در طول تاریخ ما سازه‌ها و شهرهای چشمگیری ساخته‌ایم فقط برای اینکه آنها تسلیم نیروهای طبیعت شوند. زمین لرزه ها یکی از مخرب ترین نیروهای زمین هستند – امواج لرزه ای در سراسر زمین می تواند ساختمان ها را تخریب کند جان انسان ها را بگیرد و هزینه های هنگفتی را به وجود بیاورد.
بر اساس گزارش مرکز ملی اطلاعات زلزله هر سال به طور متوسط 20000 زمین لرزه رخ می دهد که 16 مورد از آنها بلایای بزرگ هستند. در سال 1397 زمین لرزه ای به بزرگی 6.4 ریشتر استان کرمانشاه را لرزاند و بیش از 574 نفر را کشت. مانند سایر زلزله‌ها بسیاری از آسیب‌ها ناشی از فروریختن ساختمان‌ها روی افراد داخل آنها بوده و ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله را ضروری می‌سازد.
در چند دهه گذشته، مهندسان طرح ها و مصالح ساختمانی جدیدی را برای تجهیز بهتر ساختمان ها برای مقاومت در برابر زلزله معرفی کرده اند. پست زیر را بخوانید تا بدانید امروزه ساختمان های ضد زلزله چگونه طراحی می شوند.
طراحی ساختمان های مقاوم در برابر زلزله
قبل از اینکه به ویژگی‌های ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله نگاهی بیندازیم مهم است که بدانیم چگونه زلزله‌ها بر سازه‌های ساخته شده توسط انسان تأثیر می‌گذارند. هنگامی که زلزله رخ می دهد امواج ضربه ای را در فواصل کوتاه و سریع به سراسر زمین ارسال می کند که در تمام جهات گسترش می یابد. در حالی که ساختمان ها به طور کلی برای مقابله با نیروهای عمودی ناشی از وزن و گرانش خود مجهز هستند به طور سنتی نمی توانند نیروهای جانبی را که از زلزله ساطع می شود کنترل کنند.
این حرکت افقی باعث ارتعاش دیوارها، کف، ستون ها، تیرها و اتصال دهنده هایی می شود که آنها را در کنار هم نگه می دارند. تفاوت در حرکت بین پایین و بالای ساختمان ها ضربه شدیدی ایجاد می کند و باعث می شود ستون ها تخریب شوند و در نهایت کل سازه فرو بریزد.
چگونه یک ساختمان را در برابر زلزله بسازیم
برای طراحی ساختمان ضد زلزله مهندسان برای تقویت سازه و مقابله با نیروهای احتمالی زلزله تلاش می کنند. از آنجایی که زمین لرزه انرژی آزاد می کند که از یک جهت به ساختمان ها فشار می آورد استراتژی شامل فشار دادن ساختمان به سمت مخالف است. در اینجا به برخی از روش هایی که برای کمک به مقاومت ساختمان ها در برابر زلزله استفاده می شود اشاره می کنیم.
جداسازی پایه از روی زمین
یکی از راه‌های مقاومت در برابر نیروهای زمینی بالا بردن پایه ساختمان از روی زمین از طریق روشی به نام جداسازی پایه است. جداسازی پایه شامل ساخت یک ساختمان بر روی لنت های انعطاف پذیر ساخته شده از فولاد، لاستیک و سرب است. هنگامی که پایه در هنگام زلزله حرکت می کند جداسازها می لرزند در حالی که خود سازه ثابت می ماند. این به طور موثری به جذب امواج لرزه ای و جلوگیری از حرکت آنها در ساختمان کمک می کند.
نیروهای ضد با میرایی
اگر با کمک فنرهای مورد استفاده در خودروها آشنایی دارید شاید تعجب کنید که بدانید مهندسان نیز از نسخه ای از آنها در ساختمان های مقاوم در برابر زلزله استفاده می کنند. کمک فنرها مانند استفاده از آنها در خودروها، بزرگی امواج ضربه را کاهش داده و به کاهش فشار روی ساختمان کمک می کنند. این به دو روش انجام می شود: دستگاه های کنترل ارتعاش و قدرت آونگ.
دستگاه های کنترل ارتعاش
این روش شامل قرار دادن دمپرها در هر سطح از ساختمان بین ستون ها و تیرها می باشد. هر دمپر از سر پیستون در داخل یک سیلندر پر از روغن سیلیکون تشکیل شده است. هنگامی که زلزله رخ می دهد ساختمان انرژی ارتعاشی را به پیستون ها منتقل که به روغن فشار وارد می کند. سپس انرژی به گرما تبدیل می شود و نیروی ارتعاشات را از بین می برد.
روش قدرت آونگ
یکی دیگر از روش های رایج قدرت آونگ است که عمدتاً در آسمان خراش ها استفاده می شود. برای اجرای این امر، مهندسان یک توپ بزرگ را از کابل های فولادی که به یک سیستم هیدرولیک در بالای ساختمان متصل می شوند آویزان می کنند. هنگامی که ساختمان شروع به تاب خوردن می کند توپ مانند یک آونگ عمل می کند و در جهت مخالف حرکت می کند تا ساختمان را تثبیت کند. این ویژگی ها به گونه ای تنظیم شده اند که در صورت وقوع زلزله با حرکت ساختمان مطابقت داشته باشند و آن را خنثی کنند.
از ساختمان ها در برابر ارتعاشات محافظت کنید
به جای صرفاً مقابله با نیروها محققان در حال آزمایش روش هایی هستند که ساختمان ها می توانند انرژی ناشی از زلزله را به طور کلی منحرف کنند و مسیر آنها را تغییر دهند. این نوآوری که به آن شنل نامرئی لرزه‌ای می‌گویند شامل ایجاد یک شنل متشکل از 100 حلقه پلاستیکی و بتنی متحدالمرکز و دفن آن در حداقل 3 فوت زیر پایه ساختمان است.
با ورود امواج لرزه ای به حلقه ها سهولت آنها را مجبور می کند تا با حلقه های بیرونی حرکت کنند. در نتیجه آنها اساساً از ساختمان دور شده و به داخل زمین پراکنده می شوند.
ساختار ساختمان را تقویت کنید
برای مقاومت در برابر ریزش ساختمان ها باید نیروهایی را که در طول یک رویداد لرزه ای از خود عبور می دهند دوباره توزیع کنند. دیوارهای برشی، مهاربندهای متقاطع، دیافراگم ها و قاب های خمشی برای تقویت یک ساختمان مرکزی هستند.
دیوارهای برشی یک فناوری ساختمانی مفید است که می تواند به انتقال نیروهای زلزله کمک کند. این دیوارها که از پانل های متعدد ساخته شده اند به ساختمان کمک می کنند تا شکل خود را در طول حرکت حفظ کند. دیوارهای برشی اغلب توسط مهاربندهای متقاطع مورب ساخته شده از فولاد پشتیبانی می شوند. این پرتوها می توانند فشرده سازی را پشتیبانی کنند کشش و تنش به مقابله با فشار نیروها کمک می کند.
دیافراگم ها نیز بخش مرکزی ساختار یک ساختمان هستند. دیافراگم‌هایی که از طبقات ساختمان سقف و عرشه‌های قرار گرفته روی آنها تشکیل شده‌اند به حذف تنش از کف و فشار نیروها به ساختارهای عمودی ساختمان کمک می‌کنند.
قاب‌های مقاوم در برابر لحظه زلزله انعطاف‌پذیری بیشتری در طراحی ساختمان ایجاد می‌کنند. این سازه‌ها در میان درزهای ساختمان قرار می‌گیرند و به ستون‌ها و تیرها اجازه می‌دهند تا در حالی که اتصالات صلب باقی می‌مانند خم شوند. بنابراین ساختمان قادر به مقاومت در برابر نیروهای بزرگتر یک زلزله است و در عین حال به طراحان اجازه می دهد تا در چیدمان عناصر ساختمانی آزاد باشند.
مواد مقاوم در برابر زلزله
در حالی که کمک فنرها، آونگ ها و پوش های نامرئی ممکن است تا حدی به دفع انرژی کمک کنند، مواد انتخاب شده برای یک ساختمان به همان اندازه مسئول پایداری آن هستند.
فولاد و چوب
برای اینکه یک ماده در برابر تنش و ارتعاش مقاومت کند باید شکل پذیری بالایی داشته باشد که توانایی تغییر شکل ها و کشش های بزرگ را دارد. ساختمان‌های مدرن اغلب با فولاد سازه‌ای ساخته می‌شوند جزئی که در اشکال مختلف وجود دارد و به ساختمان‌ها اجازه می‌دهد بدون شکستگی خم شوند. چوب نیز به دلیل استحکام بالا نسبت به ساختار سبک وزن یک ماده انعطاف پذیر شگفت انگیز است.
مواد نوآورانه
دانشمندان و مهندسان در حال توسعه مصالح ساختمانی جدید با حفظ شکل حتی بیشتر هستند. نوآوری هایی مانند آلیاژهای حافظه دار این توانایی را دارند که هم فشارهای سنگین را تحمل کنند و هم به شکل اولیه خود بازگردند. علاوه بر این روکش های پلاستیکی تقویت شده با الیاف – ساخته شده توسط انواع پلیمرها – می توانند در اطراف ستون ها پیچیده شوند و تا 38٪ استحکام و شکل پذیری بیشتری ارائه دهند.
مهندسان همچنین برای کمک به تقویت ساختمان ها به عناصر طبیعی روی می آورند. الیاف چسبنده و در عین حال سفت و سخت قابلیت های امیدوارکننده ای در ایجاد ساختار دارند. بامبو و مواد پرینت سه بعدی نیز می توانند به عنوان سازه های سبک وزن و در هم تنیده با فرم های بی حد و حصر عمل کنند که به طور بالقوه می توانند حتی مقاومت بیشتری را برای ساختمان ها ایجاد کنند.
نتیجه گیری
در طول سال‌ها مهندسان و دانشمندان تکنیک‌های متعددی را برای ایجاد ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله ابداع کرده‌اند. با این حال همانطور که امروزه تکنولوژی و مواد پیشرفته هستند همیشه ساختمان‌ها نمی‌توان به طور کامل در برابر زلزله‌های قدرتمند مقاومت کرد. با این حال اگر یک ساختمان بتواند از فروریختن جلوگیری کند و زندگی و جوامع را نجات دهد می توانیم آن را یک موفقیت بزرگ بدانیم.