ساختمان‌های فولادی و عملکرد لرزه‌ای آن‌ها

سیستم‌های کلیدی مقاوم در برابر زلزله در ساختمان‌های مدرن فولادی

قاب‌های فولادی با مهار: مهارهای جلوگیرنده از کمانش در مقابل مهارهای معمولی

امروزه ساختمان‌های فولادی به سمت استفاده از تکیه‌گاه‌های مهارشده در برابر کمانش (BRB) گرایش پیدا کرده‌اند، زیرا این روش گزینه‌ای بهتر برای مقاومت در برابر زلزله محسوب می‌شود. سیستم‌های معمولی تکیه‌گاه‌گذاری در هنگام فشار، به‌صورت ناگهانی و یک‌جا دچار خرابی می‌شوند؛ اما BRBها به‌صورت متفاوتی عمل می‌کنند. این تکیه‌گاه‌ها قطعه‌ای انعطاف‌پذیر فولادی را درون لوله‌ای فولادی پر از بتن قرار می‌دهند. این آرایش از فروپاشی کل سازه جلوگیری می‌کند و اجازه می‌دهد مصالح به‌صورت قابل پیش‌بینی در طول لرزش‌ها خم و راست شود. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که این تکیه‌گاه‌های ویژه در مقایسه با تکیه‌گاه‌های معمولی حدود هشت برابر انرژی زلزله را جذب می‌کنند. نتیجه چیست؟ ساختمان‌ها حتی پس از زلزله‌های شدید نیز پابرجا می‌مانند و نیاز به تعمیرات بسیار کمتری دارند. برخی برآوردها حاکی از آن است که در صورت نصب صحیح BRBها، هزینه‌های تعمیرات بین ۳۰ تا ۴۰ درصد کاهش می‌یابد.

قاب‌های تکیه‌گاهی غیرمحوری و اتصالات برشی پیچی به‌عنوان عناصر پراکنده‌کننده انرژی

در قاب‌های خمشی غیرمتمرکز (EBFs)، مهندسان اتصالات برشی پیچ‌خورده را به‌صورت مایل بین تیرها و ستون‌ها نصب می‌کنند. این اجزا مانند فیوزهای از بین‌رفتنی عمل می‌کنند که در طول رویدادهای لرزه‌ای ابتدا آسیب می‌بینند. هنگام وقوع زلزله، اتصالات برشی به‌صورت کنترل‌شده‌ای تغییر شکل داده و ضربه را متحمل می‌شوند تا قاب سازه‌ای اصلی سالم باقی بماند. مطالعات نشان می‌دهند که ساختمان‌های مجهز به سیستم‌های EBF به‌طور متوسط حدود ۶۰ درصد حرکت باقی‌مانده کمتری پس از لرزش نسبت به قاب‌های خمشی معمولی دارند. آنچه این سیستم را به‌ویژه ارزشمند می‌سازد، این است که هنگام آسیب دیدن این اتصالات برشی، می‌توان آن‌ها را به‌راحتی از پیچ‌ها باز کرده و در زمان کوتاهی جایگزین نمود. برای مکان‌هایی که انجام فعالیت‌ها حتی پس از بلایای طبیعی نیز باید ادامه یابد—مانند بیمارستان‌ها یا مراکز پاسخ‌دهی اضطراری—این امر به معنای بازگشت بسیار سریع‌تر به وضعیت عادی است. امکان تعمیر به‌جای بازسازی کامل سازه‌ها، مزیتی بزرگ در طراحی ساختمان‌های فولادی مقاوم برای عملکرد بلندمدت محسوب می‌شود.

تأیید عملی: عملکرد ساختمان‌های فولادی در زلزله‌های بزرگ

زلزلهٔ ۲۰۱۰ مائوله (شیلی): آسیب جزئی در ساختمان‌های قاب فولادی مطابق با آیین‌نامه

وقتی زلزلهٔ بزرگ ماول با بزرگی ۸٫۸ در شیلی رخ داد، ساختمان‌های فولادی که مطابق با استانداردهای مدرن لرزه‌ای ساخته شده بودند، به‌صورت قابل توجهی مقاومت خوبی نشان دادند. بر اساس ارزیابی سازمان مدیریت اضطراری فدرال ایالات متحده (FEMA) پس از این زلزله، اکثر سازه‌های فولادی که مقررات ساخت‌وساز را رعایت کرده بودند، آسیب سازه‌ای واقعی بسیار جزئی دیدند. آنچه آسیب دید، عمدتاً دیوارها، سقف‌ها و سایر اجزایی بود که برای حفظ ایستایی ساختمان حیاتی نبودند. فولاد این ویژگی شگفت‌انگیز را دارد که می‌تواند بدون اینکه کاملاً از هم پاشیده شود، خم و پیچ بخورد. به همین دلیل بسیاری از این ساختمان‌ها حتی در طول چنین لرزش قوی‌ای نیز به‌صورت قائم و قابل‌استفاده باقی ماندند. این واقعیت که اکثر ساکنان پس از پایان لرزش می‌توانستند بلافاصله فعالیت‌های عادی خود را ادامه دهند، نشان‌دهندهٔ اثربخشی بالای روش‌های ساخت فولادی مناسب در حفاظت از انسان‌ها و حفظ عملیات عادی در زمان وقوع بلایای طبیعی است.

زلزلهٔ کوماموتو ۲۰۱۶ (ژاپن): اجرای عملی تعمیر سریع و قابلیت جایگزینی

پس از زلزله‌های بزرگ کوماموتو در سال ۲۰۱۶ (با بزرگی ۷ بر اساس مقیاس ژاپن)، ساختمان‌های فولادی در بازگشت سریع به وضعیت اولیه خود عملکرد قابل توجهی از خود نشان دادند. در واقع، مؤسسه معماری ژاپن این پدیده را پیگیری کرده و یافته‌های جالبی به دست آورده است. سازه‌های فولادی که از پیچ‌ها به جای جوشکاری استفاده کرده‌اند و همچنین سازه‌هایی با اجزای ماژولار مانند اتصالات برشی قابل تعویض، به‌مراتب سریع‌تر از ساختمان‌های بتنی مجاور تعمیر شدند. برخی گزارش‌ها حاکی از آن است که این سازه‌ها در حدود نیمی از زمان لازم برای تعمیر ساختمان‌های بتنی، بازسازی شده‌اند. نکته اصلی در اینجا این است که فولاد امکان می‌دهد مهندسان دقیقاً محل آسیب را شناسایی کرده و تنها اجزای خاصی را جایگزین کنند، نه اینکه کل سازه را تخریب نمایند. این امر منجر به کاهش زمان توقف فعالیت‌های تجاری و اجتماعی و صرفه‌جویی در هزینه‌های بازسازی در بلندمدت می‌شود.

تاب‌آوری در طول دوره عمر: تعادل بین سرمایه‌گذاری اولیه و ارزش بلندمدت در ساختمان‌های با سازه فولادی

ساختمان‌های فولادی علاوه بر اینکه سازه‌های ایمن‌تری هستند، صرفه‌جویی واقعی در هزینه‌ها را در طول زمان ارائه می‌دهند. بله، هزینه‌های اولیه ممکن است بالاتر از مواد ساختمانی سنتی باشد، اما به بلندمدت به آن فکر کنید. فولاد عملاً برای همیشه باقی می‌ماند، زیرا نه تجزیه می‌شود، نه خوردگی پیدا می‌کند و نه توسط حشرات مورد حمله قرار می‌گیرد. اکثر سازه‌های فولادی می‌توانند با حداقل نگهداری تا نیم قرن یا بیشتر دوام بیاورند. هنگام وقوع زلزله، ساختمان‌های فولادی عملکرد بهتری نیز دارند. نحوه ساخت این سازه‌ها این امکان را فراهم می‌کند که در حین لرزش‌ها خم شوند بدون اینکه بشکنند؛ بنابراین آسیب کلی کمتری وارد می‌شود. این امر منجر به کاهش هزینه‌های تعمیر پس از بلایای طبیعی و بازگشت سریع‌تر به وضعیت عادی می‌شود. مطالعاتی که هزینه‌های کلی را در طول دهه‌ها مورد بررسی قرار داده‌اند، به‌طور مکرر نشان داده‌اند که سازه‌های فولادی در مقایسه با گزینه‌های بتنی حدود ۲۰ تا ۳۰ درصد مقرون‌به‌صرفه‌تر هستند. چرا؟ زیرا نیاز به تعمیرات کمتری دارند، ارتقاء‌های لازم در صورت نیاز آسان‌تر انجام می‌شوند، عمر مفید طولانی‌تری دارند و همچنین فولاد قدیمی قابل بازیافت است و نه اینکه به دفن در محل‌های دفن زباله منجر شود. مالکان هوشمند املاک این موضوع را از پیش می‌دانند. آن‌ها فولاد را نه تنها به‌عنوان یک ماده ساختمانی، بلکه به‌عنوان یک سرمایه‌گذاری می‌بینند که حفاظت در برابر زلزله را به پس‌انداز واقعی در طول کل عمر ساختمان تبدیل می‌کند.

بخش سوالات متداول

مقرره‌های جلوگیری از کمانش (BRBs) چیستند؟

BRBها اجزای سازه‌ای هستند که در ساختمان‌های فولادی برای مقاومت در برابر زلزله استفاده می‌شوند. این اجزا شامل قطعه‌ای انعطاف‌پذیر از فولاد درون لوله‌ای فولادی پر از بتن هستند که از فروپاشی جلوگیری کرده و انرژی لرزه‌ای را جذب می‌کنند.

چگونه قاب‌های مهاربندی‌شده غیرمحور (EBFها) کار می‌کنند؟

EBFها از اتصالات برشی پیچ‌خورده بین تیرها و ستون‌ها استفاده می‌کنند که در طول زلزله به‌عنوان عناصر قربانی عمل می‌کنند. این اتصالات به‌صورت کنترل‌شده تغییر شکل داده و از قاب اصلی سازه محافظت می‌کنند.

چرا ساختمان‌های فولادی در برابر زلزله مقاوم‌ترند؟

ساختمان‌های فولادی انعطاف‌پذیر هستند و این امکان را فراهم می‌کنند که بدون شکستن در حین لرزش‌ها خم شوند. این امر منجر به آسیب کمتر به سازه و زمان بازگشت سریع‌تر می‌شود.

آیا ساختمان‌های فولادی در بلندمدت گران‌ترند؟

هرچند هزینه‌های اولیه ممکن است بالاتر باشد، اما ساختمان‌های فولادی به‌دلیل نیاز کمتر به نگهداری، عملکرد بهتر در برابر زلزله و قابلیت بازیافت مواد، صرفه‌جویی بلندمدت ایجاد می‌کنند.