معرفی فناوری‌هایی که ساختمان‌ها را ضد زلزله می‌کند 

خبرگزاری علم و فناوری آنا- گروه علم و فناوری؛ زلزله یکی از فعل و انفعالات طبیعی زمین است که چون بدون هیچگونه پیش‌آگهی رخ می‌دهد و امکان پیش‌بینی آن وجود ندارد، همیشه به‌عنوان یک مصیبت و بلای طبیعی خوانده می‌شود.

زلزله‌ها در طول تاریخ نه‌تنها ویرانی‌های بسیاری را بر جا گذاشته‌اند و 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.

قصد داریم در گزارش‌هایی، فناوری‌های مرتبط با زلزله را که در دنیا مورد استفاده قرار می‌گیرد معرفی کنیم.

فونداسیون معلق

مهندسان و لرزه‌شناسان سال‌هاست از جداسازی پایه‌ها به‌عنوان وسیله‌ای برای محافظت از ساختمان‌ها هنگام زلزله استفاده کرده‌اند. همانطور که از نامش پیداست، این مفهوم بر جداسازی زیربنای یک ساختمان از روبنای آن تکیه دارد. یکی از این سیستم‌ها، معلق‌سازی و شناور کردن یک ساختمان در بالای پایه آن روی یاتاقان‌های سربی حاوی یک هسته سربی جامد است که در لایه‌های متناوب لاستیک و فولاد پیچیده شده است. ورق‌های فولادی، یاتاقان‌ها را به ساختمان و پی و فونداسیون آن متصل می‌کنند و سپس هنگام وقوع زلزله به فونداسیون اجازه حرکت بدون حرکت سازه بالای آن را می‌دهند.

اکنون برخی از مهندسان ژاپنی جداسازی پایه را به سطح جدیدی رسانده‌اند. سیستم آن‌ها درواقع یک ساختمان را روی یک بالشتک از هوا معلق می‌کند. نحوه عملکرد آن به این صورت است: حسگر‌های روی ساختمان، فعالیت لرزه‌ای یک زلزله را تشخیص می‌دهند. شبکه‌ای از حسگر‌ها با یک کمپرسور هوا ارتباط برقرار می‌کند که در عرض نیم ثانیه پس از هشدار، هوا را بین ساختمان و فونداسیون آن وادار می‌سازد.

بالشتک هوا، سازه را تا ۳ سانتی‌متر از زمین بلند می‌کند و آن را از نیرو‌هایی که می‌توانند آن را از هم دور کند، جدا می‌کند. هنگامی که زلزله فروکش می‌کند، کمپرسور خاموش می‌شود و ساختمان دوباره روی پایه خود قرار می‌گیرد. 

ضربه‌گیر

یکی دیگر از فناوری‌های آزموده شده برای کمک به ساختمان‌ها در مقابله با زلزله، سرنخ خود را از صنعت خودرو گرفته است. کمک فنر دستگاهی است که حرکت ناخواسته فنر را در خودرو کنترل می‌کند. کمک فنر‌ها با تبدیل انرژی جنبشی به انرژی گرمایی که می‌تواند از طریق سیال هیدرولیک از بین برود، سرعت حرکت‌های ارتعاشی را کاهش می‌دهد. در فیزیک، این امر به عنوان میرایی شناخته می‌شود، به همین دلیل است که برخی افراد کمک فنر را به عنوان دمپر می‌نامند.

به نظر می‌رسد دمپر‌ها می‌توانند هنگام طراحی ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله مفید باشند. مهندسان عموماً دمپر‌هایی را در هر سطح از ساختمان قرار می‌دهند که یک سر آن به ستون و سر دیگر آن به تیر متصل است. هر دمپر از یک سر پیستون تشکیل شده است که در داخل یک سیلندر پر از روغن سیلیکون حرکت می‌کند. هنگام وقوع زلزله، حرکت افقی ساختمان باعث می‌شود که پیستون در هر دمپر به روغن فشار وارد کند و انرژی مکانیکی زلزله را به گرما تبدیل کند.

قدرت آونگ

میرایی می‌تواند اشکال مختلفی داشته باشد. راه حل دیگر، به ویژه برای آسمان خراش ها، معلق کردن یک توده عظیم در نزدیکی بالای سازه است. کابل‌های فولادی از جِرم پشتیبانی می‌کنند، در حالی که دمپر‌های سیال چسبناک بین جرم و ساختمانی که سعی در محافظت از آن دارند، قرار می‌گیرند. هنگامی که فعالیت لرزه‌ای باعث تاب خوردن ساختمان می‌شود، آونگ در جهت مخالف حرکت می‌کند و انرژی را از بین می‌برد.

مهندسان به چنین سیستم‌هایی به عنوان «میراگر‌های جرمی تنظیم شده» لقب داده اند، زیرا هر آونگ دقیقاً با فرکانس ارتعاشی طبیعی یک سازه تنظیم شده است. اگر حرکت زمین باعث نوسان ساختمان در فرکانس تشدید خود شود، ساختمان با مقدار زیادی انرژی ارتعاش می‌کند و احتمالاً آسیب خواهد دید. وظیفه یک میراگر جرمی تنظیم شده مقابله با تشدید دامنه نوسان میرا و به حداقل رساندن پاسخ دینامیکی سازه است.

آسمان خراش «تایپه ۱۰۱» که به تعداد طبقات این برج ۵۰۸ متری اشاره دارد، از یک دمپر جرمی تنظیم شده برای به حداقل رساندن اثرات ارتعاشی مرتبط با زلزله و باد‌های شدید استفاده می‌کند. در قلب این سیستم یک توپ طلایی رنگ ۷۳۰ تنی قرار دارد که توسط هشت کابل فولادی آویزان شده است. این بزرگترین و سنگین‌ترین میراگر جرمی تنظیم شده در جهان است.

فیوز‌های قابل تعویض

در دنیای برق و الکتریسیته، اهمیت یک فیوز آنجا مشخص می‌شود که وقتی جریان در مدار از حد معینی فراتر رفت، از کار می‌افتد. قطع جریان برق، از گرم شدن بیش از حد و آتش سوزی جلوگیری می‌کند. پس از حادثه، به سادگی فیوز تعویض شده و سیستم را به حالت عادی بر می‌گردد.

محققان دانشگاه استنفورد و دانشگاه ایلینویز مفهوم مشابهی را در تلاش برای ساختن ساختمانی مقاوم در برابر زلزله آزمایش کرده اند. آن‌ها ایده خود را سیستم «گهواره‌ای کنترل شده» می‌نامند، زیرا قاب‌های فولادی که سازه را تشکیل می‌دهند، کشسان هستند و اجازه دارند در بالای فونداسیون تکان بخورند؛ اما این به خودی خود راه حل ایده‌آلی نخواهد بود.

علاوه بر قاب‌های فولادی، محققان کابل‌های عمودی را معرفی کردند که بالای هر قاب را به فونداسیون متصل می‌کند و تکان خوردگی را محدود می‌کند. همچنین، کابل‌ها دارای قابلیت خود مرکزی هستند، به این معنی که وقتی لرزش متوقف می‌شود، می‌توانند کل ساختار را به سمت راست بکشند.

اجزای نهایی فیوز‌های فولادی قابل تعویض هستند که بین دو قاب یا در پایه ستون‌ها قرار می‌گیرند. دندانه‌های فلزی فیوز‌ها انرژی لرزه‌ای را به عنوان سنگ ساختمان جذب می‌کنند. اگر هنگام زلزله آسیب ببینند می‌توان نسبتاً سریع و مقرون به صرفه آن‌ها را جایگزین کرد تا ساختمان به شکل اولیه و سالم بازگردد.

دیوار اصلی گهواره‌ای 

در بسیاری از ساختمان‌های مرتفع مدرن، مهندسان از ساخت دیوار اصلی برای افزایش عملکرد لرزه‌ای با هزینه کمتر استفاده می‌کنند. در این طرح، یک هسته بتنی مسلح از قلب سازه عبور کرده و کناره‌های آسانسور را احاطه می‌کند. برای ساختمان‌های بسیار بلند، دیوار اصلی می‌تواند کاملاًً قابل توجه باشد - حداقل ۳۰ فوت در هر جهت پلان و ۱۸ تا ۳۰ اینچ ضخامت.

در حالی که ساخت دیوار اصلی به ساختمان‌ها کمک می‌کند تا در برابر زلزله مقاومت کنند، اما این یک فناوری کامل نیست. محققان دریافته اند ساختمان‌های پایه ثابت با دیواره‌های مرکزی همچنان می‌توانند تغییر شکل‌های غیرکشسان قابل توجه، نیرو‌های برشی زیاد و شتاب‌های آسیب رسان کف را تجربه کنند. یک راه حل، همانطور که پیشتر ذکر شد شامل جداسازی پایه - شناور کردن ساختمان بر روی یاتاقان‌های لاستیکی سربی است.

این طرح شتاب‌های کف و نیرو‌های برشی را کاهش می‌دهد، اما از تغییر شکل در پایه دیواره اصلی جلوگیری نمی‌کند.

راه حل بهتر برای سازه‌ها در مناطق زلزله زده نیاز به یک دیوار با هسته گهواره‌ای همراه با ایزوله پایه دارد. یک دیواره هسته گهواره‌ای در سطح زمین سنگ می‌زند تا از تغییر شکل دائمی بتن در دیوار جلوگیری کند. برای انجام این کار، مهندسان دو سطح پایینی ساختمان را با فولاد تقویت کرده و پس کشش را در طول تمام ارتفاع وارد می‌کنند. در سیستم‌های پس کشش، تاندون‌های فولادی از طریق دیواره هسته عبور می‌کنند.

تاندون‌ها مانند نوار‌های لاستیکی عمل می‌کنند که می‌توانند توسط جک‌های هیدرولیک محکم کشیده شوند تا استحکام کششی دیواره هسته را افزایش دهند.