بتن و زلزله؛ تاثیر بتن در مهار نیروهای لرزه ای

بتن مناسب‌ترین، بادوام‌ترین و مستحکم‌ترین مصالح ساختمانی مورد استفاده در سراسر جهان است. بتن کل صنعت ساخت و ساز را متحول کرده و امکان ساخت سازه‌های ساده تا پیچیده را در خشکی یا دریا فراهم کرده است. حتی تمام قطعات هسته‌ای با بتن ساخته شده‌اند تا از اثر تشعشع جلوگیری کنند. مطمئناً اگر قرار است در هر سیاره دیگری سازه‌ای ساخته شود، قطعاً از جنس بتن خواهد بود. هیچ سازه‌ای نمی‌تواند در برابر زلزله مقاوم باشد اما می‌توانیم تاثیرات زمین لرزه را از طریق بتن مهار کنیم. در این بررسی به تاثیر بتن در مهار نیروهای لرزه‌ای اشاره می‌کنیم.

تجزیه و تحلیل رفتار زلزله و بتن

پس از تجربه خسارات جانی و مالی هنگفت بر اثر سونامی اخیر و زلزله گجرات در هند، باید به طور جدی فکر کنیم تا خسارات جانی و مالی در اثر بلایای طبیعی مانند زلزله به حداقل برسند. زلزله می‌تواند در هر نقطه‌ای از زمین یا دریا رخ دهد. اگر مرکز زمین لرزه در دریا باشد، می‌تواند سونامی و سیل ایجاد کند که باعث ایجاد امواج آب می‌شود. ویژگی مشترک وقوع زلزله، آزادسازی مقدار زیادی تنش کرنشی انباشته شده است. اگر بتوانیم نرخ تجمع کرنش در بخش گسل را اندازه گیری کنیم، احتمالاً می‌توان زلزله را پیش ‌بینی کرد.

نظارت بر ایجاد تنش با تجزیه و تحلیل تقسیم موج برشی به تشخیص احتمال وقوع یک زلزله بزرگ در آینده کمک می‌کند. این به عنوان پیش بینی تنش شناخته می‌شود. چنین پیش بینی تنش به آمادگی مناسب برای کاهش خطر زلزله بزرگتر اجازه می‌دهد. با این حال، این اطلاعات بسیار کمی در مورد محل وقوع زمین لرزه ارائه نمی‌دهد. اما تاریخ گذشته می‌تواند تصوری از لرزه خیزی آن منطقه بدهد.

مدیریت بلایای طبیعی و بازسازی سازه نیز مهم است و باید راهبردهای مناسبی برای مدیریت چنین بلایایی در نظر گرفته شوند. با این حال، در حال حاضر ما از درک الگوی این جنبه‌ها و تکنیک‌ها و روش‌ها فاصله داریم. در حال حاضر این کار برای دانشمندان چالش برانگیز است. در عین حال، ورود موج P به محل شیء می‌تواند برای هشدار به مردم برای خارج شدن از ساختمان فوراً استفاده شود زیرا زودتر از رسیدن موج S آسیب ‌رسان به آن می‌رسد.

بتن در هر مرحله مانند انتخاب مواد، طرح‌ها، اختلاط، فشرده سازی و عمل آوری نیاز به مراقبت دارد. اکنون پیشرفت‌ها برای ساخت بتن راحت‌تر صورت گرفته‌اند که بتن خود متراکم است که می‌تواند به طور کامل قالب را پر کند و حتی در حضور آرماتورهای فولادی به تراکم کامل برسد. کار برای دستیابی به بتن با کیفیت مهم است. برای انتخاب بتن برای مقابله با زلزله باید در موضوعات زیر بررسی‌های جامع صورت گیرد:

طراحی ساختمان و پل برای نیروهای ناشی از زلزله
زلزله، سونامی و اثرات آن در بتن سازه‌ای
مدیریت بلایا و بازسازی ساختمان‌های آسیب دیده با بتن

تاثیر بتن مسلح در مهار زلزله

هدف از رویه‌های آیین‌نامه دستیابی به سازه‌ای است که در برابر زلزله خفیف بدون آسیب، مقاومت در برابر زلزله متوسط با آسیب سازه‌ای ناچیز و مقاومت در برابر زلزله بزرگ بدون به خطر انداختن جان انسان‌ها مقاومت کند. بتن مسلح دارای برخی ویژگی‌ها است که توانایی آن را در مقاومت در برابر نیروهای زلزله افزایش می‌دهد.

شاید بزرگترین مزیت ساخت و ساز بتن آرمه تداوم آن باشد. در صورت خرابی یک جزء، بار به اجزای دیگر منتقل می‌شود و سازه پایداری خود را حفظ می‌کند. برای دستیابی به مزایای بتن مسلح، یک سازه باید شکل پذیری داشته باشد. شکل پذیری به معنای توانایی تک تک اعضای یک سازه برای تغییر شکل دائمی بدون افت قابل توجه در استحکام است.

دانش به دست آمده از زلزله 1971 سن فرناندو منجر به دو یافته مهم شد. اول، اگر از مفهوم طبقه اول نرم استفاده شود، جابجایی‌های دائمی بزرگ در هنگام زلزله‌های بزرگ محتمل است. ثانیاً، هنگامی که اعضای خمشی در ستون‌ها یا تیرها پیش ‌بینی می‌شود، برای حفظ بار محوری و ظرفیت‌های برشی عضو، تقویت ‌کننده‌های عرضی با فاصله نزدیک و اندازه مناسب، پیوندها، رکاب‌ها، مارپیچ‌ها مورد نیاز هستند.

همچنین سه نوع کلی از سازه‌ها که اکنون توسط قوانین ساختمانی یکنواخت به رسمیت شناخته شده‌اند، شامل: دیوار باربر یا سازه جعبه‌ای، سیستم مهاربندی دوگانه و سیستم قاب و دیوار ترکیبی است. هر سیستم سازه‌ای مزایا و معایب خود را دارد و استانداردهای طراحی برای هر سیستم نشان دهنده رفتار عناصر اصلی سازه در برابر زلزله است.

تاثیر بتن پیش تنیده در مهار زلزله

بتن پیش ساخته یک مصالح ساختمانی عالی است. نحوه عملکرد دیوارهای بتنی پیش ساخته تحت بارهای لرزه‌ای تا حد زیادی به کیفیت بتن پیش ساخته و کیفیت طراحی آن بستگی دارد. مواد با کیفیت و استاندارد بالای تولید به بهبود نحوه واکنش دیوارها و نرده‌ها به زلزله کمک می‌کند. از آنجا که بتن پیش ساخته مخلوط شده و در محل مونتاژ می‌شود، می‌توان محصولی با کیفیت بالا تولید کرد. دما و رطوبت می‌توانند در سطوح بهینه برای بالاترین مقاومت بتن نگه داشته شوند.

بتن می‌تواند در برابر نیروهای فشاری بالا مقاومت کند. دلیلی وجود دارد که از آن در پروژه‌های با فشار بالا مانند پل‌ها و نیروگاه‌ها استفاده می‌شود. آرماتورهای فولادی را اضافه کنید که می‌تواند نیروهای کششی زیادی را تحمل کند و دیوار یا حصاری دارید که می‌تواند بارهای زیاد را در هر جهتی تحمل کند. دیوارهای پیش ساخته نیز با تکان‌های ناشی از زلزله حرکت می‌کنند و تاب می‌خورند که این ویژگی بسیار خوبی است.

دیوار بتنی پیش ساخته همچنین به حفظ ساختمان‌های اطراف در صورت وقوع زلزله کمک می‌کند. در هنگام وقوع زلزله، ساختمان‌ها نه تنها از بارهای لرزه‌ای، بلکه از پیامدهای ناشی از آن، یعنی آتش‌ سوزی، در خطر هستند. آسیب به خطوط گاز در طول زلزله 1906 سانفرانسیسکو به سرعت باعث خسارات گسترده ناشی از آتش سوزی‌های خارج از کنترل شد. هنگامی که یک دیوار بتنی پیش ساخته در اطراف ملک خود اضافه می‌کنید، احتمال گسترش آتش را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهید.

دیوار بتنی پیش ساخته به تنهایی نسوز است و نمی سوزد و به مهار آتش کمک می‌کند. آسیب به بتن پیش ساخته، چه در اثر زلزله یا آتش سوزی، نسبت به سایر روش‌های ساختمانی آسان‌تر و ارزان‌تر ترمیم می‌شود. نحوه مقاومت دیوارهای بتنی پیش ساخته در برابر زلزله به طور گسترده در مناطق زلزله خیزی مانند اروپای شرقی و آسیای مرکزی آزمایش شده است، جایی که بتن پیش ساخته به طور گسترده به عنوان مصالح ساختمانی استفاده می‌شود. طراحان و پیمانکاران می‌توانند با اطمینان از بتن پیش ساخته در مناطق دارای فعالیت لرزه ای استفاده کنند. هنگامی که آماده ساختن دیوار یا حصاری هستید که به اندازه کافی قوی است که بتواند در برابر زلزله بعدی مقاومت کند، برای درخواست قیمت با ما تماس بگیرید.

آزمایش محدودیت‌های بتن پیش ساخته در زلزله

در اواخر دهه 1990، محققان در ایالات متحده نیاز به تحقیق برای بررسی محدودیت‌های بتن پیش ساخته در مناطق لرزه خیز را تشخیص دادند و برنامه PRESSS (سیستم‌های سازه ای پیش ساخته لرزه ای) را آغاز کردند. این برنامه مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را برای اثبات قابلیت استفاده از بتن پیش ‌ساخته و تعیین سطوح عملکرد لرزه‌ای برای چیدمان‌های بتن پیش ‌ساخته با طراحی مناسب ایجاد کرد.

این برنامه شامل سه مرحله بود، فاز اول برای توسعه مفاهیم اساسی، فاز دوم برای انجام تست‌های آزمایشگاهی بر روی اجزای جداگانه و فاز سه برای طراحی، ساخت و آزمایش با استفاده از مفاهیم طراحی که در مراحل قبلی ایجاد شده بود. از طریق این برنامه، پنج سیستم قاب لرزه‌ای توسعه یافتند. استفاده از این سیستم‌های اسکلت به طور چشمگیری توانایی سیستم‌های بتنی پیش ساخته را برای مقاومت در برابر آسیب‌های ناشی از زلزله بهبود می‌بخشد.

اگر بتن پیش‌ساخته قرار باشد شکست بخورد، معمولاً در اتصالات خراب می‌شود. این جایی است که نقاط ضعف قرار دارند. به همین دلیل ساختمان‌هایی که از بتن پیش ساخته در مناطق زلزله خیز استفاده می‌کنند باید به آن نکات توجه ویژه‌ای داشته باشند. برنامه PRESSS اتصالات با الیاف تقویت شده با کارایی بالا را برای کمک به اتلاف انرژی در هنگام بارگذاری لرزه ای توصیه می‌کند. اتلاف انرژی را می‌توان با استفاده از رشته‌های از پیش تنیده برای اتصال اعضا یا با مرکزیت دادن میله‌های کششی روی تیرها بهبود بخشید. اگر بتوان از بتن پیش‌ساخته برای مقاوم‌تر ساختن ساختمان‌ها در برابر زلزله استفاده کرد، می‌دانید که دیوار یا حصار شما فرو نمی‌ریزد و نمی‌شکند.

محصولات بتنی جدید برای مقابله با زلزله

محققان دانشگاه بریتیش کلمبیا (UBC) یک بتن تقویت ‌شده با الیاف به نام کامپوزیت سیمانی شکل ‌پذیر سازگار با محیط زیست (EDCC) ساخته‌اند که می‌تواند در برابر فعالیت‌های لرزه‌ای بالا مقاومت کند. طبق بیانیه مطبوعاتی دانشگاه، مواد مهندسی شده ترکیبی از سیمان با الیاف مبتنی بر پلیمر، خاکستر بادی و سایر افزودنی‌های صنعتی است. یک لایه EDCC به ضخامت 10 میلی‌متر برای تقویت دیوارهای داخلی موجود کافی است که پس از آن می‌تواند در برابر زلزله تا 9/0 ریشتر مقاومت کند.

این محصول نه تنها ساختمان‌ها را بادوام‌تر می‌کند بلکه با استفاده از خاکستر بادی، محصول جانبی احتراق زغال سنگ، امتیاز پایداری را نیز به دست می‌آورد. EDCC 70 درصد سیمان مورد استفاده برای ساخت بتن را با مواد فرعی جایگزین می‌کند. به گفته Nemy Banthia، استاد مهندسی عمران UBC یک تن سیمان تولید شده، تقریبا یک تن دی اکسید کربن در جو آزاد می‌کند و صنعت سیمان نزدیک به هفت درصد از انتشار گازهای گلخانه‌ای جهانی را تولید می‌کند. استفاده از خاکستر بادی، اثرات مضر صنعت سیمان برای محیط زیست را کاهش می‌دهد.

پاییز امسال، EDCC در اولین برنامه واقعی خود در مدرسه ابتدایی دکتر آنی بی جیمیسون در ونکوور، کانادا مورد آزمایش قرار خواهد گرفت. از کاربردهای آینده این محصول می‌توان به کفپوش‌های صنعتی، منازل ارتجاعی، پیاده روها و سازه‌های مقاوم در برابر انفجار اشاره کرد. ملانی مارک، وزیر آموزش پیشرفته، مهارت‌ها و آموزش در Vancouver-Mount Pleasant گفت: «این فناوری توسعه ‌یافته UBC تأثیر گسترده‌ای دارد و می‌تواند جان نه تنها بریتیش کلمبیایی‌ها بلکه شهروندان سراسر جهان را نجات دهد.» بتن مقاوم در برابر زلزله نمونه خوبی از این است که چگونه تحقیقات کاربردی در دانشگاه‌های دولتی ما در حال توسعه نسل بعدی عوامل تغییر می‌باشند.