نقش سازه فولادی در طراحی مقاوم در برابر زلزله

چرا سازه‌های فولادی ذاتاً مقاوم در برابر زلزله هستند؟

نسبت استحکام به وزن بالا و شکل‌پذیری: مزایای اصلی ماده‌ای سازه‌های فولادی

فولاد نسبت به سیستم‌های بتنی یا سنگی، نسبت استحکام به وزن بسیار بهتری دارد و بر اساس مطالعات اخیر حدود ۳۰ درصد سبک‌تر است. این امر توسط برنامه ملی کاهش خطر زلزله (NEHRP) در گزارش سال ۲۰۲۳ آن تأیید شده است. از آنجا که فولاد هم سبک و هم مقاوم است، ساختمان‌های ساخته‌شده با این ماده می‌توانند انعطاف‌پذیر باشند و در عین حال بارهای سنگین را تحمل کنند. اما آنچه فولاد را واقعاً متمایز می‌کند، رفتار آن تحت تنش است. برخلاف مواد شکننده که ناگهان می‌شکنند، فولاد قبل از شکست، به‌طور قابل‌توجهی خم و کشیده می‌شود. این بدان معناست که در زمان زلزله، قاب‌های فولادی می‌توانند در واقع با لرزش حرکت کنند، نه اینکه به‌صورت ناگهانی ترک بخورند. این پدیده پس از زلزله‌های ریج‌کرست در سال ۲۰۱۹ مشاهده شد؛ به‌گزارش سازمان زمین‌شناسی ایالات متحده (USGS) پس از این بلای طبیعی، ساختمان‌های دارای قاب فولادی حدود ۴۰ درصد کمتر از ساختمان‌های مشابه ساخته‌شده با بتن دچار فروپاشی شدند.

عملکرد تحت بارهای چرخه‌ای: سخت‌شدن کرنشی و رفتار هیسترزیس پایدار در سازه‌های فولادی

فولاد در مواجهه با نیروهای زلزله‌ای تکرارشونده به‌صورت قابل توجهی پایدار عمل می‌کند، که این ویژگی در زمان لرزش‌های پس‌اززمین‌لرزه و دوره‌های طولانی‌تر لرزش بسیار حائز اهمیت است. آنچه فولاد را خاص می‌سازد، افزایش مقاومت آن در هنگام شروع به خم‌شدن و کشیده‌شدن است. پس از اولین نشانه‌های تسلیم‌شدن، این ماده در واقع در طول ادامهٔ تغییر شکل، مقاومت بیشتری در برابر آسیب‌های بیشتر از خود نشان می‌دهد. هنگامی که ساختمان‌ها در زمان زلزله به جلو و عقب نوسان می‌کنند، فولاد الگوهای قابل اعتمادی از پراکندگی انرژی ایجاد می‌کند که به «حلقه‌های هیسترزیس» معروف‌اند و به‌صورت پیش‌بینی‌پذیر در طول چندین چرخه حرکت عمل می‌کنند. مطالعات کارشناسان مهندسی زلزله نشان می‌دهد که اگر قاب‌های فولادی به‌درستی ساخته شوند، می‌توانند بیش از ۵۰ چرخه لرزش شدید را تحمل کنند، در حالی که کمتر از ۵٪ از استحکام اولیه‌شان را از دست می‌دهند. دلیل این پایداری، ساختار داخلی یکنواخت فولاد است. برخلاف موادی که از اجزای مختلفی تشکیل شده‌اند یا دارای خواص ناهمگن هستند، فولاد فاقد نقاط ضعیفی است که تنش در آن‌ها به‌صورت ناگهانی تجمع یافته و منجر به فروپاشی غیرمنتظره شود.

سیستم‌های اصلی سازه‌های فولادی برای مقاومت در برابر زلزله

قاب‌های مقاوم در برابر گشتاور (MRFs): منطق طراحی و انطباق با مناطق لرزه‌ای برای سازه‌های فولادی

قاب‌های مقاوم در برابر گشتاور، یا به‌اختصار MRFها، با مقاومت در برابر نیروهای جانبی زلزله از طریق اتصالات خاص تیر-ستون خود عمل می‌کنند. این اتصالات به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که در حین وقوع لرزش‌ها به‌ترتیب مشخصی خم شده و تغییر شکل دهند، که این امر به جذب تمام آن انرژی خشونت‌آمیز کمک کرده و از فروپاشی کامل ساختمان جلوگیری می‌کند. فولاد برای این نوع کار واقعاً مناسب است، زیرا می‌تواند به‌صورت ایمن کشیده شده و انعطاف‌پذیر گردد، نه اینکه به‌طور کامل بشکند. هنگامی که به مناطق پرتکان مانند کالیفرنیا نگاه می‌کنیم، مهندسان برخی تنظیمات را در این قاب‌ها اعمال می‌کنند. آن‌ها توجه ویژه‌ای به جزئیات اتصالات می‌کنند، پشتیبانی اضافی بیشتری در سراسر سازه پیش‌بینی می‌شود و سختی نسبی بخش‌های مختلف سازه را با دقت متعادل می‌سازند. نتیجه چیست؟ ساختمان‌هایی که با قاب‌های فولادی MRF مناسب تجهیز شده‌اند، می‌توانند حرکات زمین با شتابی حدود ۰٫۴g را تحمل کنند. مطالعات نشان می‌دهند که این سازه‌ها در زمان وقوع زلزله بیش از نیمی از آسیب‌های واردشده به ساختمان‌های بتنی معمولی را متحمل نمی‌شوند. این امر قاب‌های فولادی MRF را نه‌تنها ایمن‌تر، بلکه در بلندمدت ازنظر هزینه‌ای نیز مقرون‌به‌صرفه‌تر می‌سازد؛ به‌ویژه برای ساخت ساختمان‌های میانی و بلند در نزدیکی گسل‌های فعال که زلزله در آن‌ها به‌طور منظم رخ می‌دهد.

میله‌های کششی با مهار کمانش (BRBs) و قاب‌های با مهار غیرمحوری (EBFs): راه‌حل‌های سازه‌ای فولادی با قابلیت پراکندگی انرژی

میله‌های خمش‌پذیر مهارشده (BRB) همراه با قاب‌های دارای بادبند غیرمحوری (EBF) به‌طور خاص برای متمرکز کردن و آزادسازی انرژی زلزله در نقاطی طراحی شده‌اند که آسیب‌پذیری حداقل باشد. BRBها با محصور کردن یک هسته فولادی درون جعبه‌های بتنی یا فولادی که به‌راحتی خم نمی‌شوند، عمل می‌کنند. این ترتیب از خم‌شدن هسته فولادی جلوگیری کرده و جذب متوازن انرژی را تحت نیروهای کششی یا فشاری امکان‌پذیر می‌سازد. در مورد EBFها، مهندسان به‌طور عمدی اتصالات بادبندها را خارج از مرکز قرار می‌دهند تا انرژی را به بخش‌های کوچکی به نام پیوندهای برشی هدایت کنند. این پیوندها به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که در صورت لزوم به‌صورت دائمی تغییر شکل دهند، انرژی را جذب کنند و در عین حال سازه اصلی را سالم نگه دارند. ساختمان‌های فولادی که از این سیستم‌ها استفاده می‌کنند، قادرند بیش از ۷۰٪ انرژی ناشی از لرزش‌های زلزله را جذب کنند؛ این امر به کاهش حرکت بیش از حد طبقات نسبت به یکدیگر و کاهش جابجایی باقی‌مانده پس از گذشت زلزله کمک می‌کند. آنچه این راه‌حل‌ها را متمایز می‌سازد، سهولت تعمیر و تعویض آن‌هاست. به همین دلیل بسیاری از ساختمان‌های مهم مانند بیمارستان‌ها و مدارس از این سیستم‌ها استفاده می‌کنند، چرا که بازگشت سریع به وضعیت عملیاتی پس از زلزله امری فوری و غیرقابل انتظار است.

ابداعاتی که آسیب را کاهش داده و بازیابی سازه‌های فولادی را تسریع می‌کنند

سیستم‌های سازه‌های فولادی با قابلیت خودمرکز‌شوندگی با استفاده از دستگاه‌های اصطکاکی و آلیاژهای با حافظه‌ی شکل

سیستم‌های خودمرکزکننده، دامپرهای اصطکاکی را همراه با آن آلیاژهای حافظه‌دار ویژه‌ای که به آن‌ها SMA می‌گوییم، در کنار هم قرار می‌دهند تا بزرگ‌ترین مشکل پس از زلزله—یعنی جابجایی باقی‌مانده—را برطرف کنند. این دستگاه‌های کوچک اصطکاکی عملکرد بسیار خوبی دارند، زیرا هنگامی که اجزا از نقاط از پیش تعیین‌شده‌ای عبور می‌کنند، انرژی را به‌صورت کنترل‌شده‌ای پراکنده می‌کنند. این امر به کاهش فشار واردبر اجزای اصلی سازه کمک می‌کند. سپس آن SMAها را داریم که اغلب در تاندونهای خودمرکزکننده یا اتصالات بین اجزای مختلف سازه‌ها یافت می‌شوند. ویژگی منحصربه‌فرد این مواد، «ابرکشسانی» نام دارد که امکان بازگشت تقریباً کامل آن‌ها را حتی پس از کشیدگی یا خم‌شدن قابل‌توجهی فراهم می‌آورد. وقتی این دو فناوری با هم ترکیب می‌شوند، طبق تحقیقات مؤسسه مهندسی زلزله در سال ۲۰۲۳، جابجایی باقی‌مانده را حدود ۸۰ درصد کاهش داده و هزینه‌های تعمیرات را نیز تقریباً ۴۰ درصد کاهش می‌دهند. برای مکان‌هایی مانند بیمارستان‌ها و مراکز اورژانس که هر دقیقه اهمیت دارد، این امر به معنای بازگشت بسیار سریع‌تر به وضعیت عملیاتی است، بدون اینکه نیاز باشد هزینه‌های سنگینی برای ترازکردن مجدد تمام اجزا یا بازسازی از ابتدا صرف شود. خدمات حیاتی به‌طور مداوم ادامه می‌یابند و متوقف نمی‌شوند.

درس‌هایی از عمل: کریستچرچ ۲۰۱۱ — اعتبارسنجی واقعی مقاومت سازه‌های فولادی

وقتی زلزلهٔ کرایست‌چرچ در سال ۲۰۱۱ رخ داد، اساساً آنچه مهندسان همواره دربارهٔ استحکام فولاد در رویدادهای لرزه‌ای — به‌ویژه هنگام ترکیب آن با سیستم‌های جدید جذب انرژی — بیان می‌کردند را تأیید کرد. ساختمان‌های فولادی با تیرهای خاص مقاوم در برابر کمانش (BRB) حدود ۳۰ درصد آسیب کمتری نسبت به سازه‌های بتنی مشابه دیدند. اما آنچه واقعاً قابل توجه بود، قابلیت تعمیرپذیری بالای اکثر آسیب‌های واردشده بود. هیچ‌یک از ساختمان‌های فولادی مجهز به سیستم‌های MRF یا BRB فروپاشیده نشدند و حدود سه‌چهارم آن‌ها ظرف نیم‌سال دوباره به‌کار افتادند؛ بسیاری از آن‌ها حتی زودتر از این مدت نیز به‌کار خود بازگشتند. با بررسی پیامدهای این زلزله، کارشناسان انعطاف‌پذیری فولاد را عامل اصلی مقاومت این ساختمان‌ها دانستند، برخلاف بتن که در صورت طراحی نادرست تحت تنش به‌صورت ناگهانی ترک می‌خورد. تجربهٔ کرایست‌چرچ منجر به تغییرات اساسی در آیین‌نامه‌های ساختمانی نیوزیلند در زمینهٔ زلزله شد و همچنان بر نحوهٔ رویکرد کشورهای سراسر جهان به ایمنی لرزه‌ای تأثیر می‌گذارد. در واقع، وقتی معماران زمان کافی را صرف جزئیات دقیق سازه‌های فولادی کنند و آن‌ها را با سیستم‌های عملکردی هوشمند ترکیب نمایند، ساختمان‌هایی خواهند ساخت که جان انسان‌ها را حفظ کرده و پس از وقوع بلایای طبیعی نیز ادامهٔ فعالیت خود را حفظ می‌کنند.

بخش سوالات متداول

چه عواملی باعث افزایش مقاومت سازه‌های فولادی در برابر زلزله می‌شوند؟ سازه‌های فولادی دارای نسبت بالای استحکام به وزن و شکل‌پذیری هستند که امکان خمش و جذب انرژی را در طول رویدادهای لرزه‌ای بدون فروپاشی فراهم می‌کنند.

قاب‌های مقاوم در برابر گشتاور (MRFs) چگونه به مقاومت در برابر زلزله کمک می‌کنند؟ قاب‌های مقاوم در برابر گشتاور (MRFs) از اتصالات ویژه تیر-ستون استفاده می‌کنند که قادرند انرژی لرزه‌ای شدید را از طریق خمش و تغییر شکل کنترل‌شده جذب کنند و از فروپاشی سازه جلوگیری نمایند.

bracesهای مقاوم در برابر کمانش (BRBs) و قاب‌های با تیرهای مورب غیرمحوری (EBFs) چه نقشی در طراحی مقاوم در برابر زلزله ایفا می‌کنند؟ BRBs و EBFs بر پراکندن انرژی لرزه‌ای در نقاط مشخصی تمرکز می‌کنند تا آسیب را به حداقل برسانند و این امکان را فراهم می‌کنند که سازه‌ها بدون وقوع شکست فاجعه‌بار، لرزش‌های شدید را تحمل کنند.