ویژگی‌های مقاوم در برابر زلزله در ساختمان‌های فلزی چیست؟

شکل‌پذیری و عملکرد لرزه‌ای ساختمان‌های سازه‌ای فولادی

درک شکل‌پذیری سازه‌های فولادی در مناطق لرزه‌ای

ساختمان‌هایی که با سازه‌های فولادی ساخته می‌شوند، تمایل دارند در زلزله به مراتب بهتر عمل کنند، زیرا فولاد قبل از شکستن می‌تواند تا حد قابل توجهی خم شود. بتن در مقابل، هنگام لرزش تنها ترک خورده و می‌شکند. در واقع فولاد با خمش و کشیده شدن کنترل‌شده، انرژی لرزش را جذب می‌کند. مطالعه‌ای که اخیراً توسط ژانگ و همکارانش انجام شده چیز جالبی نیز نشان داده است. آنها دریافتند که اتصالات بین تیرها و ستون‌ها در قاب‌های فولادی، حدود ۸۵ درصد از ظرفیت باربری خود را حتی پس از کشیده شدن فراتر از حد معمول حفظ می‌کنند. این ویژگی باعث می‌شود این سازه‌ها واقعاً در مقابله با انواع حرکت‌های ناشی از زلزله عملکرد خوبی داشته باشند.

چگونه شکل‌پذیری از شکست شکننده در زلزله جلوگیری می‌کند

توانایی فولاد در کشیده شدن و خم شدن تحت فشار، به ساختمان‌های ساخته‌شده از آن کمک می‌کند تا انرژی زلزله را به حرکت واقعی تبدیل کنند، نه اینکه یکدفعه فرو بریزند. به عنوان مثال، فولاد Q690 را در نظر بگیرید؛ پژوهشی که سال گذشته منتشر شد نشان داد این مواد با مقاومت بالا قبل از شکست نهایی حدود ۲۲٪ کشیده می‌شوند. این بدین معناست که وقتی زمین شدید لرزید، فولاد به شکلی خم می‌شود که ما بتوانیم آن را پیش‌بینی کنیم. آنچه بعد از آن اتفاق می‌افتد نیز بسیار هوشمندانه است: قاب‌های فولادی انعطاف پیدا می‌کنند و تنش را از نقاط حیاتی اتصال بین بخش‌های مختلف ساختمان دور می‌کنند. همین موضوع است که باعث می‌شود در مقایسه با مواد سفت‌تری که به جای اینکه به تدریج اعوجاج پیدا کنند، می‌شکنند، شاهد فاجعه‌های کامل کمتری باشیم.

طراحی لرزه‌ای مبتنی بر عملکرد با استفاده از شکل‌پذیری

مقررات مدرنی مانند ASCE 7-22 تأکید دارند طراحی لرزه‌ای مبتنی بر عملکرد , جایی که مهندسان شکل‌پذیری ساختمان را متناسب با خطر لرزه‌ای خاص آن تنظیم می‌کنند. پارامترهای کلیدی شامل:

• نسبت‌های شکل‌پذیری (µ ≥ 6 برای مناطق پرخطر) برای اندازه‌گیری توان تغییر شکل
• عوامل مقاومت بیشتر (Ω ≥ 3) که استحکام باقیمانده پس از تسلیم را تضمین می‌کند
  نشان داده شده است که این رویکرد هزینه‌های تعمیر پس از زلزله را نسبت به طرح‌های متداول ۴۰٪ کاهش می‌دهد (فَنگ و همکاران، ۲۰۲۲).

مطالعه موردی: قاب‌های فولادی با شکل‌پذیری بالا در آیین‌نامه‌های طراحی لرزه‌ای ژاپن

قانون استانداردهای ساختمانی ۲۰۲۲ ژاپن استفاده از فولاد SN490B را برای ساختمان‌های بلندمرتبه در مناطق مستعد زلزله الزامی کرده است. این نوع خاص فولاد دارای استحکام تسلیم حدود ۳۲۵ مگاپاسکال بوده و استحکام کششی آن تا ۴۹۰ مگاپاسکال می‌رسد. پس از زلزله بزرگ توهوکو در سال ۲۰۱۱، مهندسان چیز جالبی در مورد ساختمان‌های ساخته‌شده با این درجه خاص فولاد نسبت به مواد ساختمانی معمولی متوجه شدند. آن‌ها دریافتند که این سازه‌ها پس از وقوع لرزش‌ها حدود ۳۰ درصد کمتر درفت باقیمانده داشتند. چرا این اتفاق می‌افتد؟ خُب، معماران ژاپنی چیزی را توسعه داده‌اند که آن را قاب‌های شکل‌پذیر ترکیبی می‌نامند. این سیستم‌ها شامل مهاربندهای مهارشده در برابر کمانش همراه با اتصالات مقاوم در برابر لنگر در سراسر سازه ساختمان هستند. جزئیات نحوه عملکرد این سیستم‌ها در کنار هم، در واقع به‌طور دقیق در مدرک استاندارد JIS G 3136:2022 آورده شده است.

سیستم‌های قاب مقاوم در برابر لنگر و قاب مهاربندی‌شده در ساختمان‌های فولادی

اصول قاب‌های مقاوم در برابر لنگر در طراحی سازه‌های فولادی

ساختمان‌های فولادی اغلب به منظور مقاومت اصلی در برابر زلزله، به قاب‌های مقاوم در برابر لنگر یا MRFها وابسته هستند. این سیستم به دلیل اتصالات محکم بین تیرها و ستون‌ها عمل می‌کند که به سازه اجازه می‌دهد در مقابل نیروهای جانبی، خم شود نه اینکه بشکند. هنگام وقوع زلزله، این اتصالات جوشی به ساختمان اجازه می‌دهند تا در حدود ۴ درصد از ارتفاع کل خود تاب بخورد، در حالی که ساختار آن پایدار باقی می‌ماند. این حرکت کنترل‌شده به جذب بخش عمده‌ای از انرژی لرزشی کمک می‌کند قبل از اینکه بتواند خسارت واقعی یا بدتر از آن، فروپاشی کامل سازه را ایجاد کند.

اتصالات صلب و انعطاف‌پذیری کنترل‌شده تحت بارهای لرزه‌ای جانبی

چیزی که باعث می‌شود قاب‌های مقاوم در برابر جانبی (MRF) به خوبی کار کنند، ترکیب مناسب آنها بین سفتی و انعطاف‌پذیری کافی است. وقتی به جزئیات ساختاری نگاه می‌کنیم، جوش‌های نفوذ کامل همراه با پیچ‌های با استحکام بالا اتصالاتی را تشکیل می‌دهند که در استفادهٔ روزمره بسیار محکم باقی می‌مانند، اما در شرایط بحرانی به‌صورت کنترل‌شده اجازه می‌دهند تغییر شکل رخ دهد. بر اساس شبیه‌سازی‌های اخیر انجمن مهندسان سازه کالیفرنیا در سال ۲۰۲۳، ساختمان‌های مجهز به این نوع سیستم‌ها در حوادث بزرگ، بین ۲۵ تا ۴۰ درصد تنش اوج کمتری نسبت به قاب‌های معمولی بتنی تجربه می‌کنند. این تفاوت عملکردی در طول زمان برای یکپارچگی سازه بسیار مهم است.

مهاربندهای مهارشده در برابر کمانش (BRBs) و استهلاک انرژی در قاب‌های مهاربندی‌شده

BRBs با ترکیب هسته‌ای فولادی برای میرایی انرژی و پوسته‌ای توپر از بتن که از کمانش جلوگیری می‌کند، قاب‌های مهاربندی شده را بهبود می‌بخشد. در زلزله ۲۰۱۱ توهوکو، ساختمان‌های مجهز به BRB حدود ۶۰٪ کمتر از ساختمان‌های دارای مهاربندهای سنتی، نوسان باقیمانده تجربه کردند. همچنین هسته‌های استاندارد و قابل تعویض آنها تعمیرات پس از حادثه را سریع‌تر و کارآمدتر می‌کند و از نظر هزینه و مقاومت عملکرد بهتری دارد.

مزایای طراحی قاب‌های مهاربندی خارکنترو (EBF) برای پاسخ شکل‌پذیر

قاب‌های مهاربندی خارکنترو (EBFs) مهاربندها را به صورت غیرمرکزی قرار می‌دهند تا مناطق مشخصی به عنوان «فیوز» ایجاد شوند که در آن‌ها تغییر شکل پلاستیک در هنگام فعالیت لرزه‌ای رخ می‌دهد و اتصالات سازه‌ای مهم را محافظت می‌کند. بر اساس گزارش شورای فناوری کاربردی (2023)، سیستم‌های EBF پس از زلزله‌های متوسط، هزینه‌های تعمیر را نسبت به طرح‌های فقط MRF به میزان ۳۰ تا ۵۰ درصد کاهش می‌دهند و کنترل آسیب و مزایای اقتصادی بهتری ارائه می‌دهند.

مطالعه موردی: اجرای BRB در تایپه ۱۰۱

برج معروف تایپه ۱۰۱ بلندی ۵۰۸ متر دارد و ویژگی بسیار خاصی در طراحی خود دارد. این ساختمان در واقع دارای ۱۶ سیستم پشتیبانی خاص به نام تقویت‌کننده‌های مهارشده در برابر کمانش (BRB) است که در هشت طبقه مختلف پراکنده شده‌اند. این تقویت‌ها به‌طور خاص برای مقابله با بادهای شدید توفان‌های تایفون و محافظت در برابر لرزش زلزله نصب شده‌اند. پس از افزودن این تقویت‌ها، آزمایش‌ها نتایج قابل توجهی را نشان دادند. حرکت ناشی از باد حدود ۳۵٪ کاهش یافت، در حالی که مقدار انرژی زلزله که به افراد داخل ساختمان می‌رسید تقریباً به میزان ۵۰٪ کاهش یافت. این موضوع بر اساس تحقیقات مرکز تحقیقات مهندسی زلزله تایوان در سال ۲۰۲۲، نشان می‌دهد که چگونه این سیستم‌های BRB می‌توانند ساختمان‌های فولادی بسیار بلند را در حوادث شدید جوی بسیار پایدارتر کنند.

فناوری‌های میرایی انرژی و جلوگیری از آسیب

میراگرهای شکاف‌دار، میراگرهای صفحه برشی و فیوزهای سازه‌ای در ساختمان‌های فولادی

سازه‌های فولادی امروزه اغلب شامل فناوری‌های پیشرفته میرایی انرژی هستند که از جمله آن‌ها می‌توان به میراگرهای شکاف‌دار، صفحات برشی و فیوزهای ساختاری ساخته‌شده از مواد فولادی با شکل‌پذیری بالا اشاره کرد. ارزش این اجزا در توانایی آن‌ها برای جذب انرژی زلزله هنگام تسلیم شدن به‌صورت کنترل‌شده نهفته است که به حفاظت از قسمت‌های اصلی تحمل بار ساختمان کمک می‌کند. تحقیقات نشان می‌دهد که سیستم‌های طراحی‌شده به‌درستی می‌توانند قبل از اینکه نیروها به اجزای ساختاری مهم برسند، حدود ۷۰ درصد از نیروی تولیدشده در زلزله را به خود اختصاص دهند. این سطح از عملکرد باعث شده بسیاری از مهندسان این راه‌حل‌ها را در پروژه‌های زیرساخت‌های حیاتی که در آن‌ها حاشیه ایمنی باید بیشینه شود، به کار بگیرند.

فیوزهای قابل تعویض و کارایی تعمیر پس از زلزله

فیوزهای ساختاری آسیب را به مؤلفه‌های از پیش طراحی‌شده و قابل تعویض محدود می‌کنند که باعث تسریع قابل توجه در بازیابی می‌شود. در پروژه‌های اصلاحی اخیر در کالیفرنیا، ساختمان‌های مجهز به فیوزهای قابل تعویض زمان بازگشایی خود را تا ۵۸٪ کاهش دادند. طراحی ماژولار امکان تعویض واحدهای آسیب‌دیده را در عرض چند ساعت فراهم می‌کند و بدین ترتیب توقف فعالیت و پیچیدگی تعمیرات به حداقل می‌رسد.

سیستم‌های خودمرکز‌کننده که اریبش باقیمانده را در سازه‌های فولادی کاهش می‌دهند

سیستم‌های خودمرکز، با ترکیب کابل‌های فولادی پس‌تنیده و آلیاژهای هوشمند شکل‌دهنده (SMAs) که به آنها می‌گوییم، کار می‌کنند. این سیستم‌ها به ساختمان‌ها کمک می‌کنند پس از وقوع زلزله دوباره به محل اولیه خود بازگردند. طبق تحقیقات منتشر شده توسط دانشگاه نوادا در سال 2023، این سیستم‌ها از جابجایی ساختمان بیش از نیم درصد پس از پایان لرزش جلوگیری می‌کنند؛ بدین معنا که آسانسورها همچنان به‌درستی کار می‌کنند و نمای خارجی ساختمان بدون آسیب باقی می‌ماند. عامل این امر چیست؟ کشش ایجاد شده در کابل‌های فولادی و نحوه تغییر شکل این آلیاژهای SMAs هنگام گرم یا سرد شدن است که نوعی دکمه بازنشانی داخلی برای سازه‌ها ایجاد می‌کند و آنها را در طول زمان و علیرغم لرزش‌های مکرر، بسیار عملکردی‌تر می‌سازد.

بینش داده: ۴۰٪ کاهش در تغییر شکل پس از زلزله با استفاده از فیوزها (NIST، 2022)

آزمایش‌های انجام‌شده توسط مؤسسه ملی استانداردها و فناوری نشان داد که قاب‌های فولادی مجهز به فیوزها حدود ۴۰ درصد تغییر شکل دائمی کمتری نسبت به طرح‌های سنتی تجربه می‌کنند. دلیل چیست؟ این سیستم‌ها مفاصل پلاستیکی را در قسمت‌های خاص و قابل تعویض متمرکز می‌کنند، نه اینکه آسیب را در سراسر سازه پخش کنند؛ بنابراین قاب اصلی حتی پس از تنش‌های شدید نیز کشسان باقی می‌ماند. هنگامی که محققان در شرایط آزمایشگاهی شبیه‌سازی کردند که چه اتفاقی در زلزله‌ای به بزرگی ۷٫۰ رخ می‌دهد، کشف کردند که این ساختمان‌ها در مقایسه با مدل‌های استاندارد حدود دو سوم کار تعمیراتی کمتری نیاز دارند. این تفاوت چشمگیر باعث می‌شود تا این سازه‌ها در بلندمدت بسیار بادوام‌تر باشند و در آینده هزینه‌های تعمیر و نگهداری را کاهش دهند.

جداکننده پایه و مواد هوشمند در سازه‌های فولادی مدرن

سیستم‌های جداسازی پایه برای عزل لرزه‌ای در ساختمان‌های فولادی

سیستم‌های جداسازی پایه با ایزوله کردن بخش بالایی یک ساختمان از لرزش ناشی از زلزله، عمل می‌کنند. این سیستم‌ها معمولاً از لایه‌های لاستیکی یا صفحات لغزان استفاده می‌کنند که می‌توانند طبق تحقیقات مؤسسه تحقیقات مهندسی زلزله در سال ۲۰۲۳، حدود ۸۰ درصد از انرژی زلزله را جذب کنند. بررسی مثال‌های واقعی به درک بهتر این موضوع کمک می‌کند. هنگامی که محققان ساختمان‌های صنعتی واقع در مناطق مستعد زلزله را بررسی کردند، چیز جالبی کشف کردند. ساختمان‌های مجهز به این سیستم‌های جداسازی، حدود ۶۸ درصد آسیب کمتری به سازه خود نسبت به ساختمان‌های معمولی بدون چنین محافظتی داشتند. این امر تفاوت چشمگیری در سطح ایمنی و هزینه‌های تعمیر پس از وقوع زلزله ایجاد می‌کند.

آلیاژهای حافظه‌دار شکل (NiTi SMA) در طراحی فولاد مقاوم در برابر زلزله

آلیاژهای حافظه‌دار شکل نیکل-تیتانیوم، که به طور رایج به عنوان NiTi SMA شناخته می‌شوند، اجازه می‌دهند قطعات فولادی پس از تغییر شکل در زلزله به شکل اولیه خود بازگردند. این مواد قادر به دستیابی به حدود ۹۴٪ بازیابی شکل هستند، حتی زمانی که تا ۶٪ کشیده شده باشند. مهندسان شروع به استفاده از این مواد هوشمند در اتصالات تیر و ستون کرده‌اند که در آن‌ها به حفظ استحکام ساختمان‌ها کمک می‌کنند و آسیب‌های دائمی ناشی از لرزش‌ها را به حداقل می‌رسانند. بسیاری از استانداردهای برتر ساختمان در مناطق زلزله‌خیز اکنون استفاده از تقویت‌کننده‌های SMA را در مناطق مستعد لرزش توصیه می‌کنند، که امری است که با توجه به به‌روزرسانی‌های اخیر در مشخصات مواد هوشمند در صنایع ساخت‌وساز، به یک روش استاندارد تبدیل شده است.

ادغام حسگرها و فناوری‌های میرایی تطبیقی

ساختمان‌های فولادی پیشرفته از حسگرهای ارتعاشی همراه با میراگرهای نیمه-فعال استفاده می‌کنند که به صورت لحظه‌ای سفتی خود را تنظیم می‌کنند. این سیستم‌ها در عرض 0.2 ثانیه به حرکت زلزله واکنش نشان می‌دهند و اتلاف انرژی را بهینه می‌کنند. الگوریتم‌های یادگیری ماشین داده‌های حسگرها را تحلیل می‌کنند تا غلظت تنش را پیش‌بینی کرده و بارها را به طور پیشگیرانه در طول دنباله‌های بلندتر لرزش، دوباره توزیع کنند و بدین ترتیب مقاومت کلی را افزایش دهند.

‫سوالات متداول‬

۱. شکل‌پذیری چیست و چرا در سازه‌های فولادی در هنگام زلزله مهم است؟
شکل‌پذیری به توانایی ماده برای تغییر شکل قابل توجه قبل از شکست اشاره دارد. در سازه‌های فولادی، شکل‌پذیری اجازه می‌دهد که در هنگام زلزله خمش و کشش اتفاق بیفتد که این امر منجر به اتلاف انرژی و جلوگیری از شکست شکننده می‌شود.

۲. قاب‌های مقاوم لحظه‌ای (MRFs) چگونه به ساختمان‌های فولادی در هنگام وقایع لرزه‌ای کمک می‌کنند؟
سیستم‌های قاب فولادی مقاوم (MRFs) ارتباط محکمی بین تیرها و ستون‌ها ایجاد می‌کنند و امکان خمش کنترل‌شده در هنگام زلزله را فراهم می‌آورند. این انعطاف‌پذیری با جذب انرژی لرزش، خسارت را کاهش داده و یکپارچگی سازه ساختمان را حفظ می‌کند.

3. مهاربندهای بازدارنده کمانش (BRBs) چیستند و نقش آنها در ساخت‌وساز چیست؟
مهاربندهای بازدارنده کمانش (BRBs) از یک مغزه فولادی و پوشش بتنی تشکیل شده‌اند که از کمانش جلوگیری می‌کنند. این مهاربندها به استهلاک انرژی در قاب‌های مهاربندی‌شده کمک کرده، نوسان باقیمانده در هنگام زلزله را کاهش داده و تعمیرات پس از حادثه را ساده‌تر می‌کنند.

4. سیستم‌های جداسازی پایه چگونه در مناطق مستعد زلزله کمک می‌کنند؟
سیستم‌های جداسازی پایه با استفاده از لایه‌های لاستیکی یا لغزان، سازه ساختمان را از فعالیت‌های لرزه‌ای جدا می‌کنند. این سیستم‌ها انرژی قابل توجهی از زلزله را جذب کرده و خطر آسیب به سازه را کاهش می‌دهند.