پیشرفت فناوری، چشماندازهای تازهای را در زمینه مقاومسازی ساختمانها در برابر زمینلرزه پدیدار ساخته است. راهکارهای توسعه یافته برپایه تکنولوژی در زمینه مقاومسازی خانهها در موارد متعددی به مرحله بهرهبرداری رسیدهاند و در سایر موارد نیز در مرحله توسعه و تحقیق قرار گرفتهاند.
در عصر برنز شاهد پیدایش چندین و چند تمدن موفق و چشمگیر بودیم. برخی از این تمدنها، ایجاد شهرهایی با ساختارهای منظم و پیشرفته را به همراه داشتند. با وجود این، حالا محققان در پی کنکاشهای فراوان به این نتیجه رسیدهاند که فعالیتهای تکتونیکی نظیر زلزله از جمله عواملی بودهاند که بر سقوط و محو شدن این جوامع باستانی تاثیر گذاشتهاند. به عنوان نمونه، تحقیقاتی که در تل مگدو در فلسطین اشغالی انجام شده حکایت از آن دارد که زلزلهای عظیم به نابودی این شهر منجر شده است. این امر را به خوبی میتوان در لایههای ساندویچی که از این شهر، در حفاریهای باستان شناسی بدست آمده مشاهده کرد. علاوه بر این، مجموعهای از زلزلههای شدید نیز به نابودی تمدن هاراپان (در پاکستان فعلی) منجر شده است. این تمدن به طور ناگهانی از صحنه روزگار محو شد.
علیرغم پیشرفتهایی که بشر در عرصههای مختلف رقم زده، همچنان حتی ساختمانها و پلهای مدرن نیز به طور صد درصدی از آسیبهای زلزله مصون نیستند. همین امر باعث شده نیروهایی که در اثر امواج لرزهای ایجاد میشود به نابودی بخشهایی از این ساختمانها و ایجاد خسارات جانی و مالی بینجامد. خوشبختانه در طول یک دهه گذشته، معماران و مهندسان موفق به ایجاد راهکارهای فناورانهای شدهاند که آسیبهای وارد شده به ساختمانها و در پی آن، خسارتهای مالی و جانی را تا حد زیادی کاهش داده است. با این مقدمه، در ادامه نگاهی به تکنولوژیهایی خواهیم داشت که در برخی موارد، چندین و چند سال است که به مرحله بهرهبرداری رسیدهاند و در سایر موارد، در مراحل آزمایش و بررسی قرار دارند اما همه و همه یک هدف دارند و آن، مقاوم سازی ساختمانها در برابر زمین لرزههای ویرانگر است.
فونداسیون شناور
مهندسان و زلزلهشناسان از سالهای دور توجه ویژهای به فونداسیون و پایه ساختمانها داشتهاند تا با ارائه راهکارهای نوین، از ساختمانها در مقابل زمین لرزههای سنگین، محفاظت کنند. همانطور که احتمالاً از عنوان این راهکار حدس زدهاید، در این روش از جداسازی ساختار زیرین ساختمان از بخش بالایی سازه استفاده میشود. در این سیستم، از شناور کردن ساختمان روی فونداسیون با استفاده از یاتاقانهایی از جنس لاستیک-سرب استفاده میشود. در این روش، صفحاتی از جنس فولاد، یاتاقانها را به ساختمان و فونداسیون متصل میکنند. به این ترتیب، با وقوع زمین لرزه، فونداسیون به راحتی تکان خورده و هیچ جابهجایی و آسیبی در ساختار بالایی آن احساس نخواهد شد.
به تازگی، مهندسان ژاپنی این راهکار ایزولاسیون را به استاندارد جدیدی ارتقا دادهاند. در این راهکار، ساختمان روی بالشی از هوا شناور میماند. به بیان دقیقتر، در مرحله اول، سنسورهای نصب شده روی ساختمان، لرزههای ناشی از زمین لرزه را شناسایی میکنند. به این ترتیب، مجموعهای از سنسورها، ارتباط با کمپرسور هوا را رقم زده و در کمتر از یک ثانیه از آغاز این فرایند، هوا در فاصله فضایی بین ساختمان و فونداسیون پمپاژ میشود. این چنبره هوایی ایجاد شده، ساختمان را تا ۳ سانتیمتر بالاتر از سطح زمین قرار داده و آن را از نیرویی که ممکن است به تخریب ساختمان منجر شود مجزا میکند. با اتمام زمین لرزه، کمپرسور هوا خاموش شده و ساختمان به جایگاه پیشین فونداسیون خود باز میگردد.
دمپرهای کاهش اثر نوسان
تکنولوژی دیگری که به بهبود مقاومت ساختمانها در برابر زمین لرزه کمک کرده است فناوری است که با الگوبرداری از راهکارهای موجود در صنعت خودرو، اینبار در حوزه ساخت و ساز به مرحله بهرهبرداری رسیده است. مطمئناً شما با کمک فنرها به عنوان مولفههایی که ضربههای وارد آمده به خودرو از سطح جاده را کنترل میکنند آشنایی دارید. این کمک فنرها دامنه لرزشها را از طریق تبدیل انرژی جنبشی به انرژی گرمایی که امکان دفع آن از طریق یک سیال هیدرولیکی وجود دارد کاهش میدهند. در فیزیک به این راهکار، دمپینگ گفته میشود.
مهندسان در حوزه ساخت و ساز، از این دمپرها در هر طبقه و سطحی از ساختمان استفاده میکنند تا نوسانها را کاهش دهند. در این راهکار، یک سمت دمپر به ستون و سمت دیگر به تیرچهای که در سقف قرار گرفته متصل میشود. هر دمپر از یک پیستون بهره میبرد که در داخل سیلندری پر شده از روغن سیلیکون حرکت میکند. با وقوع زمین لرزه، حرکت افقی ساختمان باعث میشود پیستونها در هر دمپر، روغن را پمپاژ کرده و انرژی مکانیکی زمین لرزه را به انرژی گرمایی تبدیل کنند.
توان پاندولی
دمپینگ نظیر آنچه در قسمت قبلی به آن اشاره شد ممکن است اشکال متفاوتی به خود بگیرد. یکی دیگر از راهکارهای زیرشاخه دمپینگ که به طور ویژه در آسمانخراشها استفاده میشود، معلق کردن جرمی عظیم در نزدیکی قسمت بالای سازه است. کابلهای فولادی، این جرم عظیم را نگه میدارند و دمپرهایی با مایع چسبناک بین جرم و ساختمانی که قرار است از آن در برابر زمین لرزه محافظت شود تعبیه میشوند. وقتی فعالیتهای لرزهای باعث نوسان ساختمان میشود، این سازه پاندولی در خلاف جهت لرزهها حرکت کرده و باعث خنثی شدن انرژی ایجاد شده میشود.
در این روش، هر پاندول بهطور دقیق و بر اساس فرکانس لرزش طبیعی هر سازه، تنظیم میشود. در صورتی که حرکتهای زمین باعث شود ساختمان با فرکانس رزونانسی نوسان کند، ساختمان با حجم زیادی از انرژی به لرزش در خواهد آمد و آسیبهای گستردهای را به همراه خواهد داشت. وظیفه دمپرهای غولپیکر آن است که با رزونانس ایجاد شده مقابله کرده و پاسخ دینامیکی ساختمان را کاهش دهند.
به عنوان مثال، ساختمان تایپه ۱۰۱ در تایوان که آسمانخراشی با ارتفاع ۵۰۸ متری است از این راهکار برای کاهش آثار لرزش ایجاد شده در پرتو بروز زمین لرزه و بادهای شدید استفاده میکند. در قلب این سیستم، یک گوی طلایی رنگ ۶۶۰ تنی استفاده شده است که توسط هشت کابل فولادی نگهداری میشود. این گوی، بزرگترین و سنگینترین دمپر موجود در جهان است.
فیوزهای قابل تعویض
در دنیای تجهیزات و مدارهای الکتریکی، فیوز در واقع مولفهای حفاظتی است که اگر جریان مداری از حد مشخص و مجاز بیشتر شود به قطع آن کمک میکند. این امر به قطع شارش جریان الکتریکی و جلوگیری از گرمشدن بیش از حد مولفهها و وقوع آتشسوزی منجر میشود. پس از بروز این اتفاق، تنها کافی است فیوز معیوب را جایگزین کرده و سیستم به حالت طبیعی باز خواهد گشت.
محققان دانشگاه استنفورد در قالب همکاری با پژوهشگران دانشگاه llinois ایده مشابهی را برای ساخت سازههای مقاوم در برابر زلزله مطرح کردهاند. این پژوهشگران، راهکار ارائه شده را سیستم لرزشی کنترل شده نامگذاری کردهاند زیرا در این روش، فریمهای فولادی تشکیل دهنده سازه، حالت انعطافپذیر داشته و امکان نوسان و حرکت را روی فونداسیون خواهند داشت. در کنار فریمهای فولادی، محققان از کابلهای عمودی بهره میبرند که قسمت بالایی هر فریم را به فونداسیون متصل کرده و لرزشها را محدود میکنند. این کابلها توانایی آن را دارند تا کل سازه را با متوقف شدن لرزشها به صورت قائم و عمود نگه دارند. مولفههای نهایی در این روش پیچیده، فیوزهای فولادی قابل تعویضی هستند که بین دو فریم یا در قسمت پایین ستونهای ساختمان قرار میگیرند. دندانه فلزی فیوزها، انرژی لرزشی را در زمان تکان خوردن ساختمان، جذب میکنند. در صورتی که این فیوزها در زمان وقوع زمین لرزه آسیبی ببینند امکان تعویض سریع آنها و بازگرداندن ساختمان به حالت پایدار وجود خواهد داشت.
هسته بتن مسلح
در بسیاری از سختمانهای بلند مدرن، مهندسان از ساختارهایی در قالب هسته بتن مسلح استفاده میکنند تا عملکرد ساختمان در برابر زمین لرزه را تا حد زیادی، در ازای پرداخت هزینه کمتر، بهبود ببخشند. در قالب این ساختار، از هسته بتون مسلح به عنوان قلب سازه استفاده میشود. در ساختمانهای بسیار بلند، این دیوارها ممکن است در هر پلن، حداقل ۳۰ فوت طول داشته و ضخامت آنها به ۱۸ تا ۳۰ اینچ برسد. اگرچه این ساختار به افزایش مقاومت ساختمان در برابر زلزله کمک میکند اما تکنولوژی ایدهآلی نیست.
به بیان دیگر، محققان در بررسیهای خود به این نتیجه رسیدهاند که ساختمانهایی با فونداسیون ثابت و استفاده از هستههای بتن مسلح همچنان ممکن است آسیبهای مختلفی را در پرتو بروز زمین لرزه، تجربه کنند. یکی از راهکارهای مطرح شده در این زمینه، ایزولاسیون فونداسیون است که در قالب ساخت سازه روی یاتاقانهای لاستیکی-سربی انجام میشود. به بیان دیگر، ایزولاسیون فونداسیون و استفاده از هسته بتن مسلح میتوانند به عنوان راهکارهای مکمل استفاده شوند.
ردای نامرئی
وقتی صحبت از امواج میشود احتمالاً تصویری از موجهای حاصل از آب یا حتی صدا به ذهن شما خطور پیدا میکند اما زلزله نیز میتواند به نوبه خود امواجی را تولید کند. این امواج از نگاه زمینشناسی به دو دسته موجهای سطحی و موجهای بدنهای تقسیم میشوند. موجهای سطحی کاملاً آرام به پوسته بالایی زمین نفوذ کرده و مجموعهای از موجها به نام امواج ریلی را در خود جای میدهند. این امواج، زمین را در راستای عمودی، حرکت میدهند. این حرکتهای بالا و پایین، بخش عمدهای از لرزشها و خسارتهای ایجاد شده در پرتو وقوع زمین لرزه را به خود اختصاص میدهند.
حالا تصور کنید راهکاری برای توقف انتقال این امواج لرزشی یا حداقل بخشی از آنها وجود داشته باشد. محققان برپایه این ایده، راهکاری را به نام ردای نامرئی ایجاد کردهاند. راهکاری که با اجرای آن، یک ساختمان در برابر امواج سطحی، ایمن خواهد شد. در این روش، از حلقههای کاملاً پلاستیکی استفاده میشود. به این ترتیب، امواج با گیرافتادن در این حلقهها، نمیتوانند انرژی خود را به سازهای که در بالای آنها قرار گرفته منتقل کنند. به این ترتیب، امواج به فنداسیون ساختمان منتقل نشده و با خروج از حلقهها به مسیر خود ادامه میدهند. تیمی از محققان فرانسوی، این راهکار را در سال ۲۰۱۳ میلادی به مرحله بهرهبرداری رساندند.