زلزله دست به گریبان فناوری می‌شود/از شنل نامرئی لرزه‌ای تا بامبو

خبرگزاری علم و فناوری آنا- گروه علم و فناوری؛ زلزله یکی از فعل و انفعالات طبیعی زمین است که بدون هیچگونه پیش‌آگهی رخ می‌دهد. زلزله‌ها در طول تاریخ نه‌تنها ویرانی‌های بسیاری را بر جا گذاشته‌اند بلکه در سراسر جهان تمدن‌های باستانی زیادی را نیز به طور کامل از بین برده‌اند.

در طول دهه‌های اخیر دانشمندان تلاش کرده‌اند با استفاده از فناوری‌های نوین ساختمان‌ها را به شکلی تقویت کنند که در صورت بروز زلزله کمترین تلفات را بر جا بگذارند. در بخش اول این گزارش به معرفی تعدادی فناوری که در برابر زلزله قابل استفاده است با عنوان «معرفی فناوری هایی که ساختمان ها را ضد زلزله می کند» پرداختیم.

در ادامه به شناساندن سایر فناوری های این حوزه می پردازیم.

شنل نامرئی لرزه‌ای

برخی از زلزله شناسان باور دارند حلقه‌های متحدالمرکز پلاستیکی ممکن است برای محافظت از ساختمان‌ها در برابر آسیب زلزله مفید باشند. اما اگر امواج سطحی با قدرت کامل به راه خود ادامه دهند، چه اتفاقی برای ساختمان‌های مجاور می‌افتد؟

ممکن است هنگام بررسی موضوع امواج به آب یا صدا فکر کنید، اما زلزله‌ها نیز امواجی تولید می‌کنند که توسط زمین شناسان به عنوان امواج جسمی و سطحی طبقه بندی می‌شوند. اولی به سرعت در داخل زمین حرکت می‌کند. دومی آهسته‌تر در پوسته بالایی حرکت می‌کند و شامل زیر مجموعه‌ای از امواج - معروف به امواج رایلی - می شود که زمین را به صورت عمودی حرکت می‌دهد. این حرکت بالا و پایین باعث بیشتر لرزش‌ها و آسیب‌های مرتبط با زلزله می‌شود.

حال تصور کنید که آیا می‌توانید انتقال برخی از امواج لرزه‌ای را قطع کنید. آیا می‌توان انرژی را منحرف کرد یا آن را در مناطق شهری تغییر مسیر داد؟ برخی از دانشمندان چنین فکر می‌کنند و راه حل خود را به دلیل توانایی آن در نامرئی ساختن ساختمان در برابر امواج سطحی، «شنل نامرئی لرزه ای» نامیده اند.

مهندسان بر این باورند که می‌توانند از میان صد حلقه پلاستیکی متحدالمرکز که در زیر شالوده ساختمان دفن شده اند، «شنل» را بسازند. امواج لرزه‌ای در یک انتها وارد حلقه‌ها شده و در داخل سیستم محصور می‌شوند. این امواج که درون «شنل» مهار شده اند، نمی‌توانند انرژی خود را به ساختار بالا منتقل کنند. آن‌ها به سادگی از اطراف شالوده ساختمان عبور می‌کنند و در سمت دیگر بیرون می‌آیند، جایی که از حلقه‌ها خارج می‌شوند و سفر طولانی خود را از سر می‌گیرند.

یک گروه از دانشمندان فرانسوی این مفهوم را در سال ۲۰۱۳ آزمایش کردند.

آلیاژ‌های حافظه دار

کشسانی مواد یک چالش بزرگ برای مهندسانی است که سعی در ساخت سازه‌های مقاوم در برابر زلزله دارند. کسشانی تغییر شکلی را توصیف می‌کند که در هر ماده‌ای هنگام اعمال نیرو به آن تجربه می‌کند. اگر نیرو‌ها به اندازه کافی قوی باشند، شکل ماده را می‌توان برای همیشه تغییر داد، که توانایی آن را برای عملکرد صحیح به خطر می‌اندازد. فولاد و بتن هر دو می‌تواند تغییر شکل غیرقابل برگشت را تجربه کند و با این حال هر دوی این مواد تقریباً در تمام پروژه‌های ساختمانی تجاری به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

آلیاژ حافظه دار را وارد کنید که می‌تواند فشار‌های سنگین را تحمل کند و همچنان به شکل اولیه خود بازگردد. بسیاری از مهندسان در حال آزمایش این مواد به اصطلاح هوشمند به عنوان جایگزینی برای ساخت و ساز‌های سنتی فولاد و بتن هستند. یکی از آلیاژ‌های امیدوارکننده نیکل تیتانیوم یا نیتینول است که ۱۰ تا ۳۰ درصد کشسانی بیشتری نسبت به فولاد دارد.
 

در یک مطالعه در سال ۲۰۱۲، «میشا رفیعی» و «سعید سعیدی» پژوهشگران ایرانی تبار دانشگاه نوادا، رنو، عملکرد لرزه‌ای ستون‌های پل ساخته شده از فولاد و بتن را با ستون‌های ساخته شده از نیتینول و بتن مقایسه کردند. آلیاژ حافظه شکل همه سطوح از مواد سنتی بهتر عمل کرد و آسیب بسیار کمتری را تجربه کرد. 

پوشش فیبر کربن

در نظر گرفتن مقاومت در برابر زلزله زمانی که در حال ساخت یک سازه جدید هستید منطقی است، اما مقاوم سازی ساختمان‌های قدیمی برای بهبود عملکرد لرزه‌ای آن‌ها به همان اندازه مهم است.

مهندسان دریافته اند افزودن سیستم‌های جداسازی پایه به سازه‌ها هم امکان پذیر و هم از نظر اقتصادی جذاب است. راه حل امیدوارکننده دیگری که پیاده سازی آن بسیار آسان‌تر است، به فناوری «پوشش پلاستیکی تقویت شده با الیاف یا FRP» نیاز دارد. تولید کنندگان این پوشش‌ها را با مخلوط کردن الیاف کربن با پلیمر‌های اتصال دهنده مانند اپوکسی، پلی استر، وینیل استر یا نایلون تولید می‌کنند تا یک ماده کامپوزیتی سبک، اما فوق العاده قوی ایجاد کنند.

در کاربرد‌های مقاوم سازی، مهندسان به سادگی مواد را در اطراف ستون‌های نگهدارنده بتنی پل‌ها یا ساختمان‌ها می‌پیچند و سپس اپوکسی تحت فشار را به شکاف بین ستون و ماده پمپ می‌کنند. بر اساس الزامات طراحی، مهندسان ممکن است این فرآیند را شش تا هشت بار تکرار کنند و یک ساختار شبه مومیایی با استحکام و شکل پذیری بسیار بالاتر ایجاد کنند.

به طرز شگفت انگیزی، حتی ستون‌های آسیب دیده در اثر زلزله را می‌توان با روکش‌های فیبر کربنی تعمیر کرد. دکتر «حمید سعادت منش» و دکتر «محمدرضا احسانی» دو پژوهشگر ایرانی دانشگاه آریزونا در یک مطالعه، دریافتند که ستون‌های ضعیف پل بزرگراه که با مواد کامپوزیت مومیایی شدند، ۲۴ تا ۳۸ درصد قوی‌تر از ستون‌های بدون پوشش فیبرکربن هستند.

زیست مواد‌ها 

در حالی که مهندسان به آلیاژ‌های حافظه دار و پوشش‌های فیبر کربنی بسنده می‌کنند، آینده‌ای را پیش بینی می‌کنند که در آن ممکن است مواد بهتری برای ساخت و ساز‌های مقاوم در برابر زلزله در دسترس باشند. احتمالاً حیوانات منشا الهام این ابتکارات خواهد بود.

صدف‌ها نرم تنان دوکفه‌ای هستند که به صخره‌های اقیانوس می‌چسبند. آن‌ها برای چسبیدن به نشیمنگاه‌های ناپایدار خود، الیاف چسبناکی ترشح می‌کنند که به عنوان نخ‌های «بیسوس» شناخته می‌شوند. برخی از این نخ‌ها سفت و محکم و برخی دیگر انعطاف پذیر و کشسان هستند. هنگامی که موج به صدف برخورد می‌کند، او در جای خود باقی می‌ماند، زیرا رشته‌های انعطاف پذیر شوک را جذب کرده و انرژی را از بین می‌برند.

محققان حتی نسبت دقیق الیاف سفت به انعطاف پذیری را محاسبه کرده اند. ۸۰ به ۲۰ که باعث چسبندگی صدف می‌شود. اکنون بحث توسعه مصالح ساختمانی مطرح شده که شبیه صدف و توانایی عجیب آن در محکم ماندن است.

تار عنکبوت پدیده طبیعی جذاب دیگری است که نظر دانشمندان را به خود جلب کرده. تار عنکبوت از فولاد محکم‌تر است. دانشمندان MIT معتقدند که واکنش دینامیکی ماده طبیعی تحت فشار شدید است که تار را بسیار منحصر به فرد می‌کند. وقتی محققان رشته‌های تکی ابریشم عنکبوت را کشیدند، متوجه شدند که نخ‌ها ابتدا سفت، سپس کشدار و سپس دوباره سفت شدند. این واکنش پیچیده و غیرخطی است که تار‌های عنکبوت را نه تنها انعطاف پذیر کرده بلکه به مواد وسوسه انگیز تبدیل می‌کند تا در نسل بعدی ساخت و ساز‌های مقاوم در برابر زلزله تقلید شود.

لوله مقوایی و بامبو 

 در مورد کشور‌های در حال توسعه که از نظر اقتصادی امکان ادغام فناوری‌های ضد زلزله در خانه‌ها و ساختمان‌های اداری وجود ندارد، چطور؟ آیا آن‌ها محکوم به تحمل هزاران تلفات در هر بار لرزش زمین هستند؟ نه این طور نیست.

گروه‌های مهندسی در سراسر جهان در تلاش برای طراحی سازه‌های مقاوم در برابر زلزله با استفاده از مواد در دسترس محلی یا به راحتی قابل دستیابی هستند. به عنوان مثال، در پرو، محققان سازه‌های خشتی سنتی را با تقویت دیوار‌ها با توری پلاستیکی بسیار قوی‌تر کرده اند. در هند، مهندسان با موفقیت از بامبو برای تقویت بتن استفاده کرده و در اندونزی، برخی از خانه‌ها اکنون بر روی بلبرینگ‌هایی که به سادگی با استفاده از لاستیک‌های قدیمی پر از شن یا سنگ ساخته شده، برپا می‌شوند.

حتی مقوا می‌تواند به یک ماده ساختمانی محکم و بادوام تبدیل شود. معمار ژاپنی «شیگرو بان» چندین ساختار را طراحی کرده است که از لوله‌های مقوایی پوشیده شده با پلی اورتان به عنوان عناصر قاب اولیه استفاده می‌کند.

در سال ۲۰۱۳، بان یکی از طرح‌های خود - کلیسای جامع انتقالی - را در کرایست چرچ نیوزلند رونمایی کرد. این کلیسا از ۹۸ لوله مقوایی غول پیکر تقویت شده با تیر‌های چوبی استفاده می‌کند. از آنجایی که سازه مقوایی و چوبی بسیار سبک و انعطاف پذیر است، در هنگام وقوع زلزله عملکرد بسیار بهتری نسبت به بتن دارد؛ و اگر فرو بریزد، احتمال له کردن افراد جمع شده در داخل بسیار کمتر است.