چگونگی بهسازی لرزهای ساختمان در برابر زلزله (بخش پایانی)
درسهایی از زلزلههای بزرگ/الگوی ساخت و ساز
امیرحسین بسطامی
چرا مقاومسازی ساختمان در برابر زلزله در ایران مهم است؟ صفحه زمینساخت کشور ما از سمت صفحه زمین عربستان تحت فشار دائمی است. این صفحه هر سال چند سانتیمتر به زیر صفحه زمین ایران میرود و در اثر نیروهای فشاری و تراکم سیستماتیک تنشهای پیچشی، خمشی و برشی، بالاخره در قسمتی از صفحه مقاومت مجاز لایههای بستر تکتونیک تمام میشود، از حد خود بیرون میآید و به مرحله تغییر شکل پلاستیک و خمیری وارد میشود و با عملکرد تنش برشی حاصل قسمت زیادی از بافت و لایه به شکل لغزش صفحهای یا حالت گسل بریده و روی لایه دیگر رانش قائم و افقی اتفاق میافتد. (لازم به توضیح است تکتونیک صفحهای، حرکت در مقیاس بزرگ لیتوسفر، قشر زمین و بخش فوقانی جبه زمین را توصیف میکند.)
انرژی رها شده در اثر این فرآیند که گاهی بسیار مخرب است، به شکل امواج زلزله از کانون زلزله به سطح پوسته میرسد. امواج زلزله را P و S مینامند. امواج S ارتعاشات بزرگی هستند که موجب تخریبهای اصلی در ساختمانها میشوند و امواج P ارتعاشات کوچکتر و کماثرترند. اگر هر ساختمانی بتواند در مقابل نوسانات متناوب در اثر زلزله که در ایران به طور معمول 25 تا 30 ثانیه طول میکشد، دوام بیاورد، ساکنان ساختمان فرصت نجات خواهند داشت. به همین علت است که مقاومسازی ساختمان در برابر زلزله از اهمیت بیشتری برخوردار است.
سازههای مقاوم در برابر زلزله
در معماری مدرن ساختمانها به دو دسته سازههای سخت و مستحکم و سازههای منعطف تقسیم میشوند. به این صورت که سازههای مستحکم سازههایی بسیار سخت در برابر ریزش هستند درصورتیکه سازههای منعطف وظیفه توزیع تنش حاصل از زمینلرزه را دارد. در سازهها اغلب برای مهار فشارهای رانشی چپ و راستی اقدام به استفاده از میلگرد در فونداسیون و تیرآهن در ساخت طبقات، سقف و دیوار میکنند. راهی دیگر برای مقاومسازی ساختمان ایزوله کردن پایه است. به این معنا که مجموعهای از مواد و تشکیلات سازهای را طوری بهکار ببریم که ارتباط بین اجزای سازه را با فونداسیون قطع کند. برای مثال استفاده از کیسههای هوا روشی است که از این ایده گرفته شده است.
محمد مهدوی مهندس عمران با گرایش سازه ضمن بیان مطالب بالا در ادامه میگوید: «در ساخت سازههای میرا مفتولهایی ضربدری برای کاهش تنشهای حاصل از زمینلرزه بهکار برده میشود. این سازهای است که تا ۷۰ – ۸۰ درصد در برابر زمینلرزه مقاوم هستند. این ساختمانها دو نوع فعال و غیرفعال داشته به این معنا که در سازههای فعال انرژی برق بهکار رفته درصورتیکه در نوع غیرفعال آن از نیروهای فیزیکی مورد استفاده قرار گرفته شده است. این روش اغلب در ساخت سازههای مرتفع مرسوم است.»
وی میافزاید: «این روش با استحکام بالایی که به ساختمان میدهد از ریزش آن در زمینلرزه جلوگیری میکند. مزیت دیگر آن سرعت بالای نصب آن است. فریمهای گهوارهای متشکل از سه قسمت قاب، کابل و فیوزهای فلزی است. این کابلها با حرکت پروانهای خود جوری عمل میکنند که در هنگام وقوع زمینلرزه ساختمان حرکتی به سمت بالا و پایین دارد که باعث ایجاد کمترین آسیب به سازه میشود.»
این مهندس عمران با گرایش سازه ادامه میدهد: «در این روش فونداسیون ساختمان را روی کیسههای هوای بسیار بزرگی میسازند که در صورت وقوع زمینلرزه سازه حالت ارتجاعی لازم را پیدا کند و از تخریب آن جلوگیری شود. نحوه قرارگیری این کیسهها در پی ساختمان به گونهای است که باعث جداسازی بنا از فونداسیون نمیشود، بلکه معماران با درنظرگرفتن فضای بیشتر در حدود ۳ سانتیمتر ساختمان را در شرایط ایستایی قرار میدهند. برای شرح نحوه عملکرد آن باید بگوییم که در این کیسهها سنسورهایی تعبیه شده که اولین زمانهای وقوع زلزله را ثبت میکند، سپس کمپرسور کیسه فعال میشود. با فعالشدن این کمپرسورها در کمتر از یک ثانیه کیسههای هوا پر شده و ساختمان را در حالت ایستایی قرار میدهد.»
تمهیدات ژاپنیها برای ساخت و ساز مقاوم
کشور ژاپن با بیشترین آمار وقوع زمینلرزههای شدید، از کشورهایی است که کمترین درصد تلفات را در این بلای طبیعی مهلک دارد، ولی چگونه در چنین کشوری درصد تلفات حاصل از زمینلرزه تا این حد پایین است؟ شاید یکی از دلایل اصلی آن درک اهمیت موضوع توسط فعالان در عرصه ساخت و ساز باشد. بهگونهای که روشهای متنوعی برای مقاومسازی ساختمانهایشان دارند. عامل بعدی را میتوان به آمادگی و دانش خود مردم ژاپن در برابر این بلای طبیعی دانست که در اکثر موارد باعث حفظ جانشان در برابر مرگ شده است.
همگان زلزله 17 ژانویه سال 1995 در شهر «کوبه» ژاپن را بهخاطر داریم. زلزله «کوبه» از مرگبارترین زمینلرزهها در این کشور بود که بیش از شش هزار کشته برجا گذاشت. در این روز کوبه دومین بندر بزرگ این کشور بهکلی نابود شد، بزرگراههای این کشور از هم گسستند، بسیاری از ساختمانها فرو ریخت و پلهای زیادی منهدم شد. این زلزله شوک بزرگی در کشور ایجاد کرد و موجب شد همه به خطرهای زلزله پی ببرند. زمینلرزه عظیم «کوبه» یا «هانشین» زلزلهای به بزرگی 7/3 ریشتر بود که بندر کوبه را به مدت 200 ثانیه لرزاند و در هم کوبید.
اما تجربههای علمی بهدستآمده ژاپن از زمینلرزههای بزرگ چه بود؟
اخیراً شرکت ژاپنی کوماتسو از ریسمان برای مقاوم کردن ساختمان استفاده میکند. به این نحو که به دور سازه طنابهایی چندلایه کامپوزیت فیبری کربنی تعبیه میکند و باعث مقاومت آن در برابر زمینلرزههای شدید میشود. این طنابها با طولهای بسیار زیاد و وزن سبک تولید میگردند و نقش مثبتی در مقاومسازی ساختمان دارند. این ریسمانها بر روی سقف ساختمان نصب شده سپس تا روی زمین کشیده و در آسفالت میخکوب میشوند. عملکرد این طنابها به گونهای است که در هنگام وقوع زمینلرزه هنگامی که ساختمان مثلاً به سمت چپ خم میشود طنابهای سمت راستی نیروی وارده را مهار کرده و ساختمان را از شکستگی محفوظ میدارد.
مبارزه با زلزله از مقاومسازی تا جداسازی
خسارتهای زلزله قابل پیشبینی نیست و زلزلههای قویتر از ۶ ریشتر میتوانند وسایل موجود در فضای بسته را به حرکت درآورند و یا باعث سقوط و واژگونی آنها شوند که این موضوع به همراه آوار یکی از مهمترین خطرات موجود محسوب میشود. موضوع دیگری که وجود دارد افزایش خطر با افزایش ارتفاع طبقات است. طبقات بالاتر ساختمان شدیدتر میلرزند و خسارت بیشتری به بار میآورند.
قاسم بلندی یک مهندس ساختمان با استناد به یافتههای علمی جدید توضیح میدهد: «جدیدترین فناوری مورداستفاده در ژاپن جداسازی یا ایزولهسازی ساختمان از لرزش نام دارد که تحقیقات مربوط به آن از 15 سال پیش آغاز شده است. در این فناوری ساختمان با استفاده از سازههای بلبرینگمانند، از پی جدا میشود و در واقع نسبت به لرزشهای پی ساختمان ایمن میماند. این ساختمانها در زلزلههای مختلفی مورد آزمایش قرار گرفتهاند و به گفته ساکنان، حتی در زمان وقوع زلزلههایی به بزرگی 8 ریشتر و بالاتر، هیچ قفسه کتابی واژگون نشده و هیچ وسیلهای از روی میز به زمین نیفتاده است.»
وی در ادامه میافزاید: «در فناوری جداسازی ساختمان از دو نوع بلبرینگ برای ایمنسازی استفاده میشود: نوع اول بلبرینگهای با روکش لاستیکی است که از صفحات فولادی و پلاستیکی ساخته شده است. این بلبرینگها در دو طرف ساختمان قرار میگیرند.
نوع دوم بلبرینگها، عایقهای ضد لرزه کشویی هستند که با مکانیزم کشویی خود لرزهها را تا حداکثر میزان ممکن دفع و بخش کوچکی از آن را به ساختمان منتقل میکنند که سازه ساختمان بهراحتی توانایی تحمل آن را دارد. این بلبرینگهای کشویی بین بلبرینگهای لاستیکی قرار میگیرند.
در حال حاضر، این بلبرینگها تا 66 درصد میزان قدرت زلزله را دفع میکنند.»
این مهندس ساختمان در تکمیل صحبتهایش متذکر میشود: «با وجود این دستاوردهای بزرگ، برخی از کارشناسان ژاپنی همچنان معتقدند که شهرهای بزرگ ژاپن مانند توکیو، هنوز در برابر زمینلرزههای بزرگ کاملاً ایمن نیستند و باید تلاش وسیعتری برای ایمنسازی این شهرها به عمل آید. برخی برآوردهای صورتگرفته نشان میدهد که در صورت وقوع زمینلرزهای شبیه آنچه در «کوبه» روی داد، در شهر توکیو اتفاق بیفتد، در این شهر حداقل یازده هزار نفر کشته و حدود یک تریلیون دلار خسارت اقتصادی وارد خواهد آمد.»
سیستم هشدار لرزهای در مکزیک
شاید برای شما هم این سؤال پیشآمده باشد که چطور میشود که زمینلرزه 7/1 ریشتری که سال 2017 در شهر 20 میلیون نفری «مکزیکوسیتی» رخ داد، حدود 300 نفر قربانی (طبق آخرین آمار) گرفته باشد؟!
مکزیک مجهز به یکی از مؤثرترین سیستمهای هشداردهنده زلزله موسوم به SASMEX شد. SASMEX مخفف عبارت انگلیسی
Seismic Alert System of MEXICO به معنی سیستم هشدار لرزهای مکزیک است. سیستم هشدار لرزهای مکزیک شامل بیش از 8200 سنسور لرزهای است که در فعالترین منطقه از نظر زلزله واقع شده که بین «خالیسکو»، «میچوآکان»، «گوئررو»، «اوآکساکا» و «مکزیکوسیتی» قرار دارد.
در یک بخش اساسی از سیستم، سنسورها اولین لرزش زمین را تشخیص میدهند و زمینلرزه را محاسبه میکند. اگر میزان برآورد لرزه در مقیاس ریشتر بیشتر از 5/5 باشد، اطلاعیههای هشدار بلافاصله به مقامات دولتی و محلی و کانونهای مراقبتهای اورژانس در تمام مناطق مستعد خطر ارسال میشود هشدارهای انبوه از طریق آژیرها، رادیو و تلویزیون پخش میشوند، به همین دلیل جامعه و اقشار در معرض خطر برای آمادهسازی و نجات جان خود فرصت دارند.
این سیستم بسیار کارآمد است و در حال حاضر به نجات جان بسیاری از افراد کمک کرده است.
«لوئیس فیلیپو پوئنته»، رئیس سازمان حفاظت شهری مکزیک در این زمینه میگوید: «در ماهآوریل 2014، زلزلهای با شدت 7/2 ریشتر در ساحل غربی مکزیک نزدیک به «آکاپولکو» رخ داد. هشدار در کمتر از 10 ثانیه به هفت شهر اصلی مکزیک که در معرض خطر قرار داشتند ارسال شد و پس از وقوع زلزله، هیچگونه تلفاتی گزارش نشد.»
مکزیک همیشه در معرض زلزله است؛ زیرا این کشور در امتداد «حلقه آتش» قرار دارد؛ منطقهای که در امتداد حوضه اقیانوس آرام قرار دارد و تقریباً 90 درصد زمینلرزههای دنیا را به خود میبیند.
«حلقه آتش» منطقهای است که در آن شمار زیادی از زمینلرزهها و فورانهای آتشفشانی در حوضه اقیانوس آرام رخ میدهد. این حلقه در یک نعل اسب 40 هزار کیلومتری (25 هزار مایلی) با مجموعهای از دراز گودالها، قوس آتشفشانی و حرکات پوستهای همراه است. «حلقه آتش» دارای 452 آتشفشان و خانه بیش از 75 درصد از آتشفشانهای فعال و نهفته در جهان است.
پایتخت مکزیک، مکزیکوسیتی به دلایل زمینشناسی و مخصوصاً جمعیت حاشیهنشین زیادی که اطراف این شهر زندگی میکنند، حتی بیشتر در معرض خطر است.