اینکه فولاد به جای شکستن خم می‌شود، آن را برای مناطقی که زلزله اغلب در آن رخ می‌دهد بسیار مناسب می‌کند. مواد شکننده فقط تحت تنش ترک می‌خورند، اما فولاد در واقع کشیده می‌شود و انرژی لرزش را از طریق پدیده‌ای که مهندسان آن را تسلیم کنترل‌شده می‌نامند، جذب می‌کند. طراحی ساختمان‌های امروزی از این ویژگی با استفاده از عناصری مانند قاب‌های مقاوم در برابر لنگر و سیستم‌های مهاربندی نامرکز که به پخش نیروها هنگام حرکت زمین کمک می‌کنند، بهره می‌برند. به عنوان مثال سیستم‌های جداسازی پایه که بین ساختمان و پی آن قرار می‌گیرند. نشان داده شده است که این سیستم‌ها حرکت جانبی را در مناطق مستعد زلزله مانند ژاپن و بخش‌هایی از کالیفرنیا تقریباً به میزان سه چهارم کاهش می‌دهند و بسیاری از ساختمان‌ها مدیون این نوآوری‌ها بوده‌اند که در لرزه‌های شدید سالم باقی مانده‌اند.
قاب‌های فولادی که دارای شکل‌پذیری هستند، در واقع می‌توانند انرژی را جذب کرده و پراکنده کنند وقتی زلزله رخ می‌دهد و از فروپاشی ناگهانی سازه جلوگیری کنند. مفهوم اضافی‌سازی (رداندانسی) به معنای ایجاد مسیرهای پشتیبان اضافی است تا حتی اگر بخش‌هایی از سازه آسیب ببینند، کل ساختار پابرجا بماند. طبق تحقیقات منتشرشده در سند P-750 سازمان FEMA، ساختمان‌هایی که با این قاب‌های انعطاف‌پذیر فولادی ساخته شده‌اند، حدود یک‌سوم کمتر از ساختمان‌هایی که با بتن سخت ساخته شده‌اند، در معرض خطر فروپاشی قرار دارند. این نوع شبکه ایمنی به‌ویژه در مناطق اطراف حلقه آتش اقیانوس آرام اهمیت زیادی پیدا می‌کند که در آن ساختمان‌ها بارها و بارها توسط پس‌لرزه‌های پس از زلزله‌های بزرگ مورد آزمایش قرار می‌گیرند.
| معیارها | سازه‌های فولادی | سازه‌های بتنی |
|---|---|---|
| وزن | ۶۰٪ سبک‌تر | سنگین، افزایش بار لرزه‌ای |
| قابلیت تعمیر | آسیب محلی؛ تعمیرات آسان | خرابی فاجعه‌بار رایج است |
| از بین رفتن انرژی | بالا (از طریق تسلیم) | پایین (شکست ترد) |
طبیعت سبک‌وزن فولاد باعث کاهش نیروهای اینرسی در هنگام لرزش می‌شود، در حالی که سفتی بتن اغلب منجر به آسیب‌های گران‌قیمت و غیرقابل ترمیم می‌شود. ارزیابی‌های پس از زلزله در ترکیه (2023) نشان داد که ساختمان‌های با قاب فولادی ۴۰٪ هزینه تعمیر کمتری نسبت به معادل‌های بتنی داشتند.
این FEMA P-750 دستورالعمل‌های ، برتری فولاد را تأیید می‌کنند و نشان می‌دهند که قاب‌های شکل‌پذیر به‌درستی طراحی‌شده، احتمال فروپاشی را از ۱ در ۵۰ به ۱ در ۱۶۷ برای زلزله‌های بزرگ کاهش می‌دهند. این امر با استانداردهای جهانی مانند ASCE 7-22 همسو است که قابلیت‌های میرایی هیستریتیک فولاد را در زیرساخت‌های حیاتی در مناطق لرزه‌خیز اولویت می‌دهند. میرایی هیستریتیک را برای زیرساخت‌های حیاتی در مناطق لرزه‌خیز اولویت می‌دهند.
ساختمان‌های فولادی مقاوم در برابر زلزله امروزه اغلب از آنچه طراحی مبتنی بر عملکرد یا به اختصار PBD نامیده می‌شود، استفاده می‌کنند. این رویکرد تضمین می‌کند که سازه‌ها در هنگام وقوع لرزش‌ها واقعاً بتوانند عملکرد مورد نیاز را داشته باشند، استانداردهای ایمنی خاصی را رعایت کنند و عملیات را به‌صورت روان ادامه دهند. مقررات ساختمانی سنتی فقط به مهندسان دستورالعمل‌های گام‌به‌گام می‌دهند، اما PBD دیدگاهی متفاوت دارد. این روش به میزان خسارت قابل قبول در هنگام زلزله نگاه می‌کند، در حالی که همچنان اجازه می‌دهد ساختمان به‌درستی عملکرد خود را حفظ کند. به مکان‌هایی مانند بیمارستان‌ها فکر کنید که مردم حتی پس از وقوع زلزله به مراقبت نیاز دارند، یا مراکز داده که باید در هر شرایطی سرورها را روشن نگه دارند. مطالعات انجام‌شده توسط چندین شرکت مهندسی نشان می‌دهد که استفاده از PBD می‌تواند هزینه‌های تعمیر را در مقایسه با روش‌های قدیمی حدود ۴۰ درصد کاهش دهد. این صرفه‌جویی از انتخاب هوشمندانه‌تر مواد بدون قربانی کردن ایمنی حاصل می‌شود که با توجه به اهمیت حوادث لرزه‌ای، بسیار قابل توجه است.
نحوه مقابله ساختمان‌ها با نیروهای زلزله به شدت به داشتن مسیرهای پیوسته بار از سطح سقف تا پی استوار است. ساختمان‌های فولادی این الزام را عمدتاً از طریق قاب‌های مقاوم در برابر لنگر و همچنین دیوارهای برشی که در نقاط کلیدی سازه قرار گرفته‌اند، تأمین می‌کنند تا لرزش جانبی را کنترل نمایند. به ویژه برای ساختمان‌های بلندتر، علاقه به رویکردهای ترکیبی (هیبریدی) رو به افزایش است، جایی که قاب‌های مهاربندی شده سنتی همراه با دیوارهای برشی صفحه‌ای فولادی کار می‌کنند. این ترکیب‌ها می‌توانند سختی سازه‌ای را بین ۲۵ تا ۳۵ درصد افزایش دهند که در هنگام وقوع زلزله‌های شدید تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند. با این حال، جزئیات دقیق طراحی بسیار مهم است، زیرا حتی اشتباهات کوچک در نحوه اتصال این اجزا می‌تواند در هنگام وقوع واقعی نیروهای لرزه‌ای، عملکرد آنها را تحت تأثیر قرار دهد.
طراحی مؤثر لرزه‌ای سه اصل را با هم تعادل می‌دهد:
چقرمگی ذاتی فولاد اجازه می‌دهد تا تغییر شکل پلاستیک به‌صورت کنترل‌شده در اتصالات رخ دهد و انرژی زلزله را بدون شکست ناگهانی جذب کند. تحلیلی در سال ۲۰۲۳ از سازه‌های بازسازی‌شده نشان داد که استفاده از مهاربندهای مقاوم در برابر کمانش، پراکندگی انرژی را نسبت به طرح‌های معمولی ۵۰٪ افزایش می‌دهد.
ویژگی‌های پیشرفته مانند قطعات فیوز قابل تعویض قطعاً ساختمان‌ها را در برابر زلزله مقاوم‌تر می‌کند، اما حدود دو سوم پیمانکاران همچنان مقاومت می‌کنند، چون این امر را افزودن هزینه‌های غیرضروری می‌دانند. با این حال، نگاهی به تصویر کلی نشان می‌دهد که تحقیقات انجام‌شده در مورد هزینه‌های چرخه عمر، یافته جالبی درباره سرمایه‌گذاری مناسب روی جزئیات مقاوم در برابر زلزله در ساختمان‌های فولادی ارائه می‌دهد. اعداد و ارقام نشان می‌دهند که صرف هزینه بیشتر در ابتدا می‌تواند در آینده، زمانی که پس از وقوع زلزله نیازی به بازسازی عمده نباشد، چهار برابر پس‌انداز ایجاد کند. این موضوع استدلال قوی‌ای برای توسعه روش‌های استاندارد محاسبه این مزایا ایجاد می‌کند تا مهندسان و تصمیم‌گیرندگان بودجه بالاخره بتوانند در مورد آنچه در پروژه‌های ساخت و ساز واقعاً مهم است، هم‌نظر شوند.
سازه‌های فولادی به اتصالات و پیونت‌های دقیقاً مهندسی شده متکی هستند تا در طول رویدادهای لرزه‌ای، یکپارچگی خود را حفظ کنند. قاب‌های مقاوم در برابر لنگر با اتصالات صلب تیر به ستون، نیروها را به‌صورت یکنواخت توزیع می‌کنند، در حالی که جزئیات مسلح‌شده در نقاط اتصال، شکست‌های محلی را جلوگیری می‌کنند. اتصالات فولادی به‌خوبی طراحی‌شده، هزینه‌های تعمیر پس از زلزله را تا ۴۰٪ نسبت به طرح‌های متعارف کاهش می‌دهند.
اتصالات پیچی پیشرفته امروزه شامل رابط‌های بحرانی لغزشی و پیچ‌های پیش‌تنیده با استحکام بالا هستند که امکان حرکت کنترل‌شده بدون تغییر شکل دائمی را فراهم می‌کنند. پیکربندی‌های ترکیبی جوشی-پیچی، سرعت نصب را با دوام لرزه‌ای ترکیب می‌کنند و زمان ساخت را ۲۵٪ کاهش می‌دهند و در عین حال الزامات عملکردی ASCE 7-22 را برآورده می‌سازند.
بازسازی سال 2022 مبادله بزرگراهی کالیفرنیایی I-395، اتصالات شکننده نوع پین و هانگر را با سیستم‌های جعبه‌ای فولادی که از پیوندهای شکل‌پذیر جذب‌کننده انرژی استفاده می‌کنند، جایگزین کرد. این پروژه ۸۵ میلیون دلاری در سال ۲۰۲۳ تحمل هفت زلزله با بزرگای ۴٫۰ یا بالاتر را بدون آسیب ساختاری داشت و نسبت هزینه به منفعت بازسازی‌های پیشرفته فولادی در زیرساخت‌های حیاتی را نشان داد.
میراگرهای اصطکاکی پال نصب‌شده در بادبندی‌های چرونشکل، تا ۳۵٪ از انرژی لرزه‌ای را در ساختمان‌های میان‌مرتبه جذب می‌کنند. هنگامی که این سیستم‌ها با میراگرهای ویسکوالاستیک در دیوارهای مرکزی ترکیب شوند، براساس داده‌های آزمایش‌های میز لرزش از مؤسسات پژوهشی پیشرو، نوسان بین طبقه‌ای را ۵۰ تا ۷۰ درصد کاهش می‌دهند.
برخلاف براکت‌های معمولی که در حالت فشار به صورت ناگهانی از کار می‌افتند، براکت‌های مهارشده در برابر کمانش (BRBs) از هسته‌های فولادی استفاده می‌کنند که در لوله‌های پر شده از بتن قرار گرفته‌اند. این طراحی ظرفیت پراکندگی انرژی را تا ۳۰۰٪ افزایش می‌دهد و همزمان حلقه‌های هیسترزیس پایداری را حفظ می‌کند، همان‌طور که در دستورالعمل‌های FEMA P-795 تأیید شده است.
ساختمان ۵۵ طبقه تورانامون-آزابودای توکیو از میراگرهای جرم تنظیم‌شده ۱۲۰۰ تنی استفاده می‌کند که به‌همراه میراگرهای دیواری ویسکوز کار می‌کنند. این رویکرد ترکیبی در طول طوفان نانمادول سال ۲۰۲۳، کاهشی رکوردزده معادل ۶۰٪ در ارتعاشات ناشی از باد و زلزله به دست آورد.
بیش از ۷۸٪ از آسمان‌خراش‌های فولادی ساخته‌شده از سال ۲۰۲۰ در مناطق لرزه‌خیز، نوعی از فناوری میرایی را به کار گرفته‌اند که این رقم در سال ۲۰۱۰ تنها ۴۲٪ بوده است. پیش‌بینی می‌شود که بازار جهانی میراگرهای لرزه‌ای تا سال ۲۰۲۸ به ۴٫۲ میلیارد دلار برسد که این رشد ناشی از الزامات سخت‌گیرانه‌تر در مقررات ساختمانی در مناطق مستعد زلزله است.
آلیاژهای حافظه‌دار نیکل-تیتانیوم که به عنوان آلیاژهای حافظه‌دار نیکل-تیتانیوم (NiTi SMAs) شناخته می‌شوند، در حال تغییر دادن نحوه ساخت سازه‌های فولادی مقاوم در برابر زلزله هستند، زیرا پس از تغییر شکل می‌توانند به شکل اولیه خود بازگردند. وقتی ساختمان‌ها در طول زلزله لرز می‌خورند، این مواد خاص بخشی از آن انرژی را جذب کرده و سپس پس از آرام شدن وضعیت به جای خود برمی‌گردند، که این امر به معنای کاهش آسیب‌های دائمی کلی است. مطالعات نشان می‌دهند که هنگامی که مهندسان فناوری SMA را در اتصالات تیر به ستون به کار می‌برند، این اتصالات می‌توانند حدود ۱۲ درصد نیروی جانبی بیشتری نسبت به اتصالات فولادی معمولی تحمل کنند. آنچه این مواد را واقعاً جالب می‌کند، توانایی آنها در پاسخ به تغییرات دماست که اجازه می‌دهد قسمت‌های خاصی از ساختمان‌ها پس از وقوع آسیب‌های جزئی، عملاً خود را ترمیم کنند. این ویژگی یکی از بزرگترین نقاط ضعف در سازه‌های واقع شده در نزدیکی گسل‌های فعال را برطرف می‌کند.
قاب‌های فولادی که برای مرکزگرایی خودکار طراحی شده‌اند، معمولاً شامل کابل‌های پس‌تنیده یا تیرهای دارای میرایی اصطکاکی هستند که به ساختمان کمک می‌کنند پس از لرزش ناشی از زلزله به موقعیت اولیه خود بازگردد. این فناوری باعث کاهش قابل توجه در جابجایی باقیمانده می‌شود، در برخی موارد تا حدود ۸۰ درصد، بنابراین ساختمان‌ها دیگر به حالت مورب و دایمی مانند روش‌های قدیمی ساخت متراکم نمی‌شوند. به عنوان مثال اخیر در توکیو توجه کنید که مهندسان سال گذشته این روش را روی یک ساختمان ۴۰ طبقه آزمایش کردند. پس از وقوع زلزله، سازه تقریباً هیچ حرکت دائمی نداشت و همچنان حدود ۹۲ درصد از عملکرد قبلی خود را حفظ کرد. این سطح از عملکرد منطقی است وقتی به استانداردهای فعلی ساختمانی نگاه کنیم که تنها بر پابرجاسازی سازه‌ها تمرکز نمی‌کنند، بلکه بر بازگشت سریع مردم به داخل ساختمان‌ها پس از وقوع بلایا تأکید دارند، نه صرفاً جلوگیری از فروپاشی کامل.
استفاده از قطعات قابل تعویض که در زلزله‌ها انرژی را جذب می‌کنند، مانند مهاربندهای خاص با محدودکننده کمانش یا انتهای تیرهای فداشونده، امکان متمرکز کردن تعمیرات بر روی مناطق خاصی از سازه پس از وقوع زلزله را فراهم می‌کند. این قطعات را می‌توان به صورت صندوق فیوز خانه تصور کرد؛ این عناصر بخش عمده آسیب را به خود می‌گیرند تا بتوان آنها را ظرف حدود سه روز تعویض کرد، نه اینکه هفته‌ها یا حتی ماه‌ها برای تعمیرات سنتی صبر کرد. اکثر ساختمان‌های مدرن حدود یک چهارم تا یک سوم سیستم‌های حمایت جانبی خود را از این اجزای قابل تعویض تشکیل داده‌اند و همچنان استحکام ساختاری کل ساختمان حفظ می‌شود. این روش زمانی که بلایای طبیعی رخ می‌دهد، هم زمان و هم هزینه را صرفه‌جویی می‌کند، چرا که مهندسان نیاز ندارند بخش‌های بزرگی از ساختمان را تخریب کنند تا فقط قسمت آسیب‌دیده را تعمیر کنند.
سیستم‌های فولادی خودتعمیرشونده در نگاه اول حدود ۱۸ تا ۲۲ درصد گران‌تر از گزینه‌های سنتی هستند. اما با بررسی آنچه در طول زمان رخ می‌دهد، مطالعات نشان می‌دهند که هزینه‌های نگهداری در طی پنجاه سال حدود ۴۰ درصد کاهش می‌یابد. برخی افراد اشاره می‌کنند که این هزینه اضافی اولیه مانع توسعه این فناوری در مناطق کم‌درآمد است که در آنها مسائل مالی از اهمیت بالایی از همان ابتدا برخوردار است. از سوی دیگر، شرکت‌های بیمه شروع به ارائه تخفیف‌هایی بین ۱۵ تا ۲۰ درصد برای ساختمان‌های مجهز به این مواد هوشمند کرده‌اند، چرا که این مواد به وضوح ریسک را کاهش می‌دهند. اخیراً بحث‌های فراوانی دربارهٔ به‌روزرسانی مقررات ساختمانی برای الزام به استفاده از این فناوری در مناطق مستعد زلزله، حتی در صورت پرداخت هزینه بیشتر در ابتدا، صورت گرفته است. این سؤال همچنان باقی است که آیا مزایای ایمنی در این مکان‌های حساس، از ملاحظات مالی مهم‌تر هستند یا خیر.
ارزیابی‌های امروزی از خطرات لرزه‌ای، مناطق را بر اساس پیش‌بینی حرکت زمین و سابقه زلزله‌های گذشته به دسته‌های مختلف خطر تقسیم می‌کنند. هنگام بررسی مکان‌هایی با خطرات جدی مانند گسل معروف سن آندره در کالیفرنیا یا منطقه آتشفشانی فعال اطراف اندونزی که به حلقه آتش معروف است، بیشتر مهندسان تمایل دارند از سازه‌های فولادی استفاده کنند، زیرا این سازه‌ها انعطاف‌پذیرتر بوده و ضربه را بهتر جذب می‌کنند. تحقیقات اخیر در سال ۲۰۲۴ نیز چیز جالبی نشان داد: ساختمان‌های دارای قاب فولادی که در مناطقی به نام منطقه ۴ واقع شده‌اند—جایی که زلزله‌ها بیشتر رخ می‌دهد—حدود ۴۰ درصد کمتر از سازه‌های بتنی مشابه از نظر اندازه آسیب دیدند، هنگامی که در برابر زلزله‌های شبیه‌سازی شده با بزرگی ۷ تست شدند. تمام این یافته‌ها واقعاً بر انتخاب مواد مورد استفاده در پروژه‌های ساختمانی تأثیر می‌گذارند. ما در واقع از ابتدای دهه، شاهد افزایش حدود ۱۸ درصدی استفاده از فولاد در شهرهای بزرگی مانند توکیو و لس‌آنجلس بوده‌ایم.
زمین‌لرزه‌های ۲۰۲۳ ترکیه-سوریه (۷.۸ ریشتر) آشکار کرد که سازه‌های متکی به بتن دارای نقص‌های مهمی هستند، به‌طوری‌که ۹۲٪ از ساختمان‌های فرو ریخته شده از قاب‌های بتنی غیرکشسان استفاده کرده‌اند. در مقابل، زمین‌لرزه توهوکو ژاپن در سال ۲۰۱۱ (۹.۱ ریشتر) مقاومت فولاد را نشان داد — تنها ۰٫۳٪ از ساختمان‌های بلندمرتبه با قاب فولادی در سنداي نیاز به تخریب داشتند. درس‌های کلیدی:
کشورهای در حال توسعه با چالش‌های منحصربه‌فردی مواجه هستند که باید بودجه محدود را با الزامات ایمنی لرزه‌ای متعادل کنند. یک رویکرد مقرون‌به‌صرفه ترکیبی از موارد زیر است:
مروری در سال 2023 بر سیستم‌های میرایی هوشمند نشان می‌دهد که کشورهای در حال توسعه مانند شیلی و نپال اکنون از براکت‌های مهارشده در برابر کمانش فولادی ساده‌شده با هزینه‌ای 60 درصدی کمتر از سیستم‌های سنتی استفاده می‌کنند. این روش به شهرهایی مانند کاتماندو اجازه می‌دهد تا سالانه بیش از 150 ساختمان حیاتی را بازسازی کنند، در حالی که 85 درصد از بودجه ساخت‌وساز اولیه را حفظ می‌کنند.
فولاد به دلیل شکل‌پذیری و توانایی جذب و پراکندن انرژی در طی رویدادهای لرزه‌ای ترجیح داده می‌شود که از فروپاشی ساختمان و آسیب‌های گسترده جلوگیری می‌کند.
سازه‌های فولادی 60 درصد سبک‌تر هستند، تعمیر آنها آسان‌تر است و انرژی را بهتر از بتن پراکنده می‌کنند که اغلب دچار آسیب‌های غیرقابل‌تجدید می‌شود.
اتصالات پیشرفته مانند اتصالات بولتی و جوشی، یکپارچگی سازه را تحت تنش حفظ کرده و دوام آن را در طول و پس از زلزله افزایش می‌دهند.
مواد هوشمند مانند آلیاژهای حافظه‌دار قابلیت خودترمیمی فراهم می‌کنند که نگهداری بلندمدت را کاهش داده و یکپارچگی سازه‌ای را بهبود می‌بخشد.
کپی‌رایت © 2025 توسط شرکت بازرگانی واردات و صادرات بائو-وو (تیانجین) محدود. - سیاست حریم خصوصی
EN
