فناوری‌هایی برای مقاوم سازی ساختمان‌ها در برابر زلزله

ماهنامه دانشمند: زلزله همواره یکی از ویرانگرترین بلایای طبیعی و دغدغه انسان بوده و انسان همیشه در پی اندیشیدن به تمهیداتی برای هر چه کمتر صدمه دیدن است. امروزه وقتی که در معرض نیروهای ناگهانی ناشی از امواج لرزه ای قرار می گیریم، ممکن است حتی ساختمان ها و پل های مدرن نیز به طور کامل سقوط کنند و از بین بروند و مردم حاضر در داخل یا اطراف خود را از بین ببرند. امروزه رشد جمعیت شهری موجب رشد ساختمان سازی و در نهایت تمرکز جمعیت در یک نقطه و بالاتر رفتن آمار سوانح جانی می شود که تمامی این مسائل وجود فناوری های کاربردی برای تسریع مقاوم سازی و تقویت سازه ها را ضروری و حتی اضطراری می کند.

به تازگی پژوهشگران دانشگاه بریتیش کلمبیای کانادا نوعی سیمان تقویت شده با فیبر و مقاوم در برابر زلزله ساخته اند که در برابر زلزله ترک نمی خورد و از ریزش ساختمان جلوگیری می کند. نحوه استفاده از این ماده بدین شکل است که می توان آن را روی دیوار اسپری کرد. لایه ای از این ماده به ضخامت ۱۰ میلی متر به عنوان پوششی ضد ترک سبب می شود دیوار، لرزه ها را تحمل کرده و در برابر زلزله مقاوم شود و از ریزش آوار جلوگیری کند.

ماده یاد شده در برابر لرزش ها ترک نمی خورد بلکه خم می شود و قابلیت تحمل فشار ناشی از لرزش های زلزله را دارد. محققان در آزمایش های شبیه سازی زلزله از این ماده استفاده کردند و متوجه شدند قابلیت تحمل لرزه هایی تا اندازه ۹ تا ۹.۱ ریشتر را دارد. زلزله ای با چنین قدرتی در سال ۲۰۱۱ در ژاپن اتفاق افتاد و خرابی های زیادی را به بار آورد.

همچنین با توجه به این که صنعت سیمان، نزدیک به ۷ درصد از گازهای گلخانه ای جهان را تولید می کند، با جایگزینی این ماده، میزان قابل توجهی از سیمان عادی استفاده شده در ساخت ساختمان کاهش می یابد و در نتیجه ماده جدید، کامپوزیت سیمانی انعطاف پذیر سازگار با محیط زیست نام گرفته است.

این ماده حاوی الیاف پلیمری است و برخلاف بتن های سنتی، در اثر فشارهای زیاد زلزله فرو نمی ریزد و خراب نمی شود. این نوع سیمان جدید برخلاف نمونه های معمول به جای فرو ریختن در زمان اعمال فشار، با انعطاف زیاد خود، تمام نیرو و فشار را می گیرد. این سیمان برای نخستین بار در بخشی از دیوار یک مدرسه ابتدایی در ونکوور به کار رفت و قرار است ساختمان های مناطق شمالی هند هم به این روش مقاوم سازی شوند؛ مناطقی که بازسازی و نوسازی در آنها امکان پذیر نیست.

پروفسور نمی بانتیا، مدیر نظارتی این پروژه از استقبال بازار هند از این فناوری خبر داد و گفت به زودی از شرکت های بزرگ کانادایی برای توسعه و تجاری سازی آن بهره خواهند برد. وی همچنین افزوده است که این پروژه نه تنها نوآورانه که اقتصادی هم هست و سعی در تسریع در ورود به بازارهای جهانی را دارند.

اکنون می توان گفت علاوه بر تمام راه های تولید ساختمان های ضد زلزله، فناوری های تازه ای برای مقاوم سازی ساختمان های قبلی نیز فراهم شده است. با توجه به انبوه سازی های شهری، این روش چندین مزیت دارد از جمله، به صرفه بودن از نظر مالی و البته از لحاظ زمانی چرا که در سریع ترین زمان ممکن می توان ساختمان های قدیمی را ایمن سازی کرد.

علاوه بر سیمان تقویت شده با فیبر که شاید اتفاق مهمی در مقاوم سازی سازه ها باشد، معماران و مهندسان همواره به فکر طراحی و ارائه فناوری های هوشمندانه ای برای برطرف کردن نگرانی آوار شدن و فروریختن خانه ها، آپارتمان ها و آسمانخراش ها در برابر زلزله بوده اند. در ادامه با 7 فناوری تازه برای مقاوم سازی سازه ها پرداخته ایم که از پس امتحان در برابر زلزله سربلند بیرون آمده اند. توجه و استفاده از این فناوری ها می تواند تا حد بسیاری تاثیر زلزله را کاهش دهد.

فونداسیون شناور: خانه روی هوا

مهندسان و لرزه شناسان سال های زیادی در جستجوی یک سیستم برای مقاومت در برابر زلزله بودند که در نهایت به یک سیستم تحت عنوان فونداسیون شناور رسیده اند. این سیستم از نوع فونداسیون های عمقی است و معمولا در مناطقی که خاک های سست و ضعیفی دارد، اجرا می شود ولی حالا با توجه به چنین ایده ای این طرح را ارائه کردند.

این فناوری همان طور که از نام آن مشخص است، بدنه اصلی ساختمان را از فونداسیون آن جدا می کند. چنین سیستمی شامل ساخت یک ساختمان شناور در بالای پی آن و روی یاتاقان های سرب - لاستیک است که حاوی هسته سربی پیچیده شده در لایه های متناوب لاستیک و فولاد است. یک صفحه فولادی مستحکم و بسیار مقاوم این فونداسیون شناور را به ساختمان اصلی متصل می کند. به هنگام زلزله، تنها فونداسیون ساختمان تکان می خورد و لرزش به بخش اصلی ساختمان منتقل نمی شود.

البته این فناوری در ژاپن بهینه شده و به جای استفاده از لایه های سنگین و پر هزینه لاستیک و فولاد، ناز بالشتک های هوا استفاده می شود که به حسگرهای تشخیص زلزله مجهز هستند. زمانی که زلزله اتفاق بیفتد این بالشتک ها به سرعت پر از هوا می شوند و عایقی به ضخامت 3 سانتی متر ایجاد می کنند و زمانی که زلزله پایان می یابد، بالشتک ها به صورت خودکار هوای شان خالی و ساختمان روی فونداسیون خود قرار می گیرد.

کمک فنر: جذب لرزش

با استفاده از سیستمی مشابه کمک فنر خودرو می توان ساختمان ها را در برابر زلزله مقاوم کرد. کارکرد این سیستم بدین شکل است که شوک های ارتعاشی سریع توسط جاذب ارتعاش (که همان کمک فنر است)، جذب می شود و با تبدیل انرژی ارتعاشی به انرژی گرمایی، آن را به روغن هیدرولیک تخلیه می کند.

هر کمک فنر شامل یک سر پیستونی است که درون یک سیلندر پر از روغن حرکت می کند. این کمک فنرها را در مکان هایی از ساختمان قرار می دهند که یک سر آن به یک ستون و انتهای دیگر به یک میله متصل می شود. هنگامی که زلزله رخ می دهد، حرکت افقی ساختمان باعث می شود پیستون با فشار بر روغن، انرژی مکانیکی زمین را به گرما تبدیل کند و این لرزش به ساختمان منتقل نشود.

پرده های محافظ: مقاوم سازی با فیبر کربنی

یک شرکت نساجی ژاپنی به جای استفاده از فولاد و بتن در ساخت بنا و سازه ها، از طناب های فیبر کربنی استفاده کرده است. شرکت کوماتسو سایرین (Komatsu Seiren) با استفاده از ترکیبات فیبر کربنی، ریسمانی با قابلیت انبساطی بسیار بالا طراحی کرده است. معماران در این روش از طناب هایی استفاده می کنند که درست مثل یک پرده به دور بنا کشیده می شود و از ریزش ساختمان در زمان زلزله جلوگیری کرده و به صورت منعطف در برابر لرزش ها عمل می کنند. طول این ریسمان های کربنی فیبری 160 متر و مجموع وزن آنها فقط 12 کیلوگرم است.

شان هوریکی، معمار ارشد این پروژه در گفتگو با مجله وایرد (WIRED) گفت: «از آنجایی که این فیبر کربنی، محکم و در عین حال نرم است، این ایده را در ذهن ما به وجود آورد که از آن به عنوان یک وسیله خاص مقاوم سازی بنا استفاده کنیم. در بنایی که این ایده را روی آن اجرا کردیم، تعداد 1130 مفتول در پشت بام کار گذاشته شد و سپس سیم های متصل به مفتول ها را به زمین وصل کردیم تا ساختمان کاملا مهار شود.»

نحوه عملکرد این پوشش محافظتی بدین شکل است که در زمان زلزله، وقتی ساختمان به سمت چپ تکان می خورد، ریسمان هایی که در سمت راست هستند، آن را به عقب می کشند و بالعکس و با نیرویی مخالف نیروی وارده، سعی در مهار کردن لرزه ها و نگه داشتن ساختمان دارند.

فیوزهای قابل تعویض: قاب محافظ ساختمان

یک فیوز وظیفه حفاظت از مدار را بر عهده دارد و زمانی که جریان الکتریکی شدید شود، جریان الکتریکی قطع و مانع از گرمای بیش از حد و آتش سوزی می شود. محققان دانشگاه استنفورد و دانشگاه ایلینوی آمریکا با تلاش برای ساخت یک ساختمان مقاوم در برابر زلزله، از همین مفهوم برای مقاوم سازی استفاده کردند. آنها ایده خود را سیستم کنترل ارتعاش نامیدند زیرا قاب های فولادی که ساختار آن را تشکیل می دهند، انعطاف پذیر هستند و روی فونداسیون تکان می خورند اما این به خودی خود راه حل ایده آل نیست.

محققان علاوه بر قاب های فولادی، کابل های عمودی را نصب کردند که چارچوب ساختمان را به فونداسیون آن متصل می کند. این کابل ها حرکت ساختمان به هنگام زلزله را محدود می کنند. این کابل ها، هوشمند هستند و بعد از پایان زلزله به طور خودکار غیرفعال می شوند. این فیوزهای قابل تعویض از جنس استیل هستند که بین دو صفحه در پایه های ستون قرار می گیرند و در طول زلزله نقش کنترل لرزش ها را دارند. پس از پایان زلزله، اگر این فیوزها غیرفعال شده باشند مجددا می توان آنها را جایگزین کرد.

آلیاژ حافظه دار: جایگزین فولاد

انعطاف پذیری از مهم ترین موضوعات در مقاوم سازی ساختمان ها در برابر زلزله است. بسیاری از مهندسان در تلاش برای جایگزینی مواد اولیه ساختمان سازی یعنی فولاد و بتن هستند. در این بین آلیاژ حافظه دار شکلی ارائه شده است. آلیاژ حافظه دار به دسته ای از آلیاژها گفته می شود که می توانند تغییر شکل و کرنش های دایمی را که بر آنها اعمال می شود، بازیابی کرده و در نهایت به شکل اولیه خود بازگردند.

این آلیاژ متشکل از تیتانیوم و نیکل است. این ترکیب، نیتینول نامیده می شود و نسبت به فولاد 10 تا 20 درصد انعطاف پذیرتر است. رفتار آلیاژهای حافظه دار، بر اساس یک دگرگونی فازی و تغییر ساختار بلوری است که در آن، آلیاژ از یک ساختار محکم و پایدار در دمای بالاتر، به یک ساختار تغییر فرم پذیر پایدار در دمای پایین تر، تبدیل می شود و همین رفتار باعث کاهش خسارت های ناشی از زلزله می شود.

از صفحات حصیری تا تابلوهای مقوایی

مقاوم سازی با مواد در دسترس

مقاوم سازی در کشورهای در حال توسعه با مقاوم سازی مناطق توسعه یافته دنیا کاملا متفاوت است. در پاکستان از صفحات حصیری با روکش نایلون همراه با خمیر (گچی که به عنوان روکش آن به کار می رود) برای ایمن سازی ساختمان ها استفاده می کنند.

مهندسان در هند، برای تقویت بتن، از بامبو استفاده می کنند که نتیجه موفقیت آمیزی داشته است. در پرو، برای مقاوم سازی دیوارها از ساقه های بامبو و اکالیپتوس و در مناطق فقیرنشین برای جلوگیری از ریزش آوار، از صفحه های مشبک پلاستیکی روی دیوارهای خنثی استفاده می کنند.

در هائیتی، سقف ها بزرگ ترین مشکل در زمینه آوار شدن روی سر ساکنان هستند. آنها با استفاده از ورق های فلزی روی تیرهای چوبی، مقاومت سقف را بیشتر می کنند. هم اکنون در اندونزی، برخی از خانه ها را روی لاستیک هایی که با شن و ماسه یا سنگ پر شده اند می سازند. جالب است بدانید که حتی مقوا هم می تواند یکی از مصالح ساختمانی محکم و با دوام باشد. شیگرو بان (طراح مشهور ژاپنی)، طرح هایی ارائه کرد که شامل لوله های مقوا با پلی اورتان است. وی در سال 2013 طرح یک کلیسا را در نیوزلند ارائه کرد که در آن از 98 لوله مقوایی (که با ورقه های چوبی تقویت شده است)، برای مقاوم سازی استفاده کرد. در واقع ساختار مقوا و چوب علاوه بر انعطاف پذیری، سبک نیز هستند و در صورت ریزش آوار سنگینی روی افراد نخواهد بود و تلفات آواری پدید نمی آید.

خانه های گنبدی، سبک و بی آوار

استایروفوم همان ماده سازنده ظرف های یکبار مصرف است اما برای یک تولید کننده خانه ساز ژاپنی، استایروفوم مصالح ساختمانی آینده است. در ژاپن از خانه های گنبدی شکل تحت عنوان خانه های 80 کیلویی برای جایگزینی خانه های روستایی استفاده می شود و گفته می شود در صورت زلزله های بزرگ در این مناطق، سوانح از طریق ریزش آوار و سقوط دیوارها به دلیل، سبک ساخت گنبدی و سبکی وزن آن، اتفاقی نخواهد افتاد. شاهد ماجرا زلزله سال گذشته کوماموتو است. در آوریل 2016 بر اثر زلزله ای با شدت 7 ریشتر در کوماموتو 49 نفر کشته، 2000 نفر زخمی و بیش از 44 هزار نفر بی خانمان شدند اما نکته جالب ماجرا اینجاست که روستای کیوشو در نزدیکی کوماموتو که شامل 480 واحد مسکونی گنبدی شکل بود، آسیب ندید.

البته این نکته مهم را هم نباید فراموش کرد که در ساخت این خانه ها از ماده عادی استایروفوم استفاده نمی شود و با استفاده از فناوری خاصی، مقاومت آن بسیار زیاد می شود؛ خیلی بیشتر از مقاومت آن در ظرف یکبار مصرف. یک خانه گنبدی را می توان در عرض یک هفته با استفاده از یک تیم سه نفره با به کارگیری قطعات آماده ای که همانند پازل در محل سر هم بندی می شود، ساخت. هزینه ساخت این خانه ها با مساحت 36 متر مربع در حدود 68 تا 78 هزار دلار است که با توجه به ساختمان های ضد زلزله مدرن، بسیار ارزان به حساب می آید.

این خانه ها به عنوان الگویی برای ساختمان سازی در مناطق زلزله خیز دنیا مطرح شده اند. شرکت سازنده خانه های گنبدی ادعا کرده است که در طول یک سال گذشته، بالغ بر 100 خانه گنبدی در ژاپن فروش رفته است و هر روز بر میزان آن افزوده می شود.