فناوری در جهت پیشگیری از زلزله

در مقاله زیر به معرفی ۱۰ فناوری که به منظور پیشگیری از وقوع زلزله ابداع شده اند پرداخته شده است بعضی از آنها شناخته شده هستند و بعضی دیگر جدید , در متن زیر از قدیمی ترین آنها به جدیدترینشان مرتب شده اند.

زلزله همیشه یکی از ویرانگرترین بلایای طبیعی و دغدغه انسان بوده که همیشه در پی اندیشیدن به تمهیداتی برای هرچه کمتر صدمه دیدن است.

به نقل از ساینس، “عصر برنز” شاهد ظهور چندین تمدن موفق بود، از جمله تعدادی که موفق به ساخت شهرهای چشمگیر با شبکه های لوله کشی پیچیده شدند.

در حال حاضر دانشمندان بر این باورند که فعالیت تکتونیک(زمین ساختی) ممکن است موجب نابودی برخی از این فرهنگ های باستانی شده باشد. به عنوان مثال، تحقیقات انجام شده در شهر “مگیدو”(Megiddo) که در حال حاضر در بخشی از سرزمین های اشغالی واقع است نشان می دهد که احتمالا یک زمین لرزه عظیم شهر را ویران کرده که منجر به لایه هایی شبیه به ساندویچ شده که در حفاری ها مشخص می شود.

مثال دیگر تمدن “هاراپان” است که در پاکستان فعلی واقع بوده و چندین زلزله مهیب آن را نابود کرده، به طوری که ناگهان در سال ۱۹۰۰ قبل از میلاد ناپدید شد.

امروزه ما به همان اندازه تحت تاثیر زلزله های قدرتمند قرار داریم. وقتی که در معرض نیروهای ناگهانی ناشی از امواج لرزه ای قرار می گیریم، حتی ساختمان های مدرن و پل ها می توانند به طور کامل از بین بروند و سقوط کنند و مردم را در داخل و اطراف خود از بین ببرند.

مشکل اینجاست که امروزه اکثر مردم دنیا در محیط های شهری زندگی می کنند و تعداد ساختمان ها رشد کرده است.

خوشبختانه، طی چند دهه گذشته، معماران و مهندسان تعدادی از فناوری های هوشمندانه را طراحی کرده اند تا اطمینان حاصل کنند که خانه ها، آپارتمان ها و آسمان خراش ها فرو نریزند. در نتیجه، ساکنان این ساختمان ها می توانند بدون استرس بروند و شروع به جمع آوری وسایل کنند.

ما ۱۰ فناوری را جمع آوری کردیم. بعضی از آنها چندین سال از ابداع شان گذشته است اما مواردی هم مانند مورد آخر این فهرست، ایده های نسبتا جدیدی هستند که هنوز در حل سپری کردن آزمایش های خود هستند.

این فناوری ها مطابق با زمان ابداع، از قدیمی به جدید معرفی می گردد:

۱- فونداسیون شناور

مهندسان و لرزه شناسان سال ها به عنوان وسیله ای برای حفاظت از ساختمان ها در طول زلزله، به جداسازی فونداسیون فکر کردند. همانطور که از نام این فناوری مشخص است، این مفهوم به تفکیک پی یک ساختمان از قسمت فوقانی آن کمک می کند.

چنین سیستمی شامل ساخت یک ساختمان شناور در بالای پی آن و بر روی یاتاقان های سرب-لاستیک است که حاوی هسته ی سربی پیچیده شده در لایه های متناوب لاستیک و فولاد است.

صفحات فولادی، یاتاقان ها را به ساختمان و پی آن متصل می کنند و پس از آنکه زمین لرزه اتفاق بیفتد، فوندانسیون حرکت می کند، بدون اینکه ساختمان بلرزد.

در حال حاضر برخی از مهندسان ژاپنی این فناوری را وارد سطح جدیدی کرده اند. در سیستم آنها در واقع ساختمان بر روی بالشتی از هوا قرار می گیرد.

نحوه عمل این سیستم بدین صورت است که سنسورها در ساختمان، فعالیت لرزه نگاری زلزله را تشخیص می دهند. شبکه سنسورها با یک کمپرسور هوا ارتباط برقرار می کند، که در عرض نیم ثانیه پس از هشدار، بالشت هوا را بین ساختمان و پی آن ایجاد می کند.

بالشت هوا، ساختمان را تا سه سانتیمتر از سطح زمین بلند می کند و آن را از نیروهایی که می توانند نابودش کنند، جدا می کند.

هنگامی که زمین لرزه تمام می شود، کمپرسور خاموش شده و ساختمان دوباره روی پایه قرار می گیرد.

۲- کمک فنر

یکی دیگر از تکنیک های آزمایش شده و واقعی برای کمک به ساختمان ها در برابر زمین لرزه ها، از صنعت خودرو می آید. همه ما کمک فنرها را می شناسیم؛ دستگاهی که جهش ناخواسته را در ماشین کنترل می کند.

جذب کننده های شوک یا همان کمک فنرها حرکت های ارتعاشی را با تبدیل انرژی جنبشی به انرژی گرمایشی که می تواند از طریق مایع هیدرولیکی تخلیه شود، کاهش می دهد. در فیزیک، این امر با عنوان تعدیل شناخته شده است.

بنابراین مشخص است که تعدیل کننده ها می توانند هنگام طراحی ساختمان های مقاوم در برابر زلزله مفید باشند.

مهندسان عموما در هر سطحی از یک ساختمان، تعدیل کننده ها را کار می گذارند. یک سر آن به یک ستون و انتهای دیگر به میله متصل می شود.

هر تعدیل کننده شامل یک سر پیستونی است که در داخل یک سیلندر پر از روغن سیلیکون حرکت می کند. هنگامی که زلزله رخ می دهد، حرکت افقی ساختمان باعث می شود پیستون در هر تعدیل کننده با فشار بر روی روغن، انرژی مکانیکی زمین را به گرما تبدیل کند.

۳- قدرت آونگ

تعدیل می تواند انواع مختلفی داشته باشد. یک راه حل دیگر، مخصوصا برای آسمان خراش ها، شامل معلق گذاشتن یک توده عظیم در نزدیکی بالاترین نقطه ساختمان است.

کابل های فولادی این توده را حمایت می کنند، در حالی که تعدیل کننده های مایع چسبناک بین توده و ساختمان که در تلاش برای محافظت است، قرار دارند.

هنگامی که فعالیت لرزه ای، ساختمان را تحت تاثیر قرار می دهد، آونگ در جهت مخالف حرکت می کند و انرژی را از بین می برد.

مهندسان زیاد به این سیستم ها رجوع نمی کنند زیرا هر آونگ دقیقا متناسب با یک فرکانس ارتعاشی طبیعی تنظیم می شوند و اگر حرکت زمین با ایجاد شدیدترن فرکانس موجب تکان خوردن شدید ساختمان شود، ساختمان با مقدار زیادی انرژی ارتعاش می کند و احتمالا آسیب می بیند.

تایپه ۱۰۱، که به تعداد طبقات این آسمانخراش ۵۰۸ متری اشاره دارد، با یک توده تنظیم شده برای به حداقل رساندن اثرات ارتعاشی مرتبط با زمین لرزه و بادهای قوی طراحی شده است. در قلب این سیستم، یک توپ طلایی ۷۳۰ تنی توسط ۸ کابل فولادی به حالت تعلیق در آمده است. این بزرگترین و سنگین ترین آونگ در جهان است.

۴- فیوزهای قابل تعویض

در دنیای الکتریسیته، یک فیوز حفاظت را در صورت شدت بالای جریان در یک مدار به عهده دارد. فیوز جریان برق را متوقف می کند و مانع از گرمای بیش از حد و آتش سوزی می شود. پس از حادثه، به سادگی می توان فیوز را جایگزین کرد و سیستم را به حالت عادی بازگرداند.

محققان دانشگاه استنفورد و دانشگاه ایلی نوی با تلاش برای ساخت یک ساختمان مقاوم در برابر زلزله با یک مفهوم مشابه تلاش کرده اند.

آنها ایده خود را یک سیستم کنترل ارتعاش نامگذاری کرده اند، زیرا قاب های فولادی که ساختمان را تشکیل می دهند، الاستیک هستند و اجازه می دهند در بالای فوندانسیون تکان بخورد. اما این به خودی خود راه حل ایده آل نیست.

محققان علاوه بر قاب های فولادی، کابل های عمودی را معرفی کردند که تکان خوردن ساختمان را محدود می کند.

ضمن این که کابل ها توانایی خودسنجی دارند، بدین معنی که می توانند کل ساختمان را درست زمانی که تکان خوردن متوقف می شود، کشیده و آن را سر پا کنند.

اجزای نهایی، فیوزهای قابل تعویض استیل هستند که بین دو صفحه در پایه های ستون قرار می گیرند.

دندانه های فلزی فیوزها انرژی لرزه ای را هنگام لرزش ساختمان جذب می کنند. اگر آنها طی یک زلزله منفجر شوند، می توان آنها را نسبتا سریع و مقرون به صرفه جایگزین کرد تا ساختمان را به شکل اولیه بازگردانیم.

۵- دیوار هسته ای

در بسیاری از ساختمان های بلند مدرن، مهندسان از ساختار دیوارهای هسته ای برای افزایش عملکرد لرزه ای با هزینه پایین استفاده می کنند.

در این طرح، یک هسته بتنی تقویت شده را در قلب ساختمان قرار می دهند که اطراف آن آسانسورها قرار می گیرند. دیوار هسته ای برای ساختمان های بسیار بلند می تواند کاملا قابل توجه باشد.

در حالی که ساخت دیوارهای هسته ای به ساختمان ها کمک می کند تا زمین لرزه ها را پشت سر بگذارند، این فناوری یک فناوری کامل و بی نقص نیست. محققان دریافته اند که ساختمان هایی با پایه ثابت و دیوارهای هسته ای همچنان می توانند دچار آسیب شوند.

یک راه حل، همانطور که قبلا مورد بحث قرار گرفت، شامل جداسازی فونداسیون می شود؛ ساختمانی بر روی یاتاقان های سرب.

روش دیوار هسته ای سرعت حرکت طبقات و نیروهای شدید را کاهش می دهد، اما از تغییر شکل در پایه دیوار هسته ای جلوگیری نمی کند.

مهندسان برای جلوگیری از تغییر شکل و آسیب پایه دیوار هسته ای، دو سطح پایین تر ساختمان را با تزریق فولاد تقویت می کنند و سیستم های تحت فشار را در ارتفاع ساختمان به کار می برند.

در سیستم های تحت فشار، تاندون های فولادی روی دیوار هسته ای کشیده می شوند. تاندون ها مانند نوارهای لاستیکی عمل می کنند که می تواند توسط جک های هیدرولیکی به شدت کش داده شود تا قدرت کشش دیوار هسته ای افزایش یابد.

۶- ناپدید کردن زلزله!

زمین لرزه هم به مانند بسیاری دیگر از مسائل طبیعی مانند آب و صوت، موج تولید می کند. موج هایی که توسط زمین شناسان به عنوان امواج بدنه و سطحی طبقه بندی می شوند.

موج بدنه به سرعت از طریق داخل زمین منتشر می شود. دومی به آرامی از طریق پوسته بالایی حرکت می کند و شامل یک زیرمجموعه از امواج می شود که به عنوان امواج “رایلی”(Rayleigh) شناخته می شود و زمین را به صورت عمودی حرکت می دهد. این حرکت به سمت بالا و پایین، بیشترین تکان و آسیب را در یک زلزله باعث می شود.

در حال حاضر تصور کنید اگر بتوانید انتقال برخی از امواج لرزه ای را قطع کنید، آیا ممکن است انرژی را از بین ببرید یا آن را در اطراف مناطق شهری منتشر کنید؟ بعضی از دانشمندان چنین فکر می کنند و راه حل خود را “ناپدید کردن زلزله“(seismic invisibility cloak) نامیده اند، زیرا توانایی آن را دارد که یک ساختمان را از قرار گرفتن در معرض امواج سطحی نجات دهد.

مهندسان معتقدند که برای انجام این کار می توانند از ۱۰۰ حلقه پلاستیکی متمرکز زیر پایه یک ساختمان استفاده کنند. هنگام بروز امواج لرزه ای، آنها در یک ردیف وارد یک حلقه می شوند و درون سیستم قرار می گیرند.

بنابراین امواج نمی توانند انرژی خود را به ساختار بالا انتقال دهند. آنها به سادگی در اطراف پایه ساختمان قرار می گیرند و از طرف دیگر آزاد می شوند و سفر طولانی خود را از سر می گیرند.

یک تیم فرانسوی این مفهوم را در سال ۲۰۱۳ مورد آزمایش قرار داد.

۷- آلیاژهای عصب شکل

همانطور که پیش از این بحث شد، انعطاف پذیری مواد یک چالش عمده برای مهندسان در تلاش برای ایجاد ساختمان های مقاوم در برابر زلزله هستند.

مثلا فولاد و بتن تغییر شکل می دهند و انعطاف پذیر نیستند. این در حالی است که هر دوی این مواد به طور گسترده تقریبا در تمام پروژه های ساخت و ساز تجاری استفاده می شوند.

اما آلیاژ عصب شکل می تواند فشارهای سنگین را تحمل کند و به شکل اصلی خود بازگردد.

بسیاری از مهندسان این مواد هوشمند را به عنوان جایگزین برای فولاد و بتن می دانند.

آلیاژ عصب شکل متشکل از تیتانیوم و نیکل است که این ترکیب نیتینول نامیده می شود و ۱۰ تا ۳۰ درصد انعطاف پذیری بیشتری نسبت به فولاد ارائه می دهد.

در یک مطالعه در سال ۲۰۱۲، محققان دانشگاه نوادا رنو، عملکرد لرزه ای ستون های پل ساخته شده از فولاد و بتن را با ستون های ساخته شده از نیتینول و بتن مقایسه کردند. آلیاژ عصب شکل آسیب بسیار کمتری را تجربه کرد.

۸- پوشش فیبر کربنی

در هنگام ساخت یک ساختمان جدید منطقی است که مقاومت زمین لرزه را در نظر بگیرید، اما بازسازی ساختمان های قدیمی به منظور بهبود عملکرد در مقابل زلزله نیز بسیار مهم است.

مهندسان دریافته اند که اضافه کردن سیستم های جداسازی پایه به سازه های قدیمی امکان پذیر و اقتصادی است.

یکی دیگر از راه حل های امیدوار کننده و بسیار ساده برای اجرا، یک فناوری شناخته شده به عنوان پوشش پلاستیکی تقویت شده فیبر یا FRP می باشد. تولیدکنندگان این ترکیب را با مخلوط کردن فیبرهای کربن با پلیمرهای اتصال دهنده مانند اپوکسی، پلی استر، وینیل استر و نایلون تولید می کنند تا مواد کامپوزیتی سبک، اما به طرز باور نکردنی قوی ایجاد کنند.

در برنامه های پیشرفته، مهندسان به سادگی مواد را در اطراف ستون های بتونی از پل ها یا ساختمان ها قرار می دهند و سپس اپوکسی تحت فشار را به شکاف بین ستون و مواد متصل می کنند.

بر اساس الزامات طراحی، مهندسان ممکن است این روند را شش یا هشت بار تکرار کنند تا یک سازه پرقدرت و با انعطاف پذیری بالا ایجاد کنند.

شگفت آور است که حتی ستون های آسیب دیده توسط زلزله می توانند با فیبر کربن تعمیر شوند. در یک تحقیق، محققان دریافتند که ستون های پل بزرگراه تقویت شده با مواد کامپوزیت ۲۴ تا ۳۸ درصد قوی تر از ستون های معمولی بودند.

۹- زیست مواد

در حالی که مهندسان به آلیاژهای عصب شکل و پوشش های فیبر کربنی دست پیدا کرده اند، آینده ای را پیش بینی می کنند که در آن حتی مواد بهتری برای ساخت و ساز مقاوم در برابر زلزله قابل دسترس خواهند بود.

ممکن است برای ساختن این مواد از حیوانات الهام گرفته شود.

یکی از سوژه های جالب عنکبوت ها هستند. همه ما می دانیم که تار عنکبوت قوی تر از فولاد است، اما دانشمندان MIT معتقدند این پاسخ دینامیکی مواد طبیعی تحت فشار سنگین است که آن را بسیار منحصر به فرد می سازد.

هنگامی که محققان یک رشته تار عنکبوت را بر روی رشته هایی از تار عنکبوت کشیدند، رشته ها در ابتدا سفت و سپس انعطاف پذیر و سپس دوباره سفت شدند.

این پاسخ پیچیده و غیر خطی است که باعث می شود تار عنکبوت تا این حد ارتجاعی باشد.

تار عنکبوت منبع الهام بزرگی برای سازه های ضد زلزله در آینده است.

۱۰- لوله های مقوایی

کشورهای در حال توسعه اما در استفاده از آخرین فناوری ها دچار مشکل هستند. تیم های مهندسی در سراسر جهان در حال کار برای طراحی سازه های مقاوم در برابر زلزله با استفاده از مواد قابل دسترس یا با دسترسی آسان هستند. برای مثال، در پرو، محققان دیوارهای سنتی را با تقویت دیوار با پلاستیک توری شکل تقویت کردند.

در هند، مهندسان برای تقویت بتن، به طور موفقیت آمیزی از بامبو استفاده می کنند.

در اندونزی، برخی از خانه ها در حال حاضر بر روی تایرهایی که با شن و ماسه یا سنگ پر شده اند، ساخته می شود.

حتی مقوا می تواند یک مصالح ساختمانی محکم و با دوام باشد. “شگریو بان” معمار ژاپنی طراحی چندین سازه را انجام می دهد که شامل لوله های مقوا با پلی اورتان می باشد.

در سال ۲۰۱۳، بان یک طرح خود را (کلیسا) در نیوزیلند معرفی کرد. کلیسا از ۹۸ لوله مقوایی غول پیکر تقویت شده با رشته های چوبی استفاده بهره برد.

از آنجا که ساختار مقوا و چوب بسیار سبک و انعطاف پذیر است، در حوادث لرزه ای بسیار بهتر از بتن عمل می کند و اگر خراب شود، مردم زیر آوار سنگینی قرار نمی گیرند و تلفاتی نخواهد نداشت.

گردآوری توسط: تحقیقستان