چرا ساختمان‌های فولادی در مقاومت در برابر زلزله و ظرفیت تحمل بار باد عملکرد بهتری نسبت به ساختمان‌های بتنی دارند؟

افراد اغلب فرض می‌کنند بتن به معنای استحکام است. این ماده محکم به نظر می‌رسد، غیرقابل‌حرکت به نظر می‌آید و در روزی آرام، امن‌ترین چیزی به نظر می‌رسد که می‌توانید کنار آن بایستید. اما لحظه‌ای که سازه‌ای بتنی را در معرض زلزله یا طوفان قرار می‌دهید، جایی که این استدلال دچار شکست می‌شود را مشاهده خواهید کرد. یک ساختمان فولادی نه‌تنها در محاسبات نظری از چنین شرایطی جان سالم به در می‌برد، بلکه دلیل عملکرد بهتر آن در رویدادهای شدید واقعی، به چند رفتار فیزیکی برمی‌گردد که تا زمانی که هر دو ماده را در شرایط جدی مشاهده نکنید، توجه‌تان را جلب نمی‌کنند.

روش مقابله فولاد با حرکت زمین با حرکت همراه با آن

به این فکر کنید که چه اتفاقی می‌افتد وقتی زمین لرزه می‌خورد. اگر سازه‌ای بسیار سفت و صلب بسازید، راهی برای جذب یا آزادسازی انرژی واردشده از پی نخواهد داشت. هر ترک و هر ضربه‌ای مستقیماً از پی به سمت بالا در سازه منتقل می‌شود تا جایی که چیزی شکسته شود. فولاد رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهد، زیرا دارای خاصیت شکل‌پذیری (دوکتیلیته) است؛ یعنی قبل از وقوع شکست، می‌تواند کمی کشیده شود، خم شود و تغییر شکل دهد. این بدان معناست که در طول یک رویداد لرزه‌ای، سازه‌های فولادی انرژی را با تغییر شکل الاستیک جذب می‌کنند، نه با ترک‌خوردن و شکستن. بتن در برابر فشار مقاومت بالایی دارد، اما شکننده است. تحت همان لرزش، تمایل به ایجاد ترک و پوسته‌پوسته شدن دارد که در نتیجه، آرماتورها آشکار شده و زنجیره‌ای از آسیب‌ها را آغاز می‌کند که متوقف کردن آن بسیار دشوارتر است.

جزئیات کلیدی دیگر، نحوه انتقال نیروها از طریق سازه‌ای فولادی است. اتصالات بین تیرها و ستون‌ها اغلب به‌گونه‌ای جوش‌داده یا پیچ‌بسته می‌شوند که امکان چرخش جزئی را بدون از دست دادن پایداری کلی فراهم می‌کنند. این اتصالات تقریباً مانند مفاصل عمل می‌کنند و تنش محلی را کاهش می‌دهند نه اینکه آن را متمرکز سازند. در قاب بتنی با گشتاوری (moment frame)، اتصالات یکپارچه هستند؛ بنابراین تنش به‌تدریج افزایش می‌یابد تا زمانی که مقطع به حد نهایی خود برسد. این تفاوت اساسی بین قابی است که با زمین «رقص» می‌کند و قابی که با آن «می‌جنگد».

نقش وزن هنگام وزش باد

بار باد نه تنها به این معناست که هوا چقدر قوی فشار می‌آورد، بلکه شامل مقدار جرم ساختمان و نحوه تعامل آن جرم با نیروی جانبی نیز می‌شود. سازه‌ای سنگین‌تر اینرسی بیشتری دارد و هنگامی که گُستی باد به آن برخورد می‌کند، این اینرسی باعث می‌شود ساختمان در جهتی که باد آن را هل می‌دهد ادامه حرکت دهد؛ که در صورت ناکافی بودن میرایی، ممکن است این تاب‌خوردگی را تشدید کند. یک ساختمان فولادی سبک‌تر از ساختمان بتنی معادل خود است که در واقع در شرایط بادهای شدید به نفع آن است. جرم کمتر به این معناست که پس از شروع عمل باد بر روی نمای ساختمان، اندازه حرکت (مومنتوم) کمتری ایجاد می‌شود. این ویژگی را با سفتی‌ای که می‌توان با یک قاب فولادی به‌خوبی پایدارشده به‌دست آورد ترکیب کنید، و نتیجه این خواهد بود که ساختمان به‌طور کلی کمتر منحرف می‌شود و سریع‌تر به موقعیت مرکزی خود بازمی‌گردد.

بتن سنگین است. این جرم در برخی شرایط، مانند مقاومت در برابر بلندشدن، کمک‌کننده است؛ اما هنگامی که باد با سرعت ۱۵۰ مایل در ساعت وزیده می‌شود، همان وزن به مشکلی تبدیل می‌گردد. یک سازه بتنی در صورت تنظیم نشدن دقیق، ممکن است دچار نوسانات ناخوشایند و مسائل تشدید رesonans شود. فولاد انعطاف‌پذیری بیشتری برای سفت‌سازی قاب در جاهای لازم، افزودن عناصر پایدارکننده و تنظیم پاسخ دینامیکی بدون مواجهه با وزن مرده فراهم می‌کند.

چرا مواد شکننده در هر دو سناریو با مشکل مواجه می‌شوند

برای درک اینکه چرا ساختمان‌های فولادی عملکرد بهتری نسبت به بتنی دارند، باید به حالت‌های شکست آن‌ها توجه کرد. فولاد معمولاً پیش از شکست، هشدارهایی را ارائه می‌دهد؛ یعنی تغییر شکل مشاهده می‌شود، صداهایی شنیده می‌شوند و زمان کافی برای واکنش وجود دارد. اما بتن به‌صورت ناگهانی شکست می‌خورد؛ یعنی پس از گسترش ترک از طریق یک مقطع بحرانی، ظرفیت کل مؤلفه تقریباً بلافاصله از بین می‌رود. در زمان زلزله، این تفاوت بسیار قابل توجه است: یک قاب فولادی ممکن است کمی کج شده یا جابه‌جا شود، اما تا زمانی که افراد بتوانند از ساختمان خارج شوند، همچنان روی پای خود باقی می‌ماند. اما دیوار برشی بتنی که ترک از آن عبور کرده باشد، در همان لحظه بیشتر مقاومت جانبی خود را از دست می‌دهد و ساختمان ممکن است بدون هشدار قابل توجهی دچار فروپاشی جزئی شود.

همین مورد در رویدادهای بادی نیز صدق می‌کند. شدّت باد به‌صورت تکرارشونده است و ساختمان را مکرراً تحت فشار قرار می‌دهد. فولاد می‌تواند میلیون‌ها چرخه بارگذاری را بدون ایجاد خستگی و شکست تحمل کند، زیرا سطح تنش‌ها همواره پایین‌تر از حد مقاومت در برابر خستگی باقی می‌ماند. بتن، به‌ویژه زمانی که دارای ترک‌های ریزی از بارگذاری‌های قبلی باشد، ممکن است تحت چرخه‌های تکرارشونده باد با گذشت زمان تخریب شود. آنچه ابتدا به‌صورت یک ترک مویی آغاز می‌شود، به مسیری برای نفوذ آب تبدیل می‌گردد، سپس خوردگی آغاز می‌شود و در نهایت بخشی از مقطع از بین می‌رود. این آسیب به‌صورت تجمعی رخ می‌دهد و از نظر بازرسی و تعمیر بسیار دشوار است.

چگونگی جذب انرژی توسط سازه‌های فولادی به‌صورت طبیعی

چیزی در مورد نحوهٔ مونتاژ ساختمان‌های فولادی وجود دارد که باعث ایجاد میرایی ذاتی در آن‌ها می‌شود. اتصالات پیچی مقدار کمی اصطکاک دارند. قاب‌های مهارشده شامل اعضایی هستند که تحت کشش و فشار قرار می‌گیرند و در هر چرخه، مقداری انرژی از طریق هیسترزیس تلف می‌شود. هیچ‌یک از این پدیده‌ها چشمگیر نیستند، اما تأثیر تجمعی قابل توجهی دارند. هنگامی که زلزله رخ می‌دهد، این انرژی باید به جایی منتقل شود. در سازه‌های بتنی، بخش عمده‌ای از این انرژی صرف ایجاد ترک در مصالح می‌شود که خسارتی دائمی است. اما در ساختمان‌های فولادی، بخش بیشتری از این انرژی از طریق خود سیستم سازه‌ای تلف می‌شود؛ بنابراین قاب سازه‌ای کمتر تحت ضربه‌های تجمعی قرار می‌گیرد.

باد رفتاری مشابه دارد. نوسانات باد، روکش را تحت بار و بدون بار قرار می‌دهند و این انرژی از طریق تیرهای افقی (گیرت) و تیرهای عرضی (پورلین) به قاب اصلی منتقل می‌شود. ساختمان فولادی با طراحی مناسب سیستم‌های پایدارکننده، این بارگذاری را به چرخه‌ای تکرارشونده با تنش کم تبدیل می‌کند که مصالح به‌طور طبیعی قادر به تحمل آن هستند. عناصر بتنی، به‌ویژه عناصر نازک، بارگذاری جانبی تکرارشونده را دوست ندارند. اتصال بین فولادهای آرماتور و بتن به‌تدریج تضعیف می‌شود و سختی مقطع در طول سال‌ها تغییر می‌کند.

مزیت انعطاف‌پذیری در طراحی و جزئیات اتصالات

یک تفاوت عملی این است که چگونه می‌توان عناصر مقاوم در برابر زلزله یا باد را به‌راحتی به قاب فولادی اضافه کرد. شما می‌توانید پیکربندی مهاربندی را دقیقاً برای جهت باد مؤثر در محل خود طراحی کنید. می‌توانید قاب‌های گشتاوری را در یک جهت و دالان‌های مهاربندی‌شده را در جهت دیگر اضافه کنید. همچنین می‌توانید از جداسازهای پایه با سازهٔ اصلی فولادی استفاده کنید و نتایج عالی‌ای به‌دست آورید، زیرا وزن سبک این سازه امکان عملکرد کارآمد جداسازها را فراهم می‌سازد. بتن معمولاً شما را به مجموعه‌ای محدود از سیستم‌های مقاوم در برابر نیروهای جانبی محدود می‌کند و اصلاح این سیستم‌ها در مراحل بعدی طراحی یا اجرای پروژه، پیچیده و پرهزینه است. در ساختمان‌های فولادی، جزئیات اتصالات استاندارد شده‌اند و می‌توان آن‌ها را با محاسبات ساده و مستقیم تأیید کرد. این امر به معنای این است که طراحی می‌تواند دقیقاً بر اساس سطح واقعی خطر تنظیم شود؛ بنابراین ساختمان هم ایمن‌تر و هم اقتصادی‌تر خواهد بود.

این امر برای مالکان ساختمان‌ها در مناطق زلزله‌خیز و بادخیز چه معنایی دارد

اگر قصد ساخت‌وساز در مکانی را دارید که زلزله یا باد شدید به‌طور معمول مورد نگرانی قرار می‌گیرند، انتخاب مصالح سازه‌ای تصمیمی جزئی نیست. ساختمان فولادی سیستمی پیش‌بینی‌پذیر، شکل‌پذیر و سبک‌وزن ارائه می‌دهد که بارهای جانبی را بدون تجمع آسیب‌های پنهان تحمل می‌کند. تعمیرات معمولاً ساده‌تر هستند، زیرا می‌توانید اعضای جداگانه را جایگزین یا تقویت کنید، بدون اینکه لازم باشد بخش‌های عظیم بتنی را تخریب کنید. همچنین رفتار بلندمدت این سیستم، به‌ویژه تحت بارگذاری‌های مکرر، پایدارتر و یکنواخت‌تر است.

این به معنای آن نیست که بتن نقشی ندارد. اما زمانی که سؤال به‌طور خاص درباره عملکرد در شرایط بارگذاری لرزه‌ای و بادی مطرح می‌شود، شواهد به‌وضوح به نفع فولاد تمایل دارند. جرم کمتر، شکل‌پذیری بیشتر، اتصالات مقاوم‌تر و الگوی خرابی‌ای که هشدار می‌دهد نه اینکه باعث شوک غیرمنتظره شود. این ترکیب تطبیق‌پذیری کمی دارد و دلیل آن است که امروزه بسیاری از پروژه‌ها در مناطق پرخطر به‌طور پیش‌فرض از ساختمان فولادی به‌عنوان سازه اصلی استفاده می‌کنند.