در جهان امروز با افزایش ساخت و سازها و تعداد ساختمانهای بلند و برجها، به کارگیری فناوریهای نوین مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله بسیار مهم و حیاتی ست. زیرا در صورتی که سازه ها بر طبق اصول ساخته نشوند، رخ دادن حوادث طبیعی مثل زلزله میتواند خسارات مالی و جانی بسیار زیادی به بار آورد.

خوشبختانه در دهه های اخیر مهندسان با به کارگیری فناوری جدید توانسته اند سازه هایی با ضریب ایمنی بالا بسازند تا در صورت رخ دادن زلزله تنها خسارات جزیی به بار بیاید و سازه کاملا ایمن است.

در ادامه چندین مورد از فناوریهای نوین مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله را بررسی خواهیم کرد.

 

۱- فونداسیون شناور

این روش به جداسازی فونداسیون نیز شناخته میشود. در این روش ساختمان از پی بنا جدا شده و روی یاتاقان های سربی لاستیکی شناور میسازند.

در این سیستم فونداسیون شناور، ساختمان به وسیله تکیه گاه های سربی لاستیکی می‌تواند بر روی فونداسیون حرکت کند.این تکیه گاه سربی لاستیکی شامل یک هسته ی سربی سخت است که با چند لایه ی لاستیکی و فولاد محصور شده است.

لایه های فولادی تکیه گاه ها را  به ساختمان و فونداسیون آن متصل می‌کنند. بنابراین در هنگام رخ دادن زلزله، فونداسیون میتواند بدون حرکت سازه اصلی روی آن حرکت کند و از به بار آمدن خسارت جلوگیری می کند.

اکنون ژاپن تکنولوژی جدیدتری از پی شناور را ارایه کرده است. در این مدل پس از تشخیص زلزله توسط سنسورهای ساختمان، یک بالشت هوا بین ساختمان و پی آن ایجاد می شود. این بالشت ساختمان را تا حدود سه سانتی متر از زمین جدا کرده و بالا میبرد. با اتمام زلزله کمپرسورهای هوا خاموش شده، بالشتهای هوا تخلیه میشوند و ساختمان به روی فونداسیون خود باز می گردد.

۲- خنثی کردن نیروهای وارد به سازه با میراگرها (دمپر)

همانطور که میدانید خودروها دارای ضربه گیر (کمک فنر) هستند، مهندسین نیز از آن‌ها در طراحی سازه های مقاوم در برابر زلزله استفاده می‌کنند.. ضربه گیرها در ساختمان مانند خودرو، مقدار امواج شوک را کاهش داده و به پایداری سازه کمک می‌کنند.استفاده از ضربه گیر نیز روش دیگری  است.

در مدل اول مهندسین میراگرها را در هر یک از طبقات ساختمان به نحوی قرار میدهند که یک سر آن به تیر و انتهای دیگر آن به ستون متصل باشد.

هر دمپر دارای یک پیستون است که در داخل یک استوانه پر شده با روغن سیلیکون  قابلیت حرکت دارد.

در زمان وقوع زلزله، حرکات افقی ساختمان باعث وارد شدن نیرو به پیستون در هر دمپر  میشود، که در نتیجه انرژی ناشی از نیروی مکانیکی زلزله را  به شکل گرما در می آورد، به عبارتی دیگر نیروی ارتعاشات را مستهلک می‌کند و از تخریب ساختمان جلوگیری میشود.

میراگرهای آونگی که ابتدا از آن‌ها در آسمان خراش‌ها استفاده شد، شامل گوی بزرگی است که به‌وسیله کابل‌های فولادی با سیستم هیدرولیک در بالای ساختمان معلق می‌شود.

در زمان زلزله و هنگامی که ساختمان نوسان می‌کند، گوی به‌ عنوان یک آونگ عمل کرده و با حرکت در جهت مخالف حرکت سازه، آن را پایدار می‌کند. فرکانس حرکت این آونگ تقریبا بر فرکانس ارتعاش ساختمان منطبق است تا بتواند نیروهای وارد شده را با جابه‌جایی در فاز مخالف خنثی کند.

 

۳- فیوزهای قابل تعویض 

یک فیوز وظیفه حفاظت از مدار را برعهده دارد و زمانی که جریان الکتریکی از حد خاصی بالاتر رود، جریان الکتریکی قطع شده و مانع از گرمای بیش‌ از حد و آتش‌سوزی می‌شود. در صورت وقوع مشکل نیز به‌ سادگی فیوز را  می‌توان جایگزین کرد و سیستم را به حالت عادی برگرداند. محققان نیز تحقیق برای ساخت یک ساختمان مقاوم در برابر زلزله، با یک مفهوم مشابه آغاز کردند.

بدلیل اینکه قاب های فولادی تشکیل دهنده سازه‌ها الاستیک هستند و اجازه نوسان روی فونداسیون را دارند این ایده سیستم نوسانی(ارتعاشی) کنترل شده نامیده شد.اما این به‌ خودی‌ خود راه‌ حل ایده‌آل نیست.

محققان علاوه بر قاب‌های فولادی، کابل‌های عمودی را نصب کردند که چارچوب ساختمان را به فونداسیون آن متصل می‌کنند و حرکت ساختمان به هنگام زلزله را محدود می‌کنند. این کابل‌ها هوشمند هستند و بعد از پایان زلزله به طور خودکار غیرفعال می‌شوند. این فیوزها به صورت یک سنگ بین فونداسیون و بدنه اصلی ساختمان قرار می‌گیرند و در طول زلزله نقش کنترلی دارند.

پس از پایان زلزله، اگر این فیوزها غیرفعال شده باشند یا حین زلزله بپرند، می توان با سرعت نسبتاً خوب و هزینه مناسب آنها را جایگزین کرده و سازه را به وضعیت اولیه و ابتدایی آن بازگرداند.

 

۴- پوشش نهان‌ساز لرزه‌ای

محققان به دنبال راهکارهایی هستند که به کمک آن بتوان به جای مقابله مطلق با نیروی زلزله، ساختمان‌ها و سازه ها را از امواج زلزله در امان نگه داشت یا به عبارتی دیگر، از انتقال برخی امواج لرزه‌ای به ساختمان جلوگیری نمود.

این نوآوری که «پوشش نهان‌ساز لرزه‌ای» (Seismic invisibility cloak) نامیده میشود، شامل جداره‌ای با حدود ۱۰۰ رینگ پلاستیکی و بتنی هم مرکز است و حداقل تا عمق یک متر پایین‌تر از پی ساختمان دفن می‌شوند.

هنگامی که امواج زلزله نزدیک می شوند از یک انتها وارد حلقه ها شده و داخل سیستم حبس می شوند. درحالیکه امواج در ناحیه ی کور محبوس شده اند نمی توانند انرژی خود را به داخل سازه ی روی خود منتقل کنند. آن ها به راحتی از اطراف فونداسیون ساختمان عبور می کنند، و از حلقه ها خارج می شوند و در نتیجه، ساختمان از برخورد امواج مصون مانده و امواج در صفحات موجود در زمین تلف می‌شوند.

 

۵- آلیاژ حافظه دار 

انعطاف پذیری مصالح یکی از مهم ترین موضوعاتی ست که در مبحث مقاوم سازی ساختمان ها در برابر زلزله مطرح است.

بسیاری از مهندسان در تلاش برای جایگزینی مواد اولیه ساختمان سازی یعنی فولاد و بتن با مصالح نوین هستند.

در همین راستا آلیاژ حافظه دار شکلی ارائه شد. آلیاژ حافظه دار دسته ای از آلیاژها هستند که توانایی تحمل تغییر شکل و کرنش های دایمی را که بر آنها اعمال می شود را دارند و در نهایت به شکل اولیه خود بازمی گردند.

آلیاژ حافظه دار از تیتانیوم و نیکل تشکیل شده است که این ترکیب، نیتینول نامیده می شود.

نتینول حدود ۱۰ تا ۲۰ درصد انعطاف پذیرتر از فولاد است. رفتار این آلیاژهای حافظه دار، بر اساس یک دگرگونی فازی و تغییر ساختار  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 .

 

۶-  مقاوم سازی با فیبر کربنی(FRP)

راهکار بسیار موثر دیگر برای مقاوم سازی ساختمانها به خصوص ساختمانهای قدیمی تر، بهره گیری از تکنولوژی پلیمر مسلح شده با الیاف یا همان FRP میباشد.

FRP از ترکیب الیاف کربن با پلیمر هایی چون اپوکسی، پلی استر و ونیل استر یا نایلون ساخته میشود که مصالحی سبک ولی با مقاومت بسیار بالا را بوجود می آورند.

ورق الیاف کربنی سبک، بافته شده از الیاف کربنی سبک است که برای پایدار سازی به کار می‌رود، این فرآورده برای مواردی چون: جایگزین نمودن میلگردهای از بین رفته، افزایش تاب و شکل پذیری ستونها، افزایش تحمل بار در سازه‌ها، تغیر کاربری در سازه‌ها، طراحی جهت رفع عیوب، تاب در برابر تکانه‌های لرزشی و جلوگیری از بروز مشکلات ناشی از زمین لرزه بکار می‌رود.

در اجرای مقاوم سازی با استفاده از الیاف کربنی، مصالح (الیاف کربن) را به دورپایه های بتنی پل یا ساختمان می پیچند و سپس بین فاصله بین ستون و الیاف توسط پمپ اپوکسی تزریق می شود. بر اساس الزامات طراحی مهندسیسن این مرحله را باید ۶ یا ۸ بار تکرار کنند تا به طور چشمگیری  مقاومت و شکل پذیری را بالا ببرند. به طور شگفت آوری حتی ستون های صدمه دیده در زلزله را می توان با استفاده از الیاف کربن FRP ترمیم کرد.

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