از فونداسیون شناور تا ناپدید کردن زلزله! - آفتاب صبا

به گزارش خبرنگاران و به نقل از ساینس، عصر برنز شاهد ظهور چندین تمدن پیروز بود، از جمله تعدادی که پیروز 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 اجرا 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 نموده که منجر به لایه هایی شبیه به ساندویچ شده که در حفاری ها معین می شود.

مثال دیگر تمدن هاراپان است که در پاکستان فعلی واقع بوده و چندین زلزله مهیب آن را نابود نموده، به طوری که ناگهان در سال 1900 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 بفرایند و سقوط نمایند و مردم را در داخل و اطراف خود از بین ببرند.

مشکل اینجاست که امروزه بیشتر مردم دنیا در محیط های شهری زندگی می نمایند و تعداد ساختمان ها رشد نموده است.

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

ما 10 فناوری را جمع آوری کردیم. برخی 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 شود:

10. 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 معین است، این مفهوم به تفکیک پی یک ساختمان از قسمت فوقانی آن یاری می نماید.

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

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

در حال حاضر برخی از مهندسان ژاپنی این فناوری را وارد سطح جدیدی نموده 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 نماید، که در عرض نیم ثانیه پس از هشدار، بالشت هوا را بین ساختمان و پی آن ایجاد می نماید.

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

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

9. یاری فنر

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

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

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

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

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

8. قدرت آونگ

تعدیل می تواند انواع مختلفی داشته باشد. یک راهکار 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 نمایند، در حالی که تعدیل نماینده های مایع چسبناک بین توده و ساختمان که در کوشش برای محافظت است، قرار دارند.

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

مهندسان زیاد به این سیستم ها رجوع نمی نمایند 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 نماید و احتمالا آسیب می بیند.

تایپه 101، که به تعداد طبقات این آسمانخراش 508 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 730 تنی توسط 8 کابل فولادی به حالت تعلیق در آمده است. این بزرگترین و سنگین ترین آونگ در دنیا است.

7. 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 نماید 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 کوشش برای ساخت یک ساختمان مقاوم در برابر زلزله با یک مفهوم مشابه کوشش نموده اند.

آنها ایده خود را یک سیستم کنترل ارتعاش نامگذاری نموده 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 راهکار ایده آل نیست.

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

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 نمایند.

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 نمایند. 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.

6. 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 نمایند.

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 یاری می نماید 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 راهکار، همانطور که قبلا مورد بحث نهاده شد، 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 نماید.

مهندسان برای جلوگیری از تغییر شکل و آسیب پایه دیوار هسته ای، دو سطح پایین تر ساختمان را با تزریق فولاد تقویت می نمایند 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 نمایند که می تواند توسط جک های هیدرولیکی به شدت کش داده شود تا قدرت کشش دیوار هسته ای افزایش یابد.

5. ناپدید کردن زلزله!

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

موج بدنه به سرعت به وسیله داخل زمین منتشر می شود. دومی به آرامی به وسیله پوسته بالایی حرکت می نماید 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؟ برخی از دانشمندان چنین فکر می نمایند و راهکار خود را ناپدید کردن زلزله(seismic invisibility cloak) نامیده اند، زیرا توانایی آن را دارد که یک ساختمان را از قرار دریافت در معرض امواج سطحی نجات دهد.

مهندسان معتقدند که برای انجام این کار می توانند از 100 حلقه پلاستیکی متمرکز زیر پایه یک ساختمان استفاده نمایند. 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 2013 مورد آزمایش قرار داد.

4. آلیاژهای عصب شکل

همانطور که پیش از این بحث شد، انعطاف پذیری مواد یک چالش عمده برای مهندسان در کوشش 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 بازشود.

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 10 تا 30 درصد انعطاف پذیری بیشتری نسبت به فولاد ارائه می دهد.

در یک مطالعه در سال 2012، 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.

3. 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 مالی است.

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

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 نمایند.

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

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 24 تا 38 درصد قوی تر از ستون های معمولی بودند.

2. زیست مواد

در حالی که مهندسان به آلیاژهای عصب شکل و پوشش های فیبر کربنی دست پیدا نموده اند، آینده ای را پیش بینی می نمایند 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.

1. لوله های مقوایی

کشورهای در حال توسعه اما در استفاده از آخرین فناوری ها دچار مشکل هستند. تیم های مهندسی در سراسر دنیا 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 پیروزیت آمیزی از بامبو استفاده می نمایند.

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 2013، بان یک طرح خود را (کلیسا) در نیوزیلند معرفی کرد. کلیسا از 98 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 نماید و اگر خراب شود، مردم زیر آوار سنگینی قرار نمی گیرند و تلفاتی نخواهد نداشت.