سٹیل کے ڈھانچے والی عمارتوں میں زلزلہ برداشت کرنے کی کون سی خصوصیات ہوتی ہیں؟

سٹیل کے ڈھانچے والی عمارتوں کی لچک اور زلزلا کارکردگی

زلزلہ زونز میں سٹیل کے ڈھانچے کی لچک کو سمجھنا

سٹیل کے ڈھانچوں سے تعمیر کردہ عمارتیں زلزلوں کے دوران زیادہ بہتر طریقے سے کھڑی رہتی ہیں کیونکہ سٹیل ٹوٹنے سے پہلے کافی حد تک موڑا جا سکتا ہے۔ دوسری طرف، کانکریٹ صرف دراڑیں پڑ جاتی ہے اور ٹوٹ جاتی ہے جب اسے ہلا دیا جاتا ہے۔ سٹیل واقعی لچکدار اور کنٹرول شدہ انداز میں خم ہو کر اور پھیل کر حرکت کی توانائی کو جذب کرتا ہے۔ حال ہی میںژانگ اور ساتھیوں نے ایک مطالعہ کیا جس میں ایک دلچسپ بات سامنے آئی۔ انہوں نے پایا کہ سٹیل فریموں میں بلیمز اور کالمز کے درمیان وصلی کے مقامات عام حد سے زیادہ پھیلنے کے بعد بھی اپنی حاملیت کا تقریباً 85 فیصد برقرار رکھتے ہیں۔ اس وجہ سے یہ ڈھانچے زلزلے کی وجہ سے پیدا ہونے والی تمام قسم کی حرکتوں کو برداشت کرنے میں بہت اچھے ثابت ہوتے ہیں۔

لچکداری زلزلوں کے دوران نشستہ ناکامی کو کیسے روکتی ہے

دباو کے تحت سٹیل کے پھیلنے اور مڑنے کی صلاحیت عمارتوں کو زلزلے کی توانائی کو فوری طور پر گرنے کے بجائے عملی حرکت میں تبدیل کرنے میں مدد دیتی ہے۔ مثال کے طور پر Q690 سٹیل لیجیے، گزشتہ سال شائع ہونے والی تحقیق نے ظاہر کیا کہ ان مضبوط مواد کو ٹوٹنے سے پہلے تقریباً 22% تک پھیلایا جا سکتا ہے۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ جب زمین شدید جھٹکے محسوس کرتی ہے، تو سٹیل کو اس طرح مڑتا ہے جس کی ہم واقعی پیشن گوئی کر سکتے ہیں۔ اس کے بعد جو کچھ ہوتا ہے وہ بھی بہت ذہین ہوتا ہے: سٹیل کے فریم لچک دکھاتے ہیں اور دباؤ کو عمارت کے مختلف حصوں کے درمیان ان انتہائی اہم رابطوں کے مقامات سے دور منتقل کر دیتے ہیں۔ یہی وجہ ہے کہ لچکدار سٹیل کے مقابلے میں وہ سخت مواد جو آہستہ آہستہ دب کے نہیں بلکہ اچانک ٹوٹ جاتے ہیں، اکثر مکمل تباہی کا باعث نہیں بنتے۔

لچک کے استعمال سے کارکردگی پر مبنی زلزلہ روک تھام کی تعمیر

جدید ضوابط جیسے ASCE 7-22 زور دیتے ہیں کارکردگی پر مبنی زلزلہ روک تھام کی تعمیر ، جہاں ماہرین تعمیرات عمارت کی لچک کو اس کے مخصوص زلزلہ خطرے کے مطابق ڈھالتے ہیں۔ اہم پیرامیٹرز میں شامل ہیں:

• لچک کے تناسب (µ ≥ 6 زیادہ خطرے والے علاقوں کے لیے) تبدیلی کی صلاحیت کو ناپنے کے لیے
• اضافی طاقت کے عوامل (Ω ≥ 3) بہاؤ کے بعد باقیماندہ طاقت کو یقینی بنانے کے لیے
  اس طریقہ کار سے زلزلہ کے بعد مرمت کی لاگت میں روایتی ڈیزائن کے مقابلے میں 40 فیصد کمی آئی ہے (فینگ و دیگر، 2022)۔

کیس اسٹڈی: جاپان کے زلزلہ ڈیزائن کوڈز میں زیادہ شکل میں تبدیل ہونے والے اسٹیل فریمز

جاپان میں 2022 کے عمارت معیاری قانون کے مطابق زلزلہ زدہ علاقوں میں واقع بلند و بالا عمارتوں کے لیے SN490B سٹیل کے استعمال کی ضرورت ہوتی ہے۔ اس خاص قسم کی سٹیل کی ییلڈ سٹرینتھ تقریباً 325 میگا پاسکل ہوتی ہے جبکہ کشیدگی کی صلاحیت (tensile strength) 490 میگا پاسکل تک پہنچ جاتی ہے۔ 2011 میں وقوع پذیر ہونے والے بڑے توہوکو زلزلے کے بعد، انجینئرز نے اس خصوصی درجے کی سٹیل سے تعمیر کردہ عمارتوں کے بارے میں ایک دلچسپ بات نوٹ کی، جس کا موازنہ عام تعمیراتی مواد سے کیا گیا تھا۔ انہوں نے پایا کہ جنبش کے واقعات کے بعد ان ساختوں میں باقی ماندہ جھکاؤ (residual drift) تقریباً 30 فیصد کم ہوتا تھا۔ اسا کیوں ہوتا ہے؟ حیرت انگیز بات یہ ہے کہ جاپانی معماروں نے جو کچھ ترقی دی ہے وہ ہائبرڈ ڈکٹائل فریمز کہلاتی ہے۔ یہ نظام عمارت کی ساخت میں بکلنگ ری سٹرینڈ برسز کو مومنٹ ریزسٹنگ کنکشنز کے ساتھ جوڑتے ہیں۔ اس سب کے کام کرنے کے طریقہ کار کی تفصیلات درحقیقت JIS G 3136:2022 معیاری دستاویز میں تفصیل سے بیان کی گئی ہیں۔

سٹیل کی عمارتوں میں مومنٹ مزاحمت اور بریسڈ فریم کے نظام

سٹیل ساخت والی عمارت کی تعمیر میں مومنٹ رزسٹنگ فریمز کے اصول

سٹیل کی عمارتوں میں زلزلوں کے خلاف بنیادی حفاظت کے طور پر اکثر مومنٹ رزسٹنگ فریمز یا MRFs پر انحصار کیا جاتا ہے۔ یہ نظام بلیمز اور کالمز کے درمیان مضبوط کنکشنز کی وجہ سے کام کرتا ہے، جو عمارت کو جانبی قوتوں کے مقابلے میں ٹوٹنے کے بجائے مڑنے کی اجازت دیتے ہیں۔ جب زلزلہ آتا ہے، تو یہ ویلڈڈ جوائنٹس عمارت کو اس کی کل بلندی کا تقریباً 4 فیصد حد تک جھکنے دیتے ہیں، جبکہ تمام چیزوں کو قائم رکھتے ہیں۔ یہ کنٹرول شدہ حرکت عمارت کو نقصان یا بدترین صورت میں عمارت کے مکمل گرنے سے پہلے لرزش کی توانائی کا زیادہ تر حصہ سونپنے میں مدد دیتی ہے۔

جانبی زلزلا کے بوجھ کے تحت سخت کنکشنز اور کنٹرول شدہ لچک

ایم آر ایف کو اس قدر مؤثر بنانے کا سبب یہ ہے کہ وہ سخت اور لچکدار ہونے کے درمیان بالکل مناسب توازن قائم کرتے ہیں۔ جب ہم تعمیر کی تفصیلات پر نظر ڈالتے ہیں، تو مکمل نفوذ والی ویلڈنگز اور ان مضبوط بولٹس کا مرکب ایسے کنکشن تشکیل دیتے ہیں جو روزمرہ استعمال کے دوران مستحکم رہتے ہیں، لیکن جب شدید حالات پیدا ہوتے ہیں تو وہ کنٹرول شدہ طریقے سے ڈھہ جاتے ہیں۔ کیلیفورنیا کے سٹرکچرل انجینئرز ایسوسی ایشن کی جانب سے 2023 میں کی گئی حالیہ ماڈلنگ کے مطابق، ایسے نظام والی عمارتوں میں بڑے واقعات کے دوران عام کنکریٹ فریمز کے مقابلے میں تناؤ کی شدت میں 25 سے 40 فیصد تک کمی ہوتی ہے۔ وقتاً فوقتاً ساختی یکجہتی کے لحاظ سے اس قسم کا امتیازی کارکردگی بہت اہمیت رکھتا ہے۔

بولٹنگ-رجسٹریڈ بریسس (BRBs) اور بریسڈ فریمز میں توانائی کا ضیاع

BRBs بکنے سے بچانے کے لیے سٹیل کور کو کنکریٹ سے بھرے ہوئے خول کے ساتھ ملاتے ہوئے برسٹ فریم کو بہتر بناتے ہیں۔ 2011 کے توهوکو زلزلے کے دوران، روایتی برسٹ والی عمارتوں کے مقابلے میں BRB سے لیس عمارتوں میں باقی ماندہ ڈرائیف میں 60% کمی آئی۔ ان کے معیاری، تبدیل شدہ کورز کی وجہ سے واقعے کے بعد مرمت کا عمل بھی آسان ہوتا ہے، جس سے لاگت کی موثریت اور مضبوطی میں بہتری آتی ہے۔

لچکدار ردعمل کے لیے غیر مرکزی طور پر برسٹ فریمز (EBF) کے ڈیزائن کے فوائد

غیر مرکزی طور پر برسٹ فریمز (EBFs) برسٹ کو غیر مرکزی مقام پر رکھتے ہیں تاکہ زلزلہ کے دوران پلاسٹک تبدیلی کا شکار ہونے والے مخصوص 'فیوز' علاقوں کو تشکیل دیا جا سکے، جس سے اہم ساختی جوڑوں کی حفاظت ہوتی ہے۔ ایپلائیڈ ٹیکنالوجی کونسل (2023) کے مطابق، EBF سسٹمز روایتی MRF ڈیزائن کے مقابلے میں معتدل زلزلوں کے بعد مرمت کی لاگت میں 30 تا 50% کمی کرتے ہیں، جو نقصان کے کنٹرول اور معاشی فوائد میں بہتری فراہم کرتے ہیں۔

کیس اسٹڈی: تائی پے 101 میں BRB کا نفاذ

عیار تائیپے 101 ٹاور 508 میٹر اونچا ہے اور اس کے ڈیزائن میں کچھ منفرد خصوصیات موجود ہیں۔ عمارت میں واقعی آٹھ مختلف منزلوں پر پھیلے ہوئے بکلنگ ری سٹرینڈ بریسز کے نام سے جانے جانے والے 16 خصوصی حمایتی نظام موجود ہیں۔ انہیں خاص طور پر شدید طوفانی ہواؤں کا مقابلہ کرنے اور زلزلے کے جھٹکوں سے بچاؤ کے لیے نصب کیا گیا تھا۔ جب یہ مضبوطیاں شامل کی گئیں، تو تجربات نے متاثر کن نتائج ظاہر کیے۔ ہوا کی وجہ سے حرکت تقریباً 35 فیصد تک کم ہو گئی، جبکہ عمارت کے اندر موجود افراد تک پہنچنے والی زلزلے کی توانائی میں تقریباً 50 فیصد کمی آئی۔ تحقیق سے پتہ چلتا ہے کہ 2022 میں تائیوان زلزلہ انجینئرنگ تحقیقاتی مرکز کی رپورٹ کے مطابق ان بلند و بالا سٹیل کی عمارتوں کو شدید موسمی حالات کے دوران کتنی استحکام فراہم کرتے ہیں۔

توانائی کے ضیاع اور نقصان سے بچاؤ کی ٹیکنالوجی

سلٹ ڈیمپرز، شیئر پینل ڈیمپرز، اور سٹیل کی عمارتوں میں ساختی فیوز

آج کے سٹیل ساختوں میں اکثر توانائی کو ضائع کرنے کی پیچیدہ ٹیکنالوجیز شامل ہوتی ہیں جن میں سلیٹ ڈیمپرز، شیئر پینلز اور ہائی ڈکٹائلٹی سٹیل مواد سے تعمیر کردہ ساختی فیوزز شامل ہیں۔ ان اجزاء کی اہمیت ان کی اس صلاحیت میں ہے کہ وہ زلزلے کی توانائی کو جذب کر سکتے ہیں جب وہ کنٹرول شدہ طریقے سے ناکام ہوتے ہیں، جس سے عمارت کے اہم بوجھ اٹھانے والے حصوں کی حفاظت ہوتی ہے۔ تحقیق سے پتہ چلتا ہے کہ مناسب طریقے سے ڈیزائن کردہ نظام زلزلے کے دوران پیدا ہونے والی تقریباً 70 فیصد قوت کو اس سے پہلے سنبھال سکتے ہیں کہ یہ اہم ساختی اجزاء تک پہنچے۔ اس قسم کی کارکردگی کی وجہ سے بہت سے انجینئرز ان حل کو ایسے اہم بنیادی ڈھانچے کے منصوبوں کے لیے اپنا رہے ہیں جہاں حفاظتی حدود کو زیادہ سے زیادہ کرنا ضروری ہو۔

تبدیل شدہ فیوزز اور زلزلے کے بعد مرمت کی کارکردگی

ساختی فیوز نقصان کو از قبل تیار شدہ، آسانی سے تبدیل ہونے والے اجزاء تک محدود کر دیتے ہیں، جس سے بحالی کا عمل نمایاں طور پر تیز ہو جاتا ہے۔ حالیہ کیلیفورنیا ریٹروفٹ منصوبوں میں، تبدیل ہونے والے فیوز سے لیس عمارتوں نے دوبارہ کھلنے کے وقت کے تعین کو 58 فیصد تک کم کر دیا۔ ماڈولر ڈیزائن سے متاثرہ یونٹس کو صرف گھنٹوں کے اندر تبدیل کیا جا سکتا ہے، جس سے بندش کا دورانیہ اور مرمت کی پیچیدگی کو کم سے کم کیا جاتا ہے۔

سٹیل کی ساختوں میں باقیاتی بے قاعدگی کو کم کرنے والے خودمرکزی نظام

خود مراکز کا نظام اسٹیل کے تاروں کو ان خاص شکل یادداشت والے مساویات کے ساتھ جوڑ کر کام کرتا ہے جنہیں ہم ایس ایم اے کہتے ہیں۔ یہ ترتیب زلزلے کے بعد عمارتوں کو اپنی اصل حالت میں واپس لانے میں مدد دیتی ہے۔ نیواڈا یونیورسٹی کی جانب سے 2022 میں شائع کردہ تحقیق کے مطابق، ایسے نظام عمارتوں کو لرزش بند ہونے کے بعد آدھے فیصد سے زیادہ منتقل ہونے سے روکتے ہیں، جس کا مطلب ہے کہ لفٹیں اب بھی مناسب طریقے سے کام کرتی ہیں اور عمارت کے خارجی حصے بغیر نقصان کے بالکل درست رہتے ہیں۔ یہ کیسے ممکن ہوتا ہے؟ اسٹیل کے تاروں میں موجود کشیدگی اور وہ طریقہ جس سے ایس ایم اے گرم یا ٹھنڈا ہونے پر اپنی شکل تبدیل کرتے ہیں، ساختوں کے لیے ایک قسم کا ری سیٹ بٹن پیدا کرتے ہیں، جو انہیں وقت کے ساتھ بار بار آنے والے جھٹکوں کے باوجود بہت زیادہ عملی بناتا ہے۔

اعداد و شمار کا اندازہ: فیوز استعمال کرنے سے زلزلے کے بعد تشکیل میں 40% کمی (NIST، 2022)

قومی ادارہ برائے معیارات و تکنیک کے ذریعہ کیے گئے تجربات سے پتہ چلا کہ فیوز سے لیس سٹیل فریم عام ڈیزائن کے مقابلے میں تقریباً 40 فیصد کم مستقل تشکیلِ نو کا شکار ہوتے ہیں۔ اس کی وجہ کیا ہے؟ ان نظاموں میں نقصان پوری عمارت میں پھیلنے کے بجائے مخصوص تبدیل ہونے والے حصوں میں مرکوز پلاسٹک ہنگنگ ہوتی ہے، جس کی وجہ سے بڑے دباؤ کے بعد بھی مرکزی فریم لچکدار رہتی ہے۔ جب ماہرین نے تجربہ گاہ کے حالات میں 7.0 شدت کے زلزلے کے دوران کیا ہوتا ہے، اس کی نقالی کی تو انہوں نے ایک قابلِ ذکر بات دریافت کی کہ ان عمارتوں کی مرمت عام ماڈلز کے مقابلے میں تقریباً دو تہائی کم کارروائی کی ضرورت ہوتی ہے۔ اس قسم کا فرق انہیں طویل مدت تک کافی زیادہ مضبوط بناتا ہے اور آنے والے وقتوں میں مرمت کے اخراجات میں بچت کرتا ہے۔

جدید سٹیل ساخت میں بیس علیحدگی اور اسمارٹ مواد

سٹیل کی عمارتوں میں زلزلہ سے تحفظ کے لیے بیس علیحدگی کے نظام

بنیادی علیحدگی کے نظام اس طرح کام کرتے ہیں کہ وہ عمارت کے اوپری حصے کو زلزلے کے جھٹکوں سے علیحدہ کر دیتے ہیں۔ ان نظاموں میں عام طور پر ربڑ کی تہیں یا سلائیڈنگ پلیٹس کا استعمال ہوتا ہے، جو زلزلے کی تقریباً 80 فیصد توانائی کو سونگھ سکتی ہیں، جیسا کہ ارتھ کویک انجینئرنگ ریسرچ انسٹی ٹیوٹ کی 2023 کی تحقیق کے مطابق ہے۔ حقیقی دنیا کی مثالوں پر نظر ڈالنا اس بات کو واضح کرنے میں مدد دیتی ہے۔ جب محققین نے زلزلے کے خطرے والے علاقوں میں واقع صنعتی عمارتوں کا جائزہ لیا، تو انہیں ایک دلچسپ بات نظر آئی۔ ان علیحدگی کے نظام سے لیس عمارتوں میں اسی قسم کی حفاظت کے بغیر عام عمارتوں کے مقابلے میں تقریباً 68 فیصد کم ساختی نقصان ہوا۔ زلزلہ آنے کے بعد حفاظت اور مرمت کی لاگت کے لحاظ سے اس کا بہت بڑا فرق پڑتا ہے۔

زلزہ مقاوم سٹیل کی تعمیر میں شکل یادداشت مساویات (NiTi SMA)

نکل-ٹائیٹینیم شکل یادداشت مصنوعی معدنیات، جنہیں عام طور پر نکٹی ایس ایم اے کے نام سے جانا جاتا ہے، زلزلے کے دوران تشکیل تبدیل ہونے کے بعد سٹیل کے حصوں کو ان کی اصلی شکل میں واپس آنے کی اجازت دیتے ہیں۔ ان مواد کو 6 فیصد تک کھینچنے پر بھی تقریباً 94 فیصد شکل کی بازیابی حاصل کی جا سکتی ہے۔ انجینئرز نے ان ذہین مواد کو بلیم-کالم جوڑوں میں شامل کرنا شروع کر دیا ہے جہاں وہ عمارتوں کو مضبوطی سے کھڑے رہنے میں مدد کرتے ہیں اور لرزش کے باعث مستقل نقصان کو کم سے کم کرتے ہیں۔ زلزلہ زونز کے لیے بہت سی اعلیٰ عمارتی ضوابط اب ایس ایم اے مضبوطی کے استعمال کی تجویز کرتی ہیں خاص طور پر ہلنے والے علاقوں میں، جو حالیہ ترقیات کے مطابق تعمیراتی صنعتوں میں اسمارٹ مواد کی تفصیلات میں معیاری عمل بن رہا ہے۔

سینسرز اور موافقت پذیررِول کم کرنے کی ٹیکنالوجی کا ادراج

اعلیٰ درجے کی سٹیل کی عمارتوں میں وائبریشن سینسرز کا استعمال ہوتا ہے جو نصف فعال ڈمپرز کے ساتھ جڑے ہوتے ہیں اور جو حقیقی وقت میں سختی کو ڈھال دیتے ہیں۔ یہ نظام زلزلے کی حرکت کے 0.2 سیکنڈ کے اندر ردعمل ظاہر کرتے ہیں، توانائی کے ضائع ہونے کو بہترین بناتے ہیں۔ مشین لرننگ الگورتھم سینسر ڈیٹا کا تجزیہ کرتے ہیں تاکہ تناؤ کے مراکز کی پیش گوئی کی جا سکے اور طویل عرصے تک لرزش کی ترتیب کے دوران بوجھ کو فعال طریقے سے دوبارہ تقسیم کیا جا سکے، جس سے مجموعی طور پر مضبوطی بڑھ جاتی ہے۔

فیک کی بات

1. شکنیت کیا ہے اور زلزلے کے دوران سٹیل کی ساختوں میں اس کی اہمیت کیوں ہے؟
شکنیت سے مراد مواد کے ناکام ہونے سے پہلے قابلِ ذکر تبدیلی کی صلاحیت سے ہے۔ سٹیل کی ساختوں میں، شکنیت زلزلے کے دوران موڑنے اور پھیلنے کی اجازت دیتی ہے، جو توانائی کو ضائع کرتی ہے اور ناگہانی ناکامی کو روکتی ہے۔

2. زلزلے کے واقعات کے دوران مومینٹ مزاحمت والے فریموں (ایم آر ایف) سٹیل کی عمارتوں کو کیسے فائدہ پہنچاتے ہیں؟
ایم آر ایف عمارت کے ستونوں اور بیمز کے درمیان مضبوط کنکشن فراہم کرتے ہیں، جس سے زلزلے کے دوران قابو میں موڑ آ سکے۔ یہ لچکدار پن حرکت کی توانائی کو سونپ لیتا ہے اور نقصان کو کم کرتا ہے، جس سے عمارت کی ساختی سالمیت برقرار رہتی ہے۔

3. بکلنگ روکنے والے تقویتی تختے (بربس) کیا ہوتے ہیں اور تعمیرات میں ان کا کیا کردار ہوتا ہے؟
بربس ایک سٹیل کور اور کنکریٹ کی خول پر مشتمل ہوتے ہیں جو بکلنگ کو روکتے ہیں۔ یہ تقویتی فریموں میں توانائی کے ضیاع میں مدد کرتے ہیں، زلزلے کے دوران باقی ماندہ حرکت کو کم کرتے ہیں اور واقعے کے بعد مرمت کے عمل کو آسان بناتے ہیں۔

4. زلزلہ زدہ علاقوں میں بیس علیحدگی کے نظام کس طرح مدد کرتے ہیں؟
بیس علیحدگی کے نظام ربڑ یا سلیڈنگ لیئرز کا استعمال کرتے ہوئے عمارت کی ساخت کو زلزلوں سے الگ کر دیتے ہیں۔ یہ زلزلے کی قابلِ ذکر توانائی کو سونپ لیتے ہیں، جس سے ساخت کو ہونے والے نقصان کو کم کیا جا سکے۔