زمین‌لرزه‌ها می‌توانند در سرتاسر جهان رخ دهند، اما در مناطقی که به طور خاص رایج هستند، مانند کالیفرنیا و ژاپن، و در مناطقی که به دلیل فعالیت‌های انسانی شیوع بیشتری پیدا می‌کنند، مانند اوکلاهاما، ایمنی لرزه‌ای – یعنی طراحی ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله – هنگام ساخت ساختمان‌های جدید از اهمیت بالایی برخوردار است. زمانی که قانون اینرسی باعث می‌شود هسته مذاب زمین به سمت سطح تراوش کند. پس از مدتی، فشار ایجاد شده روی سطح زمین فوران می‌کند و یکپارچگی ساختاری خانه‌ها، ساختمان‌ها و سازه‌ها را به خطر می‌اندازد.
از آنجایی که آسیب‌های سازه‌ای عامل اصلی آسیب و مرگ و میر در طول زلزله است، معماران، مهندسان و سازندگان باید مطمئن شوند که ساختمان‌ها با مصالح و طراحی مناسب ساخته شده‌اند.
چگونه زلزله بر ساختمان‌ها تأثیر می‌گذارد
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 می‌دهد، امواج ضربه‌ای را در فواصل کوتاه و سریع به سراسر زمین ارسال می‌کند که در تمام جهات گسترش می‌یابد. در حالی که ساختمان‌ها به طور کلی برای مقابله با نیروهای عمودی ناشی از وزن و گرانش خود مجهز هستند، به طور سنتی نمی‌توانند نیروهای جانبی ساطع شده از زلزله را کنترل کنند.
این حرکت افقی باعث ارتعاش دیوارها، کف، ستون‌ها، تیرها و اتصال دهنده‌هایی می‌شود که آنها را در کنار هم نگه می‌دارند. تفاوت در حرکت بین پایین و بالای ساختمان‌ها فشار زیادی وارد می‌کند و باعث پارگی قاب نگهدارنده و در نهایت فروریختن کل سازه می‌شود.
ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله
حالا که تا حدودی با تأثیرات زلزله بر ساختمان‌ها و سازه‌ها آشنا شدیم، نوبت آن رسیده که بدانیم کدام سازه‌ها در بربر زلزله می‌توانند مقاوم باشند و چه ویژگی‌هایی در این سازه‌های انسانی دخیل هستند که به آنها توانایی مقاومت و پایداری در برابر زمین لرزه را می‌دهد. به طور کلی می‌توان گفت که توانایی یک ساختمان در مقاومت در برابر زلزله می‌تواند به معنای تفاوت بین زندگی و مرگ برای ساکنان آن باشد، بنابراین مهندسان و معماران سازنده پروژه‌های ساختمانی در مناطق زلزله‌خیز هر روز در تلاش‌اند تا به سرعت آخرین تکنیک‌های مقاوم‌سازی لرزه‌ای را پیدا کرده و بهترین روش‌ها را برای کاهش اثرات لرزش بیش از حد زمین لرزه بر سازه خود اتخاذ کنند.
جالب است بدانید، فولاد که مدت‌ها به عنوان یک ماده ضروری برای پروژه‌های ساختمانی در سرتاسر جهان تلقی می‌شد، به تازگی به عنوان یک محصول مهم برای کاهش آسیب‌های ناشی از زلزله در سازه‌های نهایی و پروژه‌های ساختمانی شناخته شده است. پیشرفت‌های جدید در فناوری فولاد و سایر فلزات، توانایی ساختمان‌ها را برای مقاومت در برابر نیروهای خشن مرتبط با زلزله افزایش داده است.
آشنایی با مواد مقاوم در برابر زلزله
دانش و آگاهی معمول جامعه در رابطه با زلزله و نحوه ساختمان‌سازی جهت مقابله با آن در نیمه اول قرن بیستم این بود که هر چه ساختمان سنگین‌تر باشد، در برابر زلزله ایمن‌تر خواهد بود. با این حال، مطالعات معماری اخیر نشان داده است که ساختمان‌های ساخته شده از موادی مانند بتن یا آجر در واقع در هنگام تجربه زلزله در مضیقه هستند.
با حرکت زمین، وزن ساختمان از سمتی به سمت دیگر با قطعات سازه برخورد می‌کند؛ بنابراین، هر چه ساختمان سنگین‌تر باشد، نیروی بیشتری به این عناصر سازه‌ای وارد می‌کند و احتمال سقوط آن بیشتر می‌شود.
با این حال، ساختمان‌هایی که عمدتاً از فولاد یا فلزات دیگر تشکیل شده‌اند در مقاومت در برابر زلزله بسیار بهتر هستند.
فولاد بسیار سبک‌تر از بتن است، اما همچنان دوام زیادی برای پروژه‌های ساختمانی به ارمغان می‌آورد. همچنین فولاد، انعطاف‌پذیرتر از بتن و سایر مصالح ساختمانی است، جالب است بدانید، فولاد به جای شکستن در هنگام مواجهه با نیروی زلزله خم می‌شود.
به دلیل این ویژگی‌ها، ساختمان‌هایی که عمدتاً از فولاد ساخته می‌شوند، نسبت به ساختمان‌هایی که از مواد دیگر ساخته شده‌اند، به مقاومت کمتری در برابر زلزله نیاز دارند. این بدان معناست که وقتی پروژه‌های ساختمانی شما شامل فولاد است، گذراندن آزمایش‌های لرزه‌ای و رعایت قوانین ساختمانی در جوامع زلزله‌خیز آسان‌تر است. علاوه بر این، ساختمان‌های فولادی پس از زلزله نیاز به تعمیرات کمتری دارند و هزینه‌های نگهداری و بیمه پروژه شما را کاهش می‌دهد.
مواد مورد استفاده در ساختمان‌های ضد زلزله
خطرناک‌ترین نوع زمین‌لرزه‌ها، زلزله‌هایی هستند که باعث حرکت افقی می‌شوند، زیرا ساختمان‌های بلند در برابر بارهای عمودی بهتر از ساختمان‌های افقی مقاومت می‌کنند. این حرکات زمین می‌تواند در عرض چند دقیقه به پایه‌های ساختمان آسیب برساند و باعث صدمات شدید و مرگباری شود. ساخت سازه‌ای برای مقاومت در برابر امواج لرزه‌ای با مصالح مناسب با خواص مناسب شروع می‌شود و فولاد تا حد زیادی پرکاربردترین مصالح برای ساخت ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله است.
برای اینکه یک ماده در برابر تنش و ارتعاش مقاومت کند، باید شکل‌پذیری بالایی داشته باشد که توانایی تغییر شکل‌ها و کشش‌های 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 وزنش، یک ماده انعطاف‌پذیر شگفت‌انگیز دیگر است.
طبق گفته انجمن جهانی فولاد، ساختمان‌های شکل‌پذیر از آنجایی که انرژی امواج لرزه‌ای را دفع می‌کنند، ایمن‌تر هستند. یک ساختمان معمولاً دارای قطعات شکل‌پذیر است که می‌توانند بدون شکست ساختاری کامل در هنگام زلزله دچار تغییر شکل پلاستیکی شوند. بدین صورت فولاد متداول‌ترین نوع ماده برای چنین قطعاتی است.
همچنین با توجه به قانون اینرسی، هر چه ساختمان سبک‌تر باشد، امواج لرزه‌ای نیروی کمتری به ساختمان وارد می‌کنند. به همین دلیل، به خصوص ساختمان‌های بلندتر، مهم است که از مواد سبک و انعطاف‌پذیر مانند فولاد ساخته شوند که با حرکت زلزله‌ها خم شوند. به طور متوسط، ساختمان‌های فولادی چند طبقه 60 تا 70 درصد سبک‌تر و 10 برابر ساختمان‌های بتنی با همان اندازه هستند.
طراحی ساختمان ضد زلزله: استفاده از فولاد در سازه شما
خوب است بدانید راه‌های مختلفی برای گنجاندن فولاد در آخرین پروژه ساختمانی خود جهت افزایش انعطاف‌پذیری در برابر زلزله وجود دارد:
- تیرهای فولادی – می‌توان از آنها برای کمک به ایمن‌سازی پایه و استفاده از استحکام شکل‌پذیری فولاد از زمین به بالا استفاده کرد. با عایق‌بندی پایه، ساختمان اساساً به‌گونه‌ای ساخته می‌شود که در بالای فونداسیون شناور باشد تا کل سازه بتواند در هنگام زلزله به عنوان یک واحد حرکت کند.
- روکش فلزی – ساخت سقف سبک با استفاده از روکش فولادی پروفیلی به جلوگیری از فروریختن ساختمان کمک می‌کند.
- توری منبسط شده – مش فلزی را می‌توان در دیوارها و سقف‌ها برای تقویت سازه به روشی همه کاره و مقرون به صرفه استفاده کرد. این موانع نه تنها در برابر زلزله بسیار بادوام هستند، بلکه می‌توانند بادهای شدید و سایر اثرات آب و هوایی را نیز تحمل کنند.
ساخت ساختمان‌های فولادی برای زنده ماندن در برابر زلزله
محبوبیت فولاد به عنوان روشی مقرون به صرفه برای برآورده ساختن قوانین سختگیرانه زلزله در حالی که سازه‌هایی از نظر زیبایی‌شناسی دلپذیر تولید می‌کند، در حال افزایش است. شهرهایی از سانفرانسیسکو تا توکیو تا سانتیاگو، شیلی، به دلیل توانایی آن در مقاومت در برابر زلزله و مقاومت در برابر آزمون زمان، شاهد سرمایه‌گذاری گسترده در معماری فلزی هستند.
نمای کلی از نحوه استفاده فولاد در ساختمان ضد زلزله
با فولاد، سازندگان می‌توانند طرح‌ها و تقویت‌کننده‌های حیاتی را اضافه کنند تا سازه را در برابر زلزله پایدار نگه دارند. در اینجا برخی از پرکاربردترین اقدامات را با هم برسی می‌کنیم.
یکپارچگی ساختاری ساختمان‌ها را می‌توان با مهاربندهای متقاطع فولادی که نمای بیرونی ساختمان را به شکل x قاب می‌کند، تقویت کرد. در نهایت بادبندهای متقاطع می‌توانند نیروی امواج لرزه‌ای را به زمین برگردانند، به جای اینکه اجازه دهند ساختمان ضربه بخورد. سازندگان همچنین می‌توانند دیوارهای ساختمان‌ها را با دیوارهای عمودی اضافی یا دیوارهای برشی تقویت کنند که به قاب ساختمان سختی می‌افزاید و به آن اجازه می‌دهد در برابر نوسان یا حرکات افقی مقاومت کند.
جداسازی پایه شامل جداسازی ساختمان از فونداسیون است تا جداسازها شوک ناشی از زلزله را جذب کنند. جداسازها به ساختمان اجازه می‌دهند با سرعت کمتری حرکت کند؛ زیرا بخش بزرگی از شوک را از بین می‌برند. قاب‌های مقاوم در برابر ضربه نیز به طور مؤثر انرژی را از کف و پشت‌بام به فونداسیون ساختمان می‌ریزند و قاب‌های سفت و در عین حال انعطاف‌پذیر می‌توانند در طول زلزله تغییر شکل دهند. گرچه قاب‌های خمشی گران‌تر، ساختمان‌ها را قادر می‌سازد تا در برابر زلزله با حرکت افقی بیش از حد مقاومت کنند.
مواد نوآورانه
دانشمندان و مهندسان در حال توسعه مصالح ساختمانی جدید با حفظ شکل ساختاری حتی بیشتری نیز هستند. نوآوری‌هایی مانند آلیاژهای حافظه‌دار این توانایی را دارند که هم‌فشارهای سنگین را تحمل کنند و هم به شکل اولیه خود بازگردند. علاوه بر این، روکش‌های پلاستیکی تقویت شده با الیاف – ساخته شده توسط انواع پلیمرها – می‌توانند در اطراف ستون‌ها پیچیده شوند و تا 38٪ استحکام و شکل‌پذیری بیشتری به سازه فولادی ارائه دهند.
مهندسان همچنین می‌توانند برای کمک به تقویت ساختمان‌ها به عناصر طبیعی روی‌آورند. الیاف چسبنده و در عین حال سفت و سخت صدف‌ها یا قدرت به چسبندگی بالای تار عنکبوت قابلیت‌های امیدوارکننده‌ای در ایجاد این نوع ساختارها دارند. بامبو و مواد پرینت سه بعدی نیز می‌توانند به عنوان سازه‌های سبک‌وزن و درهم‌تنیده با فرم‌های بی حد و حصر عمل کنند که به طور بالقوه می‌توانند حتی مقاومت بیشتری را برای ساختمان‌ها ایجاد کنند.
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 نمی‌توانند به طور کامل در برابر زلزله‌های قدرتمند مقاومت کنند. با این حال، اگر یک ساختمان بتواند از فروریختن جلوگیری کند و زندگی و جوامع را نجات دهد، می‌توانیم آن را یک موفقیت بزرگ بدانیم.
ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله چگونه طراحی می‌شوند
در طول تاریخ، ما سازه‌ها و شهرهای چشمگیری ساخته‌ایم، فقط برای اینکه آنها تسلیم نیروهای طبیعت نشوند. زمین‌لرزه‌ها یکی از مخرب‌ترین نیروهای زمین هستند، امواج لرزه‌ای در سراسر زمین می‌تواند ساختمان‌ها را تخریب کند، جان انسان‌ها را بگیرد و هزینه‌های هنگفتی را برای از دست‌دادن و تعمیر هزینه کند.
بر اساس گزارش مرکز ملی اطلاعات زلزله، هر سال به طور متوسط 20000 زمین لرزه رخ می‌دهد که 16 مورد از آنها بلایای بزرگ هستند. در 14 آگوست 2021، زمین لرزه‌ای به بزرگی 7.2 ریشتر منطقه جنوب غربی هائیتی را لرزاند و بیش از 2000 نفر را کشت. مانند سایر زلزله‌ها، بسیاری از آسیب‌ها ناشی از فروریختن ساختمان‌ها با افراد داخل آنها بوده و ساختن ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله را ضروری می‌سازد.
در چند دهه گذشته، مهندسان طرح‌ها و مصالح ساختمانی جدیدی را برای تجهیز بهتر ساختمان‌ها برای مقاومت در برابر زلزله معرفی کرده‌اند.
چگونه یک ساختمان مقاوم در برابر زلزله بسازیم
برای طراحی یک ساختمان ضد زلزله، مهندسان برای تقویت سازه و مقابله با نیروهای احتمالی زلزله تلاش می‌کنند. از آنجایی که زمین لرزه انرژی آزاد می‌کند که این انرژی همیشه از یک جهت به ساختمان‌ها فشار می‌آورد، استراتژی جهت مقابله با زمین لرزه به این صورت است که ساختمان به سمت مخالف فشار داده شود. در اینجا به برخی از روش‌هایی که برای کمک به مقاومت ساختمان‌ها در برابر زلزله استفاده می‌شود، اشاره می‌کنیم.
- یک بنیاد انعطاف‌پذیر ایجاد کنید
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 لنت‌های انعطاف‌پذیر ساخته شده از فولاد، لاستیک و سرب است. هنگامی که پایه در هنگام زلزله حرکت می‌کند، جداسازها می‌لرزند در حالی که خود سازه ثابت می‌ماند. این به طور مؤثری به جذب امواج لرزه‌ای و جلوگیری از حرکت آنها در ساختمان کمک می‌کند.
- نیروهای ضد با میرایی
اگر با کمک‌فنرهای مورد استفاده در خودروها آشنایی دارید، شاید تعجب کنید که بدانید مهندسان نیز از نسخه‌ای از آنها در ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله استفاده می‌کنند. کمک‌فنرها مانند استفاده از آنها در خودروها، بزرگی امواج ضربه را کاهش داده و به کاهش فشار روی ساختمان کمک می‌کنند. این فرایند به دو روش انجام می‌شود: دستگاه‌های کنترل ارتعاش و قدرت آونگ.
دستگاه‌های کنترل ارتعاش
این روش شامل قراردادن دمپرها در هر سطح از ساختمان بین ستون‌ها و تیرها است. هر دمپر از سر پیستون در داخل یک سیلندر پر از روغن سیلیکون تشکیل شده است. هنگامی که زلزله رخ می‌دهد، ساختمان انرژی ارتعاشی را به پیستون‌ها منتقل می‌کند که به روغن فشار وارد می‌کند. سپس انرژی به گرما تبدیل می‌شود و نیروی ارتعاشات را از بین می‌برد.
قدرت آونگ
یکی دیگر از روش‌های رایج میرایی، قدرت آونگ است که عمدتاً در آسمان‌خراش‌ها استفاده می‌شود. برای اجرای این امر، مهندسان یک توپ بزرگ را از کابل‌های فولادی که به یک سیستم هیدرولیک در بالای ساختمان متصل می‌شوند، آویزان می‌کنند. هنگامی که ساختمان شروع به تاب خوردن می‌کند، توپ مانند یک آونگ عمل می‌کند و در جهت مخالف حرکت می‌کند تا ساختمان را تثبیت کند. مانند میرایی، این ویژگی‌ها به‌گونه‌ای تنظیم شده‌اند که در صورت وقوع زلزله با حرکت ساختمان مطابقت داشته باشند و آن را خنثی کنند.
- از ساختمان‌ها در برابر ارتعاشات محافظت کنید
به جای صرفاً مقابله با نیروها، محققان در حال آزمایش روش‌هایی هستند که ساختمان‌ها می‌توانند 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 لرزه‌ای به حلقه‌ها، سهولت سفر آنها را مجبور می‌کند تا به حلقه‌های بیرونی حرکت کنند. در نتیجه، آنها اساساً از ساختمان دور شده و به داخل زمین پراکنده می‌شوند.
- ساختار ساختمان را تقویت کنید
برای مقاومت در برابر ریزش، ساختمان‌ها باید نیروهایی را که در طول یک رویداد لرزه‌ای از خود عبور می‌کنند، دوباره توزیع کنند. دیوارهای برشی، مهاربندهای متقاطع، دیافراگم‌ها و قاب‌های خمشی برای تقویت یک ساختمان مرکزی هستند.
دیوارهای برشی یک فناوری ساختمانی مفید است که می‌تواند به انتقال نیروهای زلزله کمک کند. این دیوارها که از پانل‌های متعدد فولادی ساخته شده‌اند، به ساختمان کمک می‌کنند تا شکل خود را در طول حرکت حفظ کند. دیوارهای برشی اغلب توسط مهاربندهای متقاطع مورب ساخته شده از فولاد پشتیبانی می‌شوند. این تیرها می‌توانند فشار و کشش را پشتیبانی کنند و به مقابله با فشار و نیروها کمک کنند.
دیافراگم‌ها 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 ضربه‌های ناشی از زمین به سازه انعطاف‌پذیری بیشتری در طراحی ساختمان ایجاد می‌کنند. این سازه‌ها که از جنس فولاد هستند، 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 می‌دهد تا در چیدمان عناصر ساختمانی آزاد باشند.
سخن پایانی
در حالی که کمک‌فنرها، آونگ‌ها و “پوشش‌های نامرئی” ممکن است تا حدی به دفع انرژی کمک کنند، مواد فولادی انتخاب شده برای ساخت یک ساختمان ضد زلزله به همان اندازه مسئول پایداری آن هستند. پس برای انتخاب و خرید محصولات فولادی با کیفیت و مرغوب‌تر با کارشناسان فروش ما در فروآرسس تماس حاصل نمایید.
