پنج نوآوری در مهندسی عمران که به ساختمان‌ها کمک می‌کند در برابر زلزله مقاومت کنند
مهندسی زلزله زیرمجموعه‌ای از مهندسی سازه است که بر طراحی سازه‌هایی تمرکز دارد که بتوانند در برابر فشارهای عظیم ناشی از نیروهای لرزه‌ای مقاومت کنند. مهندسان عمران متخصص در این زمینه معمولاً در مناطق جغرافیایی کار می‌کنند که اغلب زمین‌لرزه‌های زیادی را تجربه می‌کنند و به آن‌ها این امکان داده می‌شود تا فناوری‌های جدید را در سناریوهای واقعی زلزله آزمایش کنند.
از آنجا که علم مهندسی زلزله به‌طور مداوم در حال پیشرفت است، متخصصان می‌توانند از بررسی چندین نوآوری معرفی‌شده در صنعت، بهره‌مند شوند.
- جداگرهای لاستیکی- سربی:
امواج لرزه‌ای ناشی از زلزله پایداری ساختمان‌ها را تضعیف می‌کنند. در نتیجه برای مقاومت در برابر زلزله، ساختمان‌ها خصوصاً ساختمان‌های بلندتر باید با کنترل لرزه‌ای طراحی شوند زیرا ریزش آن‌ها می‌تواند خسارت قابل‌توجهی به بار آورد.
یک روش ارزان برای دستیابی به کنترل لرزه‌ای، استفاده از جداگرهای لرزه‌ای است. این روش با استفاده از مجموعه‌ای از جداگرهای لاستیکی- سربی در پی سازه، پایه یک سازه را از پی آن جدا می‌کند که می‌تواند به‌طور مؤثرتری لرزش‌های ناشی از امواج لرزه‌ای را منحرف یا جذب سازد.
جداگرهای لاستیکی سربی
جداگرهای لاستیکی- سربی از یک هسته سربی در یک محفظه لاستیکی تشکیل‌شده‌اند که بین دو صفحه فولادی ضخیم محصورشده و بر روی پی ساختمان ثابت می‌شوند. انعطاف‌پذیری این طرح به انحراف امواج لرزه‌ای کمک می‌کند. این در حالی است که انعطاف‌پذیری اجزای لاستیکی، انرژی حاصل از ارتعاشات را جذب می‌کند و در غیر این صورت صدمات قابل‌توجهی در ساختمان ایجاد می‌شود.
سرانجام، هسته صلب سربی انرژی باقیمانده را که قبلاً توسط لایه‌های خارجی جذب یا منحرف نشده است، از بین می‌برد. مطالعات در مورد اثربخشی سیستم‌های جداگرهای لاستیکی- سربی نشان داده است که وجود این شکل از عایق به‌طور مؤثر پاسخ یک قاب به ارتعاشات را کاهش می‌دهد.
هم‌زمان با پیشرفت علم در حمایت از جداگرهای لاستیکی- سربی، مهندسان عمران وظیفه دارند مصالح جدیدی را کشف کنند که با استفاده از آن‌ها بتوان عملکرد این جداگرها را افزایش داد.
سیستم دیوار برشی ورق فولادی و کمانش کنترل‌شده
سیستم‌های دیوار برشی ورق فولادی از دهه 1970 به‌منظور تقویت ساختمان‌ها به‌خصوص در ژاپن و آمریکای شمالی مورداستفاده قرار گرفتند و به‌عنوان یک گزینه امیدوارکننده و جایگزین برای سیستم‌های مقاوم در برابر زلزله که در بسیاری از مناطق لرزه‌خیز پرخطر استفاده می‌شود، در نظر گرفته شده‌اند.
این دیوارها برای محدود کردن نیروی جانبی در ساختمان‌ها از جنس فولاد طراحی‌شده‌اند که تنش را جذب کرده و خم می‌شوند اما تحت فشار کاملاً کمانش نمی‌کنند. همچنین این نوع دیوارها به‌طور قابل‌توجهی نازک‌تر از دیوارهای برشی بتنی هستند که مقاومت و پایداری مشابهی دارند.
این امر باعث کاهش هزینه‌های ساخت می‌شود و وزن کل ساختمان را نیز کاهش می‌دهد. همه این موارد بدون به خطر انداختن امنیت عمومی افراد در ساختمان است.
سیستم‌های نوسانی کنترل‌شده به کمک به حداقل رساندن رانش‌هایی که در یک سازه و در هنگام زلزله ایجاد می‌شود، از آسیب آن جلوگیری می‌کنند. این سیستم‌ها با عملکرد بالای خود از قاب‌های فولادی مهاربندی‌شده که دارای خاصیت ارتجاعی هستند، استفاده می‌کنند و این اجازه را می‌دهند تا ورق فولادی ، خود را تاب دهد و کمانش کند.
همچنین این عنصر یک نیروی خودمحوری و بازیابی ایجاد می‌کند که ارتعاشات لرزه‌ای را در سرتاسر سازه از بین می‌برد و اجازه می‌دهد تا قاب سازه‌ای به شکلی کنترل‌شده در محلهایی که عمداً از پیش درنظر گرفته است، تاب بخورد.
یکی دیگر از مؤلفه‌های اصلی و مؤثر سیستم‌های نوسانی کنترل‌شده و مهندسی‌شده، اجرای دستگاه‌های اتلاف انرژی قابل تعویض است که سختی اولیه سیستم را تولید می‌کنند. عملکرد این دستگاه‌ها مشابه فیوز الکتریکی است که تحت تنش ناشی از بارهای ناگهانی قابل‌توجه، به تسلیم می‌رسد و پس از خرابی سریعاً تعویض می‌شوند.
میراگر جرمی تنظیم شونده
میراگرهای جرمی مرسوم برای کنترل حرکت ساختمان‌های بلند طراحی‌شده‌اند. برای ایجاد یک میراگر جرمی، مهندسان ساختمان، پاندول‌های بزرگ فلزی متصل شده به کابل‌ها را در بالای یک ساختمان بلند آویزان می‌کنند. این پاندول‌ها به‌عنوان وزنه، برعکس اینرسی عمل می‌کنند که ساختمان را تا حد ممکن در مرکز نگه می‌دارد. همچنین این میراگرها به‌طور مؤثر سرعت نوسان ساختمان را کاهش داده و فاصله کل هر نوسان را نیز کاهش می‌دهند.
در شرایطی که استفاده از میراگر جرمی مرسوم به دلیل مقدار زیاد نوسان آن، ناامن یا غیرمعقول تلقی شود، می‌توان از میراگرهای جرمی تنظیم‌شده استفاده نمود. میراگرهای جرمی تنظیم‌شده مانند میراگرهای جرمی مرسوم کار می‌کنند اما شامل استفاده از سیستم کنترل اضافی مانند آهنربا الکتریکی برای محدود کردن حرکت عنصر پاندول میراگر هستند.
برج شانگهای نمونه ای از میراگر تنظیم شده
نمونه‌ای از میراگرهای تنظیم‌شده را می‌توان در برج شانگهای چین دومین ساختمان بلند جهان که ارتفاع آن 632 متر است، یافت. به دلیل اندازه عظیم این ساختمان، میراگرهای مرسوم برای آن گزینه واقع‌بینانه‌ای نبود؛ بنابراین، مهندسان پاندول‌های وزنی را با یک سیستم مغناطیسی جفت کردند که دامنه حرکت آن‌ها را با خیال راحت محدود کند.
با تکان خوردن ساختمان، وزنه‌های آهنی 1000 تنی بالای آهنربا نوسان کرده و جریان الکتریکی را در صفحه مسی که در زیر میراگر نصب شده است القا می‌کنند و بلافاصله یک میدان مغناطیسی مخالف ایجاد کرده که قادر است حرکت وزنه را خنثی سازد.
این در حالی است که جاذب‌های لرزشی هیدرولیکی باعث می‌شوند وزنه در اثر زلزله یا وقایع لرزه‌ای که ممکن است باعث افزایش نوسان خیلی سریع سازه شود، وزنی نداشته باشد و اثر میرایی سیستم را به حداکثر می‌رساند.
پوشش لرزه‌ای
پوشش لرزه‌ای به‌عنوان یک رویکرد کاملاً جدید برای مقاومت در برابر زلزله توصیف شده است. در حال حاضر این پوشش به‌عنوان ابزاری برای ایجاد موانع محافظتی، قادر به تغییر مسیر انرژی لرزه‌ای دور از سازه‌ها، در حال آزمایش است.
پوشش لرزه‌ای شامل اصلاح خاک و سایر مصالح اطراف ساختمان برای منحرف ساختن یا هدایت نیروی ایجادشده در اثر زلزله است. این نوآوری حول این نظریه به وجود آمده است که امواج لرزه‌ای انرژی را بین انرژی پتانسیل ذخیره‌شده در پوسته سیاره و انرژی جنبشی درون خود امواج لرزه‌ای عبور می‌دهند. مهندسان زلزله که مجهز به این دانش نظری هستند، وظیفه دارند سازه‌ی پوششی را ایجاد کنند که بتواند این امواج لرزه‌ای مخرب را کنترل سازد.
آزمایشات نشان داده است که در شرایط صحیح می‌توان نوسانات ارتعاشات لرزه‌ای را با استفاده از خاک اصلاح‌شده متوقف ساخت. کاربرد پوشش لرزه‌ای بسیار گسترده است و شرکت‌های خصوصی و دولتی در حال حاضر در حال استفاده از این فناوری برای دفاع از سازه‌های با اولویت بالا مانند راکتورهای هسته‌ای هستند.
نکته منفی در استفاده از این روش فضای قابل‌توجهی است که برای یک پوشش لرزه‌ای لازم است. این فضا تقریباً برابر با اندازه سازه محافظت شده است. همچنین در صورت انعکاس ارتعاشات لرزه‌ای به دور از سازه پوشیده شده، ممکن است به سازه‌های مجاور آسیب رسانده شود.
در نتیجه محققان در حال حاضر در حال تولید پوشش‌های لرزه‌ای هستند که بتوانند جریان امواج لرزه‌ای را کنترل کنند درحالی‌که سازه‌های مجاور را نیز تحت تأثیر قرار ندهد.
