دستگاهی برای شبیه‌سازی زلزله

از این رو دستگاه‌های اجرایی مانند وزارت راه و شهرسازی به عنوان متولیان ساخت و ساز مسکن در کشور در تلاش هستند به کمک فناوری‌های پیشرفته مقاومت سازه‌ها را در برابر حوادث طبیعی افزایش دهند. میز لرزه از جمله فناوری‌هایی است که بررسی‌های دقیق‌تر بر نحوه کنترل رفتار ساختمان‌ها در برابر وقوع زمین لرزه را امکان‌پذیر می‌کند.

در مراکز تحقیقاتی که در زمینه زلزله‌شناسی و مهندسی زلزله فعالیت می‌کنند میز‌هایی تحت عنوان میزهای لرزه وجود دارد که می‌توان از این میزها برای ساخت یک سازه در مقیاس واقعی استفاده کرد. در زیر صفحه اصلی میز لرزه، جک‌های هیدرولیکی وجود دارد که لرزش‌هایی مشابه لرزش‌های زمین را به میز و ساختمانی که روی این میز قرار دارد وارد می‌کند. این میز مشاهده رفتار دینامیکی سازه را برای محققان فراهم می‌کند. پیش از ساخت واقعی سازه از میز لرزه کمک گرفته می‌شود تا روند طراحی و ساخت کنترل شده پیش رود.

وقتی سازه‌ای می‌لرزد

با استفاده از این میز می‌توان از نظر سازه‌ای و مکانیکی آزمایش‌های گوناگونی را براساس شدت و دقت مورد نیاز انجام داد. دکتر فرزاد حاتمی، عضو هیات علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر در گفت‌وگو با جام‌جم می‌گوید: میز لرزه میزی است که به طور اختصاصی برای زلزله طراحی شده است. به این میزها اصطلاحا Shaking Table گفته می‌شود. این میز مدل زلزله را شبیه‌سازی می‌کند و همان وضعی که در هنگام بروز زلزله برای یک ساختمان پیش می‌آید، یا تنش و فشاری که روی ساختمان اعمال می‌شود به کمک این میز شبیه‌سازی می‌شود. بنابراین شما می‌توانید وضع زلزله و رفتار سازه در برابر زلزله را به طور واقعی مدل‌سازی کنید و متوجه شوید در مراحل طراحی و اجرا چه نقاط ضعفی وجود داشته است.

این نقطه ضعف پیش آمده نه‌ فقط از نظر ضوابط آیین‌نامه‌ای بلکه از نظر ماهیت زلزله حائز اهمیت است. اگر ماهیت زلزله تابع شرایط رخداد آن باشد یعنی تابع شرایط ژئوتکنیکی و کانون زلزله است. بنابراین هر سازه در برابر زلزله رفتار خاص خودش را دارد. این ویژگی باید حتما مورد ارزیابی دقیق قرار گیرد. برای سازه‌های خاص مانند پل‌ها و ساختمان‌های مرتفع یا سازه‌هایی که از اهمیت بالایی برخوردارند همیشه شاهد این اتفاق هستیم.

به عبارتی برای این سازه‌ها لازم است طیف ویژه ساختگاه را به دست آوریم، آزمایش‌های واقعی انجام دهیم و در نهایت خروجی‌ها را تست کرده و مورد بررسی قرار دهیم. همه این موارد بدیهی بوده و اتفاقاتی است که معمولا رخ می‌دهد. با این میز لرزه می‌توان عملا یک سازه واقعی را در ابعاد و اندازه‌های مختلف کوچک یا بزرگ مدلسازی کرده و ویژگی‌های ساختاری آن را مورد بررسی قرار داد. ابعاد این میز لرزه‌ای که ما ساخته‌ایم 4×5‌‌/‌‌2 متر است و حدود 25 سانتی متر می‌تواند جا‌به‌جایی داشته باشد. شتابی که این میز لرزه می‌تواند ایجاد کند حدود 5‌‌/‌‌1 برابر شتاب ثقل و سرعت آن حدود 300 میلی‌متر بر ثانیه است. این داده‌ها از سوی محققان داخلی طراحی شد و مورد آزمایشات متعددی قرار گرفت که در نهایت به ساخت این میز در دانشگاه صنعتی امیرکبیر منجر شد.

وی می‌افزاید: به گفته عضو شورای پژوهشی مرکز تحقیقات سازه و زلزله دانشگاه، این میز به تجهیزات مختلفی مجهز شده است که در طراحی و ساخت آن اعضای هیات علمی دانشگاه همکاری داشته‌اند. میز لرزه ساخته شده در مرکز تحقیقات سازه و لرزه دانشگاه امیرکبیر راه‌اندازی شد که از تیر مورد بهره‌برداری قرار گرفته است. مرداد امسال مسابقات دانشجویی برای سازه‌های سبک خرپایی چوبی برگزار شد که آزمایشات میز در این سازه‌ها اجرا شد و با نتایج موفقیت‌آمیزی همراه بود.

چند روز پیش این میز در آزمایشات مقطع دکتری برای دیوارهای بنایی مورد استفاده قرار گرفت که با خروجی‌های خوبی همراه بود. عملا این میز فقط برای بررسی‌ها کاربرد ندارد و زمانی که سازه‌ای طراحی شد و ساخت آن به پایان رسید می‌توان به کمک این میز صحت سازه ساخته شده را مورد بررسی و ارزیابی قرار داد.

ساخت و ساز، تابع آیین‌نامه است

به گفته عضو شورای پژوهشی مرکز تحقیقات سازه و زلزله دانشگاه صنعتی امیرکبیر، در مراکز تحقیقاتی مانند مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن و همچنین در پژوهشگاه بین‌المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله، بنیاد مسکن انقلاب اسلامی یا پژوهشکده سوانح طبیعی و به طور کلی سازمان‌هایی که درگیر ساخت و ساز و به نوعی پوشش حوادث هستند همه می‌توانند به نوعی در این زمینه دست‌اندرکار باشند. مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن یکی از مراکزی است که آیین‌نامه‌ها و دستورالعمل‌های خاص خودش را دارد و به نوعی به مراکز دیگر هم کمک می‌کند. برای مثال فرض کنید ما دستورالعملی تحت عنوان آیین‌نامه 2800 زلزله داریم. این آیین‌نامه از سوی سازمان مدیریت و برنامه‌ریزی مصوب شده و جزو دستورالعمل‌های نظام فنی و اجرایی کشور تلقی می‌شود.

وی با اشاره به آیین‌نامه‌های موجود در این حوزه می‌گوید: این آیین‌نامه ضوابطی را برای اجرای ساختمان‌ها به منظور مقابله با زلزله ارائه می‌کند و دستورالعمل آن هم الزام‌آور است. علاوه بر این ما مباحثی مانند مبحث نهم مقررات ملی را داریم که به بحث طرح و اجرای سازه‌های بتن آرمه می‌پردازد یا مبحث دهم مقررات ملی که به بحث طرح و اجرای سازه‌های فولادی پرداخته است. در مبحث ششم مقررات میلادی به موضوع بارهای وارد بر ساختمان پرداخته شده و در مبحث هشتم مقررات ملی نیز موضوع سازه‌های بنایی مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.

همه اینها دست در دست هم داده‌اند تا یکسری ضوابط و الزاماتی را برای ساخت سازه‌ها اجرا کنند. وقتی این الزامات بدرستی اجرا شود شما می‌توانید انتظار داشته باشید که ساختمان شما عیب و نقصی نداشته باشد. وقتی به این هدف دست پیدا می‌کنید که داده‌ها بدرستی وارد مراحل طراحی و ساخت شده باشد. اگر داده‌ها به هر علتی اشتباه وارد شده باشد یعنی دانسته‌های ورودی شما در مراحل طراحی و ساخت سازه اشتباه باشد یا با خطا همراه باشد، خروجی‌ها نیز با خطا همراه خواهد بود. باید درستی داده‌های ورودی را مورد بررسی قرار داد.

در سطح دنیا دستگاه‌ها و ابزارهایی برای این کار ساخته شده است که یکی از این ابزارها میز لرزه است. بزرگ‌ترین میز لرزه دنیا در کوبه ژاپن ساخته شده است. با این میز لرزه می‌توان ساختمان‌هایی با اسکلت‌های بزرگ‌تر را مدل‌سازی کرد. ما در دانشگاه صنعتی امیرکبیر در تلاش هستیم میز لرزه بزرگ‌تری را طراحی کرده و بسازیم و با بعضی شرکت‌های خارجی نیز برای همکاری قراردادهایی بسته‌ایم تا بتوانیم تا دو یا سه سال آینده میز لرزه بزرگ‌تری را در دانشگاه صنعتی امیرکبیر بسازیم. امیدواریم پیرو تجربیاتی که پس از ساخت این میز لرزه با یک درجه آزادی به‌دست آورده‌ایم، بتوانیم به این هدف دست پیدا کنیم.

بررسی سازه‌ها در ابعادی کوچک‌تر

دکتر حاتمی درباره چگونگی عملکرد میز لرزه می‌گوید: عملکرد میز این طور نیست که لازم باشد برای این کار یک ماکت از سازه مورد نظر بسازیم. در علم مهندسی مانند مهندسی عمران موضوع آنالیز ابعادی سازه مطرح است. برای این کار برای مثال ابعاد اسکلت یک ساختمان چهار طبقه را که هر طبقه آن سه متر ارتفاع داشته و دارای دهنه‌های 5‌‌/‌‌4 متری است با استفاده از نرم‌افزارهای خاص کوچک می‌کنیم نه این که بخواهیم ماکتی از این سازه تهیه کنیم. کوچک شدن ابعاد یک سازه طراحی اختصاصی دارد. به عبارت دیگر برای این کار همان سازه با همان مشخصات و ویژگی‌ها را در مقیاس کوچک‌تر مدل‌سازی می‌کنیم و به این ترتیب آن سازه را روی میز شبیه‌سازی می‌کنیم. این کار هزینه‌های آزمایشات را هم کاهش می‌دهد.

برای مثال وقتی مسابقات دانشجویی برای سازه‌های بلندمرتبه برگزار می‌شود به این معنی نیست که این سازه‌های بلندمرتبه را ساخته و مورد بررسی قرار داده‌ایم. در حقیقت ما یک ساختمان مرتفع را آنالیز ابعادی کرده‌ایم و اندازه و ابعاد اسکلت ساختمان و اتصالات و نوع فونداسیون این سازه را در مقیاس کوچک‌تر تبدیل کرده و این سازه را در میز لرزه مورد بررسی و آزمایش قرار داده‌ایم تا خروجی‌ها بتواند با همان ضریب مقیاس به نتایج واقعی در پروژه اصلی تبدیل شود.

آزمایشگاهی برای ساخت و ساز

در سطح دنیا میزهای لرزه متفاوتی در ابعاد و اندازه‌های مختلف وجود دارد. به گفته این عضو هیات علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر، ما در ایران سه میز لرزه داشتیم. یکی از آنها میز لرزه‌ای بود که در دانشگاه صنعتی شریف مورد بهره‌برداری قرار گرفته است. درجه آزادی این میز 3 درجه بود و اکنون در تلاش هستند درجه آزادی این میز را به 6 افزایش دهند. در مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن میز لرزه دیگری وجود دارد که اندازه و ابعاد آن کوچک‌تر است. میز لرزه دیگری در پژوهشگاه بین‌المللی زلزله وجود دارد که ابعاد و اندازه آن هم کوچک‌تر است.

البته قرار است در این پژوهشگاه میز لرزه بزرگ‌تری مورد بهره‌برداری قرار گیرد. یکی از ویژگی‌های منحصربه‌فرد میز لرزه جدید ساخته شده در دانشگاه صنعتی امیرکبیر این است که فناوری ساخت عرضه، سیستم الکتریکی و وسایلی که به عنوان تجهیزات جانبی از آن استفاده می‌شود بومی و محصول دانش داخلی است، اما میز لرزه‌های دیگری که پیش از این مورد استفاده قرار می‌گرفت از خارج وارد می‌شد و وارداتی محسوب می‌شود. از آنجا که این میز لرزه در داخل کشور ساخته شده است می‌تواند نقش مهمی در کاهش هزینه‌ها داشته باشد.

بنابراین آزمون‌هایی که قرار است روی این میز انجام شود هزینه کمتری دارد و متقاضیان که قشر وسیعی از دانشجویان مقاطع تحصیلات تکمیلی و دکتری و گروهی از مهندسان مشغول فعالیت ساخت و ساز هستند، می‌توانند به آسانی از قابلیت‌های این میزلرزه استفاده کنند و این می‌تواند بهانه خوبی باشد برای این که بتوان در پروژه‌های بعدی مدل‌های بزرگ‌تری از این میز لرزه را در داخل کشور طراحی کرد و ساخت. این میز لرزه، آزمایشگاهی در ابعاد کوچک است که همه دانشجویان و مهندسانی که در این حوزه مشغول فعالیت هستند، می‌توانند از این امکان استفاده کنند. امیدواریم با استفاده از تجهیزات نوینی مانند میزلرزه بتوانیم در آینده ساختمان‌های مقاوم‌تر و بهینه‌تری بسازیم.

فرانک فراهانی‌جم /‌‌ گروه دانش