کدام ساختمان ها در برابر زلزله مقاوم ترند؟ چوبی یا بتنی؟

اقتصادسنج | یک ابزار سنجش زلزله قرار است بفهمند که چه سازه‌هایی می‌توانند از “زلزله بزرگ” جان سالم به در ببرند. آیا این ساختمان ۱۰ طبقه چوبی می‌تواند در برابر زلزله دوام بیاورد و جان سالم به در ببرد؟

نزدیک به دو دهه است که دانشگاه کالیفرنیا، سن‌دیه‌گو، به مرکز آزمایش یک ابزاری کلیدی برای فهمیدن زمین‌لرزه‌ها تبدیل شده است: یک سکوی فولادی به ابعاد تقریبی ۷.۵ در ۱۲ متر که با استفاده از یک سیستم هیدرولیک، حرکات لرزشی (همانند زمین‌لرزه) را بازسازی می‌کند.

این «سکوی لرزان» که به معنای واقعی می‌تواند هر آنچه روی آن قرار دارد را تکان دهد،‌ یکی از بزرگترین سکوهای جهان است.

از سال ۲۰۰۴ که این سکو یا میز لرزان ساخته شده است، بیش از ۳۰ سازه بر روی آن آزمایش شده‌اند و نتایج این آزمایش‌ها باعث ایجاد تغییراتی در قوانین ساختمان‌سازی و جاده‌سازی شده است. اما در ۹ ماه گذشته این سکو ثابت بوده. زیرا قرار است آزمایشی بی‌سابقه بر روی آن انجام شود: یک ساختمان ۱۰ طبقه چوبی، بزرگترین نمونه‌ای است که قرار است در اینجا به معرض آزمایش گذاشته شود.

به گفته «شیلینگ پی»، محقق اصلی این پروژه، نام این پروژه «TallWood» است و هدف آن اثبات این موضوع است که آیا ساختمان‌های چوبی می‌توانند بدون اینکه ساختار یکپارچه آنها خراب شود لرزش‌های شدید را تحمل کنند یا نه! از آنجایی که رد پای کربن چوب، در محیط زیست کمتر از بتن و فولاد است، این ماده به عنوان یک مصالح ساختمانی محبوب در سال‌های اخیر مورد توجه قرار گرفته است.

«پی» می‌گوید: علاوه بر این، انعطاف‌پذیری سازه‌های چوبی آنها را به خوبی برای مقابله با زلزله مناسب می‌سازد؛ به توانایی خم شدن شاخه‌های درختان در مقابل ضربات فکر کنید تا این موضوع برایتان بهتر جا بیافتد.

از آنجایی‌که سالها تحقیق و مدل‌سازی به او اجازه می‌هد تا چنین ساختمان‌هایی را تایید کنند، او مشتاق است تا قدرت طرح‌های چوبی را در یک انجمن واقعی، به مخاطبان بیشتری نشان دهد.

پی گفت: «این اثباتی بر این موضوع است که می‌توانیم با استفاده از فناوری کنونی، ساختمان۱۰ طبقه‌ای بسازیم و پس از زلزله از نتایج ارتجاعی آن استفاده کنیم. برنامه ما این است که این ساختمان را با حدود ۴۰ زلزله آزمایش کنیم و خواهیم دید که سازه ساختمان آسیبی نخواهد دید. حداقل امیدواریم اینطور باشد! »

پی، که استاد مهندسی عمران و محیط زیست در دانشکده معادن کلرادو نیز هست، در سیستم‌های چوبی و کاهش خطرات از طریق مهندسی تخصص دارد، و این ویژگی‌ها باعث می‌شود که او برای این پروژه بسیار مناسب باشد. اما او تنها بخشی از تیم گسترده ‌ای است که از سال ۲۰۱۶ به عنوان بخشی از برنامه «زیرساخت تحقیقاتی مهندسی مخاطرات طبیعی بنیاد ملی علوم» NHERI)) روی این پروژه کار کرده است. این تیم شامل متخصصانی از شش دانشگاه، بیش از دوازده شریک صنعتی، و خدمات جنگلی ایالات متحده و سایر سازمان‌های دولتی است.

اعضای این تیم برای اولین بار، تئوری خود را در سال۲۰۱۷ آزمایش کردند و یک ساختمان چوبی دو طبقه برای این صفحه لرزان ساختند. «پی» گفت که این ساختمان توانست در حدود ۳۰ “زلزله” را تحمل کند و آسیبی ندید. از جمله این لرزش‌ها، چیزی شبیه به زلزله ۶.۷ ریشتری “نورتریج ” بود که تقریباً سه دهه پیش در کالیفرنیا اتفاق افتاد.

بر اساس تحقیقات انجام شده، پروژه ۱۰ طبقه TallWood، به معنای واقعی کلمه هم ارتفاع زیادی دارد و هم نکات طراحی سازه‌ها در آن رعایت شده است. به توصیف پی، در هسته این ساختمان نیز از سیستم‌های چوبی انبوه استفاده شده است، به این معنی که لایه‌هایی از چوب به شکل پنل‌های جامد در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند، که می‌توان آن‌ها را به شکل دلخواه در کنار هم قرار داد. در حالی که این مدل فقط برای میز لرزان ساخته می‌شود، امیدواریم که در صورت موفقیت، بتوانیم این طرح را در دنیای واقعی نیز بسازیم.

“دیوارهای گهواره‌ای”، کلید طراحی سازه‌های سازگار با زلزله هستند که طوری ساخته شده‌اند که امکان حرکت داشته باشند. به جای اینکه دیوارها محکم به فونداسیون تیرهای پایه فولادی چسبانده شوند، که تکیه گاه زمین برای میز لرزش را تشکیل می‌دهند، آنها در بالا قرار می گیرند و با میله های فولادی که کل سازه را بالا می برند، در موقعیت خود قرار می گیرند. این میله‌ها مانند نوارهای لاستیکی عمل می‌کنند، هم دیوارها را در جای خود نگه می‌دارند و هم انعطاف‌پذیر هستند. بنابراین، اگر زلزله‌ای رخ دهد، دیوارهای گهواره‌ای شروع به لرزیدن کرده و حتی از روی فونداسیون بلند می‌شوند و میله‌ها مانع از حرکت بیش از حد آن‌ها به خارج از خط می‌شوند. تلاش طراحان این سازه‌ این است تا ساختمان‌ها را به شکلی طراحی کنند که ساختمان از آسیب‌هایی نظیر زلزله‌هایی که در گذشته اتفاق افتادند ایمن بماند، و یک زلزله باعث فروریختن یا آسیب‌های جدی به ساختمان‌ها نشود.

سایر ویژگی‌ها مانند ستون‌ها و صفحات قابل خم شدن نیز به پراکنده کردن انرژی کمک می‌کنند، و در عین حال زره فولادی به کاهش هرگونه آسیب ساختاری کمک می کند. جفری برمن، محقق ارشد و استاد مهندسی عمران در دانشگاه واشنگتن، در یک مصاحبه رادیویی با NHERI ، این ترکیب کلی را اساساً یک “سیستم ساختاری بدون آسیب” توصیف کرد؛ زیرا این طرح می تواند حرکات فراوانی داشته باشد.

ساختمان TallWood علاوه بر ساختار اصلی، دارای در، پنجره، پله، سقف و دیوارهای اضافی (ساختارهای غیر اصلی) است. کری رایان، یک مهندس زلزله در دانشگاه نوادا رنو، و یکی دیگر از محققین اصلی این پروژه، در مصاحبه رادیویی دیگری با NHERI توضیح داد که این کار برای دریافت تصویر کاملتری از چگونگی واکنش ساختمان‌های چوبی واقعی به نیروی زلزله، اهمیت دارد.

رایان با اشاره به زلزله نورتریج به عنوان نمونه‌ای از این پدیده گفت: «در گذشته، جامعه مهندسی زلزله، عمدتاً بر طراحی ساختاری سازه‌ها متمرکز بودند، اما در زلزله‌های گذشته، بسیاری از آسیب‌ها به سیستم‌های غیرساختاری وارد شده است.»
نهایتا امید داریم این پروژه نشان دهد که یک سازه چوبی بزرگ می‌تواند شاید حتی بهتر از سازه‌های بتنی، آجری یا فولادی در مقابل زلزله عمل کند و در عین حال دوستدار محیط زیست نیز هست.

با وجودی که کار ساخت TallWood در اوایل سال جاری به پایان رسیده است، اما تیم سازنده همچنان در حال انجام آخرین کارها، از جمله نصب بیش از ۷۰۰ حسگر برای ثبت داده‌هایی نظیر جابجایی ساختمان و شتاب آن هستند. همچنین آنها در ساختمان ده‌ها دوربین نصب می‌کنند تا زمانی که شوک‌های لرزه‌ای شبیه‌سازی می‌شوند، بتوانند این اتفاق را از زوایای مختلف ببینند؛ البته که این ساختمان هنگام آزمایش خالی خواهد بود! و آخرین مرحله قبل از شروع آزمایش بر روی TallWood ، تست سکوی لرزش است تا مطمئن شوند که سیستم‌های هیدرولیک آن پس از ماه‌ها استراحت، هنوز به درستی کار می‌کنند.

در اواخر بهار امسال که اجازه رسمی برای شروع لرزش‌ها به این ساختمان داده می‌شود، صدها نقطه‌ از داده‌ها با مدل‌های تیم تحقیقاتی مقایسه می‌شوند تا آنها ببینند چطور اجزای ساختمان روی هم قرار گرفته‌اند و آیا نیازی به انجام تنظیمات هست یا خیر. پی گفت: اگر آزمایش‌ها بر روی TallWood همانطور که انتظار دارند، پیش برود و اجزای ساختاری ساختمان دست‌نخورده باقی بمانند، امید دارند تا بتوانند از طراحی این ساختمان در ساختمان‌های دیگر استفاده کرده و قوانین ساخت و سازها در آینده نیز از آنها بهره گیرند. نهایتا تمام داده‌های این پروژه در یک پایگاه داده‌ها در دسترس عموم قرار خواهد گرفت تا محققان دیگر بتوانند از نتایج آن در مدل‌ها و آزمایش‌های خود استفاده کنند.