روش های جدید مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله

محافظت ساختمان‌ها در مقابل زلزله همواره یکی از دغدغه‌های اصلی در زمینه طراحی ساختمان‌ها در دنیا بوده‌است. در بعضی مناطق زلزله‌خیر این امر اهمیت بیشتری دارد تا آنجا که قوانین خاصی برای مقاوم‌سازی ساختمان‌ها در مقابل زلزله وضع شده‌است که سازندگان ملزم به اجرای آن‌ها هستند. گسترش زندگی شهری در دنیا باعث بالا رفتن تراکم جمعیت در کلان شهرها خطر آسیب‌های جانی و مالی فراوان را در هنگام وقوع زلزله ایجاد کرده‌است. مهندسین و محققان حوزه عمران همواره در تلاش هستند راه‌های عملی و قابل اجرا برای پیشگیری از این آسیب‌ها را ارائه دهند. در این مقاله پنچ اقدام مهم و قابل اجرا در زمان طراحی سازه ساختمان را بیان می‌کنیم که تأثیر شگرفی در حفظ تمامیت سازه در زمان زلزله ایجاد می‌کند. اکثر این اقدامات با ایجاد تطابق و بومی‌سازی با شرایط ساخت‌و‌ساز ایران در کشور ما نیز به کار می‌روند.

در ابتدا باید به این نکته اشاره کرد که در عمل هیچ ساختمان کاملاً ضدزلزله‌ای قابل ساخت نیست و اگر هم در مواردی آن هم با ملاحظاتی قابل ساخت باشد توجیه فنی و منطقی نخواهد داشت. هدف نهایی مقاوم‌سازی سازه‌ها در مقابل زلزله جلوگیری از فروریزش آن‌ها و به حداقل رساندن آسیب‌های مالی و جانی است. در این حالت افراد ساکن در ساختمان امکان تخلیه ساختمان را بعد از وقوع زلزله به صورت ایمن را دارند. این شرایط مانند وقوع یک حادثه رانندگی در یک اتومبیل استاندارد و ایمن است. با وجودی که ممکن است اتومبیل آسیب زیادی دیده‌باشد سرنشینان پس از حادثه می‌توانند به سلامت از اتومبیل خارج شوند. حال که تصور صحیحی درباره مقاوم‌سازی ساختمان در مقابل زلزله پیدا کردیم به معرفی پنج روش متداول که مهندسان عمران برای انجام این مهم در طراحی ساختمان به کار می‌گیرند می‌پردازیم.

1) استفاده از قاب‌های خمشی (Moment Frames)

به صورت ذاتی اتصال‌های معمولی بین تیرها و ستون‌ها در ساختمان‌ها اتصالات به قدر کافی قدرتمند نیستند. شاید این اتصالات در یک ساختمانی که هیچ موقع دچار زلزله نمی‌شود تا سال‌ها هیچ مشکلی را ایجاد نکنند اما مطمئناً توانایی تحمل نیرو‌های جانبی وارد‌شده به ساختمان در زمان زلزله را ندارند. برای تقویت این اتصالات مهندسان از قاب‌های خمشی استفاده می‌کنند. این قاب‌های خمشی در واقع اتصالاتی هستند که به شکل مستحکمی به تیر و ستون جوشکاری یا پیچ و مهره می‌شوند. این اتصالات در مقابل تغییر زاویه بین تیر و ستون شدیداً مخالفت می‌کنند و استحکام سازه را در مقابل نیروهای جانبی حاصل از زلزله و تنها بادهای شدید بسیار بالا می‌برند. شایان ذکر است که قاب‌های خمشی بیشتر در اسکلت‌های فولادی به کار می‌رود و استفاده آن‌ها در اسکلت‌های بتنی محدودتر است. استفاده از قاب‌های خمشی دارای مزایا و معایبی هستند.
در ابتدا باید به این نکته اشاره کرد که در عمل هیچ ساختمان کاملاً ضدزلزله‌ای قابل ساخت نیست و اگر هم در مواردی آن هم با ملاحظاتی قابل ساخت باشد توجیه فنی و منطقی نخواهد داشت. هدف نهایی مقاوم‌سازی سازه‌ها در مقابل زلزله جلوگیری از فروریزش آن‌ها و به حداقل رساندن آسیب‌های مالی و جانی است. در این حالت افراد ساکن در ساختمان امکان تخلیه ساختمان را بعد از وقوع زلزله به صورت ایمن را دارند. این شرایط مانند وقوع یک حادثه رانندگی در یک اتومبیل استاندارد و ایمن است. با وجودی که ممکن است اتومبیل آسیب زیادی دیده‌باشد سرنشینان پس از حادثه می‌توانند به سلامت از اتومبیل خارج شوند. حال که تصور صحیحی درباره مقاوم‌سازی ساختمان در مقابل زلزله پیدا کردیم به معرفی پنج روش متداول که مهندسان عمران برای انجام این مهم در طراحی ساختمان به کار می‌گیرند می‌پردازیم.

موارد زیر را می‌توان مهمترین مزایای این روش دانست:

الف) استحکام بسیار خوبی برای سازه در مقابل نیروهای جانبی ایجاد می‌کنند.

ب) اجرای قاب‌های خمشی تنها در گوشه‌ها و زاویه‌ها انجام می‌شود و نیاز سازه را به استفاده از دیوار یا ستون اضافه برای مقاوم‌سازی ساختمان را برطرف می‌کنند. این مسئله به مهندسان معمار اجازه می‌دهد که خانه‌هایی با فضای بازتر و پر نورتری را طراحی نمایند. به طور کلی استفاده از قاب‌های خمشی ایجادکننده گزینه‌های بیشتری در طراحی داخلی و خارجی برای معماران هستند.

پ) قاب‌های خمشی به واسطه سختی زیادی که در اتصالات ایجاد می‌کنند در نیروهای جانبی، مخصوصاً نیروهای جانبی شدید می‌توانند باعث ایجاد نوسان و لرزش و حتی تغییر شکل دادن ستون‌ها یا تیرها شوند. این مسأله خود می‌تواند باعث عاملی برای فروریزش دیوارهای غیرسازه‌ای باشد.

چند مورد زیر عیب‌های استفاده از قاب‌های خمشی می‌باشند:

الف) قاب‌های خمشی معمولاً باعث پیچیده شدن طراحی می‌شوند. تحلیل سازه‌ای که با قاب‌های خمشی طراحی شده‌است وقت‌گیرتر از یک سازه معمولی است. ضمناً اجرای سازه استفاده کننده از قاب‌های خمشی نیز مشکل‌تر و نیاز به دقت بیشتر دارد.

ب) یکی از مهمترین عیب‌های استفاده از قاب‌های خمشی هزینه بالای آن است. در این روش نیاز به استفاده از اتصالات اضافی زیادی است که باعث بالا رفتن هزینه تمام‌شده ساختمان می‌شود.

2) استفاده از قاب‌های مهاربند (Braced Frames)

یکی از گزینه‌های بسیار خوب برای مقاوم‌سازی طراحی ساختمان در مقابل نیروهای جانبی استفاده از قاب‌های مهاربند است. استفاده از این قاب‌ها می‌توانند به راحتی سختی بسیار مناسبی را به ساختمان اضافه کند. قاب‌های مهاربند امکان استفاده هوشمندانه‌ای را به مهندسان طراح سازه می‌دهد. علاوه بر ایجاد استحکام برای ساختمان این قاب‌ها می‌توانند نقشی مانند فیوز در یک مدار الکتریکی را ایفا کنند. می‌دانیم که زلزله در ابتدا ضعیف‌ترین قسمت یک ساختمان را هدف قرار می‌دهد و پس از آن امکان تخریب قسمت‌های سخت‌تر را ایجاد می‌کند. این مهاربندها می‌توانند به گونه‌ای ساخته‌شوند که به نوعی سپر محافظتی ساختمان در مقابل تخریب باشند. به این معنی که با تغییر شکل خود می‌توانند انرژی زلزله را به خود جذب کرده و باقی سازه را از تخریب حفظ کنند.

موارد زیر مزایای دیگر این روش هستند:

الف) استفاده از قاب‌های مهاربند در مقایسه با روش‌های دیگر محافظت ساختمان در مقابل زلزله به نسبت اقتصادی‌تر هستند. این قاب‌ها به نسبت نیاز به مواد اولیه کمتری دارند و چون نیاز ساختمان را به استفاده از ادوات دیگر برطرف می‌کنند در هزینه تمام‌شده ساختمان نقش مثبتی را بازی می‌کنند.

ب) قاب‌های مهاربند باعث می‌شوند که سازه برای افزایش استحکام نیاز به ستون یا دیوارهای داخلی کمتری داشته‌باشد. این مسأله باعث می‌شود معماران گزینه‌های بیشتری در طراحی داخلی ساختمان داشته‌باشند.

پ) قاب‌های مهاربند امکان نصب سریع را دارند. از آنجایی که این قطعات از قبل ساخته‌شده‌اند و تنها نیاز به اتصال به نقاط مربوطه طبق طراحی سازه است می‌توانند نقش مهمی در تسریع روند پیشرفت پروژه را داشته‌باشند.

از معایب این روش می‌توان به موارد زیر اشاره‌کرد:

الف) محل قرارگیری قاب‌های مهاربند عموما در دیوارهای خارجی است. این مسأله باعث می‌شود که محدودیت‌هایی را در طراحی معماری خارجی بنا ایجاد شود. استفاده از پنجره‌های بزرگ و فراوان در ساختمان‌های استفاده کننده از این قاب‌ها کمتر امکان‌پذیر خواهد بود.

ب) ایجاد پیچیدگی در طراحی سازه یکی دیگر از عیب‌های این روش است. طراحی سازه استفاده‌کننده از این قاب‌ها باید به همراه محاسبات کافی و در نظر گرفتن تمامی ملاحظات لازم انجام شود که خود این مسأله زمان و انرژی لازم برای طراحی را افزایش می‌دهد. معمولاً دستیابی به طراحی بهینه در استفاده از این روش ساده نیست و نیاز به تحلیل‌های فراوان دارد.

3) استفاده از دیوارهای برشی (Shear Walls)

دیوارهای برشی از بیرون معمولاً شبیه دیوارهای معمولی هستند اما این دیوارها در ساختمان به گونه‌ای طراحی می‌شوند که بتوانند نیروهای جانبی وارد به ساختمان را تحمّل کنند. استفاده از این دیوارها علی‌الخصوص در ساختمان‌های بتنی و چوبی ابزار بسیار مناسبی برای مقاوم‌سازی به شمار می‌روند. این دیوارها انواع مختلفی دارند و با مواد اولیه مختلفی قابل ساخت هستند. بسته به نوع ساختمان و ویژگی‌های آن دیوار برشی مناسب توسط طراحان انتخاب می‌شود.

از مزایای این دیوارها می‌توان به موارد زیر اشاره‌کرد:

الف) بالا بردن مقاومت باربری ساختمان علاوه بر بالا بردن مقاومت ساختمان در مقابل نیروهای جانبی یکی از مزیت‌های بسیار خوب این دیوارها است. اثر باربری این دیوارها می‌تواند باعث کاهش مقطع ستون‌ها یا دیوارهای دیگر در یک ساختمان شود.

ب) استفاده از این دیوارها مخصوصاً در ساختمان‌های مرتفع می‌تواند ساختمان را در استفاده از قاب‌های خمشی و مهاربند بی‌نیاز کند. این مسأله می‌تواند نقش بسیار مؤثری هم در کاهش وزن سازه و هم در کاهش هزینه داشته‌باشد.

از معایب دیوارهای برشی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

الف) این دیوارها می‌توانند گزینه‌های طراحی معماری را محدود کنند. وجود این دیوارها که برای ایجاد استحکام ساختمان حیاتی است در داخل فضای ساختمان می‌توانند باعث بسته‌شدن فضا گردند. ضمناً از آنجایی که این دیوارها نمی‌توانند فضای باز در خود داشته‌باشند می‌توانند محدودیت‌هایی برای طراحی خارجی ساختمان نیز ایجاد کنند. البته در اکثر مواقع طراحی می‌تواند به گونه‌ای انجام شود که این اثر محدودکننده به کمترین حد خود برسد. مثلاً در بعضی از ساختمان‌ها دیوارهای برشی را به عنوان دیوارهای دور محفظه آسانسور قرار می‌دهند.

ب) نیاز به طراحی دقیق یکی دیگر از عیب های این دیوارها هستند. مکان‌های قرارگیری این دیوارها به گونه‌ای که بتوانند استحکام لازم را برای یک ساختمان ایجاد کنند بسیار مهم هستند. عملکرد مناسب دیوارهای برشی بسیار وابسته به انتقال صحیح بار به فونداسیون ساختمان است. در نتیجه سازه باید به لحاظ انتقال بار و همچنین بهترین مکان قرارگیری دیوارهای برشی مورد تحلیل قرار گیرد.

4) استفاده از سیستم‌های میراکننده (Dampers)

این سیستم‌ها در حال حاضر تنها در ساختمان‌های بلند و مهم استفاده می‌شود. میراکننده‌ها ادواتی هستند که دامنه نوسان و لرزش سازه را در هنگام وارد شدن نیروهای جانبی کاهش می‌دهند. آنها به گونه‌ای طراحی و نصب می‌شوند که جذب‌کننده و تلف‌کننده انرژی حاصل از نیروهای جانبی باشند. میراکننده‌ها انواع مختلفی دارند که در اینجا سه نوع آنها را معرفی می‌کنیم:

میراکننده محفظه مایع

میراکننده محفظه مایع در واقع محفظه است که در آن مایعی قرار داده‌شده‌است. این محفظه در مکان مشخصی در یک ساختمان نصب می‌شود که معمولاً در قسمت بالایی ساختمان است. ابعاد محفظه، نوع مایع، میزان مایع و مکان قرارگیری این محفظه در ساختمان نیاز به بررسی‌های مهندسی ویژه دارد. این میراکننده به گونه‌ای عمل می‌کند که بتواند دامنه نوسان‌های ایجادشده در ساختمان در زمان دریافت نیروهای جانبی را کاهش دهد. آسمان خراش سیتی گروپ سنتر در خیابان لگزینگتون در نیویورک که دارای 59 طبقه است یکی از ساختمان‌های معروف است که از این نوع میراکننده برای مقاوم‌سازی در مقابل زلزله استفاده‌کرده‌است.

میراکننده جرمی قابل تنظیم

: این نوع میراکننده به شکل‌های مختلف ساخته‌می‌شوند. اما معمول‌ترین آنها به شکل یک پاندول عظیم است که در نقطه‌ای در بالای ساختمان نصب می‌شود. این پاندول ممکن است متصل به فنرها یا ضربه‌گیرهای دیگر باشد. ساختمان این پاندول، اندازه و جرم آن، مکان نصب آن در ساختمان و … با تحلیل‌های فیزیکی دقیق به دست می‌آید. یکی از مهمترین ساختمان‌هایی که از این نوع میراکننده استفاده کرده‌است، برج 101 در تایپه است. این آسمان‌خراش که زمانی بلندترین ساختمان در دنیا بود 101 طبقه دارد. پاندول استفاده‌شده در این ساختمان 660 تن وزن دارد و که از طبقه 92 تا 87 این ساختمان آویزان است.

میراکننده‌های ویسکوزی

این نوع میراکننده ساختاری دارند که می‌توانند انرژی لرزش را از طریق مایع‌های ویسکوز (مایع‌های چسبنده و گران رو) از بین ببرند (به گرما تبدیل کنند). در این نوع میراکننده‌ها معمولا یک پیستون در یک استوانه فلزی که از مایع ویسکوز پر است می‌تواند حرکت کند. پیستون در استوانه حرکت می‌کند و باعث جابه‌جایی مایع می‌شود و مایع در این جابجایی انرژی حرکتی را به گرما تبدیل می‌کند. این میراکننده‌ها بین عناصر ساختمانی که می‌توانند تحت تأثیر نیروهای جانبی قرار گیرند متصل می‌شوند مانند تیرها، ستون‌ها یا قاب‌های مهارکننده. انرژی حرکتی این عناصر باعث تغییر طول میراکننده‌های ویسکوزی می‌شوند و این انرژی به مایع ویسکوز داده‌شده و در اثر اصطکاک مایع به گرما تبدیل می‌شود.

5) استفاده از سیستم جداساز لرزه‌ای پایه (Seismic Base Isolation)

این روش احتمالاً بهترین روش برای دستیابی به هدف واقعاً ضدزلزله کردن یک ساختمان است. این روش شبیه قرار دادن چرخ در زیر یک جعبه می‌باشد. با وجود چرخ جعبه ارتباط فیزیکی مستقیم خود را با زمین از دست می‌دهد. در هنگام زلزله که زمین لرزش و حرکت نوسانی دارد جعبه‌ای که به صورت مستقیم به زمین متصل نیست بسیار کمتر تحت تأثیر این نوسانات قرار خواهد گرفت. در واقع این سیستم جداساز اتصال مستقیم بین سازه و فونداسیون را قطع می‌کند و به سازه و فونداسیون تا حدودی امکان آزادی حرکتی مستقل را می‌دهد. سیستم‌های جداساز لرزه‌ای پایه در عمل به شکل نگه‌دارنده‌های لغزنده (Sliding Isolation System)، نگه‌دارنده‌های لاستیکی (Rubber Bearings)، پاندول‌های اصطکاکی (Friction Pendulum System)، فنرهای فولادی (Steel Springs) و … در زیر ساختمان به کار برده‌می‌شوند. با وجودی که تحقیقات ثابت کرده‌است این روش عملکرد خیلی در مقابله با زلزله دارد هنوز در بیشتر دنیا استفاده از این روش معمول نشده‌است. در حال حاضر این روش بیشتر در کشورهای مدرن آن هم برای ساختمان‌های با اهمیت بالا مانند بیمارستان‌ها، ساختمان‌های تجاری مهم و ساختمان‌های دارای تجهیزات گران و استراتژیک استفاده می‌شوند. در 11 مارچ سال 2011 زلزله بسیار قدرتمندی با قدرت 9 ریشتر در منطقه توهوکوی ژاپن رخ داد که با یک تسونامی همراه بود. با وجودی که زلزله باعث مرگ هزاران نفر شد اما یک بیمارستان که از منطقه آسیب تسونامی دور بود امّا لرزش‌های شدید زلزله را دریافت کرد بدون حتی یک پنجره شکسته توانست پایدار و بی‌آسیب بماند. این بیمارستان در زمان زلزله تنها دچار نوسانات خفیفی شد. مطمئناً در آینده شاهد استفاده بیشتری از این روش در سراسر دنیا خواهیم بود. امیدوارم کشور ما نیز از این قافله عقب نماند چرا که ایران یکی از پرخطرترین کشورهای دنیا در زمینه زلزله است.