر ساختمان کار می‌گذارند. هر زمان زلزله رخ بدهد و امواج لرزشی آن از هر سمت به این حلقه‌ها برسد، در آن گیر افتاده و از حلقه‌ای به حلقۀ دیگر منتقل می‌شود و پیش از آنکه از از سمت دیگر خارج شود، شدت و قدرت آن به طرز قابل توجهی کم می‌شود.

۴) آلیاژ حافظه‌دار

بر خلاف مصالحی مانند بتن و فولاد که کشسانی پایینی دارند، آلیاژهای حافظه‌دار می‌توانند فشار و کشش بیشتری را تحمل کرده و سپس به حالت اولیۀ خود برگردند. بسیاری از مهندسین پیشرو در حال استفادۀ هرچه بیشتر از این آلیاژها هستند. یکی از این آلیاژها نیکل-تیتانیوم است که ۱۰ تا ۳۰ درصد کشسانی بیشتری نسبت به فولاد دارد. در سال ۲۰۱۲ دو پل را که یکی ستون‌های فولادی و دیگری ستون بتن و نیکل-تیتانیوم داشت مورد آزمایش قرار دادند. ستونی که در ساخت آن از آلیاژ حافظه‌دار استفاده شده بود در تمام مراحل امتیاز بالاتری کسب کرد و تحت فشار و کشش دچار صدمه کمتری شد.

۳) پوشش الیاف کربنی

زمانی که یک ساختمان در مرحلۀ طراحی است، پیش‌بینی روش‌هایی برای بالا بردن مقاومت آن مقابل زلزله آسان‌تر است. اما اگر ساختمان از قبل ساخته شده باشد چارۀ کار چیست؟ یک راه‌حل‌ استفاده از تکنولوژی پوشش الیاف کربنی یا FRP است. تولیدکنندگان این محصول سبک اما بسیار مقاوم را از ترکیب الیاف کربنی با پلیمرهای اتصال مانند ایپوکسی و پلی‌استر تهیه می‌کنند. در این سیستم مهندسان این پوشش را دور ستون‌های بتنی ساختمان یا پل می‌پیچند و فضای خالی باقی مانده را توسط پمپ با ایپوکسی پر می‌کنند. بسته به نیاز و طراحی انجام شده، ممکن است این مراحل از پنج تا هشت مرتبه تکرار شود.

۲) زیست‌ماده ( بایومتریال)

یکی از روش‌هایی که پیش‌بینی می‌شود در آینده بسیار فراگیر شود، استفاده از زیست‌ماده است. این موضوع الهام گرفته شده از نوعی نرم‌تن دریایی است که با ترشح الیاف چسبانک خاصی صدف خود را به سنگ‌های اقیانوس می‌چسباند. بعضی از این الیاف سخت و شکننده هستند و باقی آنها انعطاف و کشسانی بیشتری دارند. این رشته‌های منعطف ضربه و فشار موج را هنگام برخورد به صدف این جانور جذب کرده و از آن محافظت می‌کند. اگر ما هم بتوانیم چنین الیافی تولید کنیم، قدم بزرگی در راه ضد زلزله کردن ساختمان‌ها برمی‌داریم. جاندار دیگری که برای محققان این زمینه مورد توجه است عنکبوت و تارهای آن است. در اندازۀ یکسان، تار عنکبوت از فولاد هم قوی‌تر است. اما نکتۀ جالب دیگر مقاومت بالای آن در برابر نیروی کششی است. الگوی رفتاری تار عنکبوت تحت کشش، خطی نیست. زمانی که تار عنکبوت کشیده می‌شود ابتدا سفت و سخت می‌شود، سپس کش می‌آید و در مرحله سوم دوباره سخت می‌شود. این ویژگی بسیار عالی و درخورتوجهی است که اگر بتوانیم به تکنولوژی ساخت آن برسیم، پیشرفت کم‌نظیری در حیطه مصالح ساختمانی مقاوم در برابر زلزله خواهیم داشت.

۱) لوله‌های کارتنی

 محققان و مهندسین در سرتاسر جهان در پی مصالح و راهکارهای در دسترس و ارزان هستند که حتی کشورهایی با اقتصاد ضعیف هم بتوانند از آنها بهره ببرند. برای این محققین مصالح بوم‌آورد در اولویت هستند. مهندسین در کشور پرو با مصلح کردن دیوار توسط توری پلاستیکی، توانستند مقاومت ساختمان را بیشتر کنند. در هند، بتن را به صورت موفقیت‌آمیز به کمک بامبو مقاوم‌تر کردند. در اندونزی بعضی خانه‌ها روی تایرهای قدیمی که با سنگ و شن پر شده و تکان‌های زلزله را جذب می‌کنند ساخته شده‌اند. کارتن هم جزو موادی است که می‌تواند در مقاوم‌سازی مصالح به کار برده شود. به طور مثال، یک معمار ژاپنی به اسم «شیگرو بان» یک کلیسای جامع در نیوزیلند ساخته است که برای آن از ۹۸ لولۀ کارتنی بزرگ استفاده کرده است. این لوله‌ها با پلی‌اورتان پوشیده و با تیرهای چوبی مقاوم شده بودند. سازه‌ای که در آن از ترکیب چوب و کارتن استفاده شده باشد بسیار سبک و انعطاف‌پذیر است؛ به همین دلیل هنگام وقوع زلزله صدمۀ کمتری می‌بیند. از طرف دیگر، این مصالح به نسبت سبک‌تر هستند و در صورت تخریب و ریزش، خسارت جانی کمتری را ایجاد می‌کنند.

سخن آخر:

انسان همواره به دنبال دانش، مهارت و تکنولوژی جدید است و در همین راه تجربه‌های بسیاری اندوخته است. اگر به همان روش‌های پیشین برای ساختمان‌سازی راضی و خشنود می‌بودیم امروزه آمار تلفات و خسارات این پدیدۀ طبیعی در کشورهایی مانند ژاپن بسیار بالاتر می‌بود. ممکن است فقط چند سال دیگر این روش‌ها هم قدیمی و ناکارآمد تلقی شده و راهکارهای دیگری جای آنها را بگیرند. در هر حال، علم و تجربه هر روز در حال نو شدن است.

http://www.vtdko.lt/en/index.php/blog/civil-engineering/125-resisting-earthquakes-10-technologies-that-help-protect-buildings

https://phys.org/news/2016-11-invisibility-cloaks-earthquakes.html

https://science.howstuffworks.com/innovation/science-questions/10-technologies-that-help-buildings-resist-earthquakes4.htm