ژاپن چگونه در برابر زلزله مقاومت می‌کند؟

خبرگزاری مهر؛ گروه مجله: هرچند در جهان مدرن امروز مواردی همچون هوشمندی و انرژی‌محوری، از اصلی‌ترین ویژگی‌های تعریف شده برای ساختمان‌ها به حساب می‌آید، اما در مناطقی که حوادث طبیعی مانند زمین‌لرزه پدیده‌ای شایع و معمول است این دو اصل بعد از مقاوم بودن در برابر لرزش‌ها قرار می‌گیرد.

ساختمان های تقویت شده و مقاوم در برابر زلزله تقریباً هرگز فرو نمی ریزند. مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله حدود ۱۰ تا ۲۰ درصد به هزینه های ساختمان می افزاید. کارهایی که می‌توان انجام داد شامل تقویت دیوارها و ستون‌های بتنی، حفر پایه‌های عمیق، افزودن درزهای مخصوصی است که هنگام شروع لرزش و تاب خوردن ساختمان‌ها، فشارهای داخلی را کاهش می‌دهد.

در ژاپن همه ساختمان ها باید قوانین ساختمانی ایمن در برابر زلزله را رعایت کنند، که از جمله موارد دیگر، نصب دستگاه هایی است که به طور خودکار گاز را در اولین لرزش قطع می کند. ژاپن و برخی کشورهای دیگر تلاش کرده اند تا ساختمان ها و زیرساخت های خطرناکی مانند نیروگاه ها، پل ها و روگذرها را تقویت کنند.

فناوری مقاوم در برابر زلزله مدت زیادی است که وجود داشته است. در اوایل سال ۱۸۹۱، پیشنهاد شد که ساختمان ها باید روی چوب های غلتشی قرار داده شوند تا حرکات افقی زمین لرزه ها را قبل از رسیدن به ساختمان جذب کنند. در اوایل قرن بیستم، ساختمان‌هایی با ستون‌های فوق‌العاده ضخیم ساخته می‌شدند و محدودیت‌هایی روی ارتفاعات قرار می‌گرفتند. در سال ۱۹۲۸ «ستون های جدا شده از پایه» پیشنهاد شد که شامل غشاهای تغییر شکل پذیر بین پایه ها و روبنا بود که برای جذب انرژی زمین لرزه ها و نوسانات آهسته در نظر گرفته شده بود.

گوجونوتو یک بتکده مقاوم در برابر زلزله است که در سال ۱۴۰۷ در نارا ساخته شد. این پنج طبقه در فازهای متضاد با لرزش نوسان می کنند، که از شکستن سازه جلوگیری می کند. هیچ مدرکی دال بر فروریختن این سازه وجود ندارد. از همین تکنیک ها در ساختمان های مدرن استفاده می شود. بتکده یاساکا در کیوتو بیش از پنج قرن از زمین لرزه ها جان سالم به در برده است. در طول یک لرزش، کل ساختمان نوسان می کند زیرا هر طبقه به طور مستقل در اطراف یک ستون لنگر مرکزی حرکت می کند. دانشمندان اکنون در حال مطالعه بتکده برای سرنخ هایی در مورد مقاوم سازی ساختمان های مدرن در برابر زلزله هستند.

برنامه‌های بهبود آمادگی ژاپن در برابر زلزله شامل مقاوم‌سازی ۹۰ درصد ساختمان‌ها در برابر زلزله و ارائه یارانه‌ها و معافیت‌های مالیاتی برای تشویق شهروندان به انجام تغییرات لازم در خانه‌هایشان و لنگر انداختن مبلمان برای سقوط نکردن آن است. در حال حاضر ۷۵ درصد از ساختمان های ژاپن در برابر زلزله مقاوم هستند. دولت توکیو در حال بررسی تصویب قوانینی است که ساختمان‌های مسیرهای حمل‌ونقل اضطراری را ملزم به انجام آزمایش‌های مقاومت در برابر زلزله می‌کند

پرده‌های ضدزلزله

شرکت کماتسو سایرنسه (Komatsu Seiren) سال پیش ایده‌ای را مبنی بر استفاده از طناب‌های فیبری کربنی به دور ساختمان‌ها پیشنهاد کرد. در این روش معماران به جای استفاده از بتون و آهن، از طناب‌هایی استفاده خواهند کرد که درست مثل یک پرده به دور بنا کشیده خواهند شد. جنس این ریسمان‌های چندلا که قدرت ارتجاعی بسیار زیادی دارند، نوعی کامپوزیت فیبری کربنی است و از آن برای تقویت سازه‌ها استفاده خواهد شد.

شان هوریکی (Shun Horiki)، معمار ارشد این پروژه در گفتگو با وایرد (WIRED) گفت: «از آن جایی که این فیبر کربنی، محکم و در عین حال نرم است، این ایده را در ذهن ما به وجود آورد که از آن به عنوان یک وسیله خاص مقاوم‌سازی بنا استفاده کنیم. در بنایی که این ایده را بر روی آن اجرا کردیم، تعداد ۱.۰۳۱ مفتول در پشت‌بام کار گذاشته شد و سپس سیم‌های متصل به مفتول‌ها را به زمین وصل کردیم تا ساختمان کاملاً مهار شود. مطالعات نشان می‌دهد که در این شرایط وقتی ساختمان به سمت چپ تکان می‌خورد، ریسمان‌هایی که در سمت راست هستند، آن را به عقب می‌کشند و بالعکس. در حقیقت ما از ۲.۷۷۸ ریسمان پوششی استفاده کردیم و پرده‌ای را به دور بنا کشیدیم که می‌توان از آن با عنوان یک لایه پایدار یاد کرد.»

کیسه‌های هوا

استفاده از کیسه‌های هوا یک روش دیگر است که شرکت دانشین (Danshin) در سال ۲۰۱۲ میلادی آن را پیشنهاد کرد. در این روش ساختمان را روی کیسه‌های هوای بزرگی می‌سازند که سبب می‌شود تا در زمان زلزله‌های مرگ‌بار ساختمان قدرت ارتجاعی لازم را داشته باشد و احتمال ریزش بنا هم به حداقل برسد. از آن‌جایی که تحت این شرایط بنا در هنگام زلزله با زاویه مشخصی تکان می‌خورد، در نتیجه ضریب شکست بنا هم به حداقل ممکن تقلیل پیدا می‌کند. همان‌طور که می‌دانید، یک دلیل افزایش ضریب شکست وزن و در عین حال عدم انعطاف‌پذیری سازه‌ها است بنابراین در هر روش پیشنهادی باید این دو فاکتور را لحاظ کرد.

نحوه عملکرد کیسه‌های محافظ به این صورت است که در وهله نخست سنسورهای حساس، اولین ارتعاشات را ثبت می‌کنند و پس از آن کمپرسور فعال می‌شود. کمپرسور، کیسه‌های هوا را که در زیر بنا جاسازی شده‌اند، پر کرده و این اتفاق در ظرف کم‌تر از ۱ ثانیه رخ می‌دهد. لازم به یادآوری است که کیسه‌های هوا بنا را از فونداسیون جدا نمی‌کنند بلکه فضای جابجایی پیش‌تر در سازه محاسبه شده و ساختمان را تنها به اندازه ۳ سانتی‌متر بالا می‌برند تا در شرایط ایستایی کامل قرار گیرد.

سازه‌های مقاوم در برابر زلزله

یک روش خیلی مهم در کشور ژاپن برای بناهایی که از یکدیگر جدا هستند، روش مقاوم‌سازی بنا در برابر زلزله است. این روش پس از سال ۱۹۸۱ میلادی در این کشور باب شد و در آن بر مبنای یکسری استانداردهای خاص تدابیری اعمال می‌شود. بر اساس این استانداردها ابنیه را می‌توان به دو گروه سازه‌های سخت و محکم (Rigid Structure) و سازه‌های منعطف (Flexible Structure) تقسیم کرد. سازه‌های سخت به سازه‌هایی گفته می‌شود که به دلیل پرهیز از ریزش بنا بسیار محکم ساخته می‌شوند و در مقابل سازه‌های منعطف آن‌هایی هستند که هدف اصلی از ساخت‌شان پخش نیروی حاصل از تحرکات لرزه‌ای می‌باشد.
درست است که اغلب بناها می‌توانند وزن سازه و ملحقات آن را تحمل کنند اما این امر لزوماً به این معنا نیست که قادر به تحمل فشارها یا نیروهای رانشی که از راست و چپ به آن‌ها وارد می‌شود نیز هستند. خطرناک‌ترین بناها در زمان زلزله، سازه‌های بتونی و حتی آجری هستند که تقویت نشده‌اند. بدیهی است که فشارهای جانبی به سرعت باعث ریزش این نوع از بناها می‌شود، برای پرهیز از این اتفاق در ژاپن چند تدبیر به کار بسته می‌شود: بستن فونداسیون‌ها، طبقات، دیوارها، به یک اصطلاحاً جعبه محکم که بتواند همه بنا را در زمان زلزله سرجای خود نگه دارد. یک روش مرسوم دیگر هم هست که از آن به نام ایزوله کردن پایه (Base Isolation) یاد می‌شود.

ایزوله کردن پایه، مجموعه‌ای از عناصر سازه‌ای است که ارتباط بین اجزای یک سیستم را به نوعی قطع می‌کند یعنی به واسطه انفصالی که بین سازه و فونداسیون ایجاد می‌کنند، بنا را در زمان تحرکات لرزه‌ای تقویت می‌کنند. استفاده از کیسه‌های هوا و محورهای توپی در اصل حاصل همین ایده اولیه است که در ژاپن به اشکال مختلف از آن استفاده می‌شود.

استفاده از فریم‌های گهواره‌ای

یک فناوری پیشگامانه دیگر برای ساخت سازه‌های مقاوم در برابر زلزله در ژاپن استفاده از فریم‌های گهواره‌ای (Rocking Frames) است. این روش ۳ جزء مهم را شامل می‌شود که عبارتند از استفاده از قاب‌ها، کابل‌ها و فیوزهای فلزی. از مزایای استفاده از این روش این است که نه‌تنها بنا به سرعت ساخته می‌شود بلکه در عین حال نسبت به زلزله هم مقاومت بسیاری دارد.

در سال ۲۰۱۰ پروفسور گرگوری دایرلاین (Gregory Deierlein) از دانشگاه استنفورد استفاده از فریم‌های آهنی را در ساختمان‌ها پیشنهاد کرد که این ایده در ژاپن به شدت مورد استقبال قرار گرفت. کابل‌های فلزی که توسط این محقق در یک بنا مورد استفاده قرار گرفتند، اثربخشی خود را پس از زلزله ۷ ریشتری در شهر میکی ژاپن (Miki City) نشان دادند. کابل‌ها و فیوزها پس از زلزله تعویض شدند اما بنای مذکور به هیچ‌وجه آسیب ندید. اگر کسی در داخل چنین بنایی باشد، احساس می‌کند که زمین اطرافش به سمت بالا در حال حرکت است و علت هم حرکت پروانه‌ای شکل قاب‌هایی است که دانشمندان دانشگاه استنفورد آن را در بنا طراحی کرده‌اند. بررسی‌ها حاکی از آن است که با استفاده از این روش بنا اغلب کم‌ترین آسیب ممکن را از زلزله متحمل می‌شود.

سازه‌های میرا

یکی دیگر از روش‌های پیشنهادی ژاپنی‌ها، استفاده از دیوارهای موسوم به دیوارهای میرا است که به منظور به حداقل رساندن تحرکات ناشی از زمین‌لرزه کاربرد پیدا کرده‌اند. این سازه‌ها به دو شکل هستند: انواع فعال (Active type) و انواع غیرفعال (Passive type). انواع فعال سازه‌هایی هستند که از انرژی نظیر برق در آن‌ها استفاده می‌شود و انواع غیرفعال آن‌هایی هستند که از نیروهای فیزیکی استفاده می‌کنند. این سازه‌ها نسبت به سازه‌هایی که صرفاً مقاوم‌سازی می‌شوند، در زمان زلزله کارآیی بیش‌تری دارند و موثرتر هم عمل می‌کنند. کارشناسان معتقدند که سازه‌های میرا این قابلیت را دارند که تحرکات لرزه‌ای را بین ۷۰ الی ۸۰ درصد بیش‌تر از سازه‌های مقاوم‌سازی شده کاهش دهند.

زایشین (Seishin) یک تکنیک و روش برای مهار جابجایی ساختمان است که البته در قانون ساخت و ساز ژاپن انجام آن الزامی نیست اما اغلب برای ساختمان‌های بلندمرتبه پیشنهاد می‌شود. در این روش از یکسری ضربه‌گیرها (Damper) استفاده می‌شود که آن‌ها انرژی حاصل از زمین‌لرزه را جذب می‌کنند و شدت تکان‌ها را تا حد زیادی می‌کاهند. اگر به برخی از سازه‌های مرتفع دقت کنید، یکسری مفتول‌های ضربدری در آن‌ها جلب نظر می‌کند که این مفتول‌ها اغلب به همین منظور کارآیی دارند. یکی از معایب این روش، هزینه گران آن است اما در عین حال پرفایده بودنش باعث شده تا اغلب در سازه‌های مرتفع چندطبقه، کارآیی زیادی داشته باشد.

در نهایت

تبعیت صنعت ساخت و ساز ژاپن از استانداردهای خاص مرتبط با موضوع زلزله از دهه ۱۹۸۰ میلادی آغاز شد و در طول زمان روش‌ها و استانداردهای جدیدتری معرفی شدند که تا امروز توانسته‌اند نقش خود را در کاهش بحران به خوبی ایفاء کنند. کاهش احتمال خطر زلزله یکی از موضوعاتی است که در هر خرید و فروش خانه‌ای در ژاپن مطرح است و این امر هم چندان عجیب نیست، ژاپن کشوری است که زلزله‌های ۹ ریشتری در آن اتفاق می‌افتد.

درست است که زلزله خطری بیخ گوش مردم ژاپن است اما واقعیت این است که مدیریت آن در این کشور به بهترین شکل ممکن در دست انجام است. این نکته را نباید فراموش کرد که ژاپن به محدوده موسوم به زون آتشفشانی هم بسیار نزدیک است و به همین دلیل هر زلزله در ژاپن می‌تواند خطری دیگر به نام سونامی را هم به همراه داشته باشد. اما باز هم ژاپنی‌ها معتقدند که بهترین روش برای مقابله با زلزله، مدیریت صحیح آن است.

ساختمان‌های مرتفع را می‌توان با معماری کشسانی ساخت که به آن‌ها اجازه می‌دهد در هنگام جابجایی زمین به صورت افقی خم شوند. فناوری مقاوم در برابر زلزله که در سال ۱۹۸۳ معرفی شد، امکان ساخت ساختمان‌ها و جاده‌های بتنی را در بالای لایه‌های جداکننده‌های لاستیکی ضربه‌گیر و دمپرهای فلزی فراهم کرد. هنگام وقوع زلزله، لنت ها به جای ساختمان تکان می خورند. اکثر ساختمان های جدید این فناوری را دارند.

جیمز گلانز و نوریمیتسو اونیشی، نیویورک تایمز، «ژاپن در تجهیز ساختمان‌های جدید با دستگاه‌های پیشرفته به نام پدهای جداسازی پایه و واحدهای اتلاف انرژی برای کاهش لرزش زمین در هنگام زلزله، بسیار فراتر از ایالات متحده رفته است. دستگاه های ایزوله اساساً لنت های لاستیکی و فولادی غول پیکری هستند که در پایین حفاری برای ساختمان نصب می شوند و سپس به سادگی در بالای لنت ها قرار می گیرند. واحدهای اتلاف در اسکلت ساختاری ساختمان ساخته می شوند. آنها سیلندرهای هیدرولیکی هستند که با تاب خوردن ساختمان کشیده و منقبض می شوند و حرکت انرژی را کاهش می دهند.

ساختمان های ژاپنی نسبت به سازه های مشابه در مناطق زلزله خیز در کالیفرنیا بسیار سفت تر و محکم تر هستند. قوانین ساختمانی ژاپن تقریباً نیمی از نوسانات را در بالای ارتفاعات در طول یک زمین لرزه بزرگ به جلو و عقب اجازه می دهد. مهندسان می گویند این تفاوت به این دلیل است که استاندارد ایالات متحده بر جلوگیری از فروپاشی متمرکز است، در حالی که در ژاپن - با زلزله های بسیار بیشتر - هدف جلوگیری از هر گونه آسیب عمده به ساختمان ها به دلیل تاب خوردن است. [منبع: نیویورک تایمز., ۱۱ مارس ۲۰۱۱]

ژاپن یکی از کشورهایی است که به دلیل نزدیکی با حلقه آتش اقیانوس آرام، نظام‌نامه‌ها و قوانین سختگیرانه‌ای برای ساخت و ساز آسمان‌خراش‌ها و برج‌های خود ایجاد کرده است. حلقه آتش، منطقه‌ای کمربندی در حوضه اقیانوس آرام است که بر اساس منابع موجود، محل وقوع ۸۱ درصد از بزرگ‌ترین زمین‌لرزه‌ها و فعالیت‌های آتش‌فشانی جهان است.

ژاپن دقیقاً روی این منطقه قرار گرفته است، به همین دلیل بیش از هر نقطه دیگر در جهان به انعطاف‌پذیرکردن ساختمان‌هایش نیاز دارد. بنابراین کشور ژاپن اقدام به اختراع مواد ساختمانی منعطف، ضربه‌گیرهای عظیم و نیز ابزارهای مدرن برای آزمایش و تجزیه و تحلیل عملکرد ساختمان‌های خود کرده است و با استفاده از آن‌ها توانسته جایگاهی ویژه در لیست مقاوم‌ترین کشورها در برابر حوادث طبیعی به خود اختصاص دهد. جالب آن‌که نه تنها ساختمان‌های جدید بلکه بعضی ساختمان‌های قدیمی این کشور نیز به گونه‌ای بازسازی شده است که در برابر حوادثی همچون زلزله مقاوم‌تر شوند. این پایداری ساختاری نقش مهمی در معرفی ژاپن به عنوان یکی از بهترین نمونه‌های مقاوم در برابر زلزله در سراسر جهان داشته است. در ادامه با پنج مورد از اصلی‌ترین بناهای ضدزلزله این کشور آشنا می‌شویم.

برج موری ( Mori)

مجتمع ساختمانی روپونگی هیلز در منطقه میناتو توکیو، شامل چندین آسمان‌خراش است که بلندترین آن‌ها با ۲۳۸ متر ارتفاع، «روپونگی هیلز موری تاور» نام دارد. از جمله ویژگی‌های ضد زلزله این برج ۵۴ طبقه، لوله‌کشی‌های فولادی تقویت شده و استفاده از یک فن‌آوری جاذب حرکتی موسوم به میراگرهای روغنی است. میراگرها، ابزاری مدرن برای کاهش ارتعاشات سازه‌ها است که بر اساس نیاز در چند دسته کلی عرضه می‌شود. میراگرهای روغنی، عناصر هیدرولیکی هستند که نیازی به تعمیر و نگهداری ندارند و به‌منظور کاهش سنگینی وزن جسم متحرک، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

میراگرهای بکار رفته در موری تاور نیمه فعال است و از ۱۹۲ کمک فنر آغشته به روغن غلیظ تشکیل شده است. هنگامی‌که ساختمان در زمان وقوع زلزله تکان می‌خورد، میراگرها با لغزش صفحات روغنی در جهت مخالف، لرزش‌ها را به تعادل می‌رسانند و شدت آن‌ها را تا حداقل کاهش می‌دهند.

توکیو اسکای‌تری

برج فلزی توکیو اسکای‌تری یا درخت آسمان، بزرگ‌ترین برج مخابراتی و رسانه‌ای رادیو و تلوزیون ژاپن است که در «سومیدا سیتی» توکیو قرار دارد. ارتفاع این ساختمان که در فاصله سال‌های ۲۰۰۸ تا ۲۰۱۲ ساخته شده است با احتساب آنتن روی آن به ۶۳۴ متر می‌رسد و طرح آن از سیستم ریشه یک درخت غول‌پیکر الهام گرفته شده است. توکیو اسکای‌تری دارای سه پایه و یک ستون مرکزی است که تا ارتفاع ۱۲۵ متری به کمک میراگرهای روغنی انعطاف‌پذیر به یکدیگر متصل شده است.

ستون مرکزی این برج مانند یک وزنه تعادل عمل می‌کند که در زمان وقوع حادثه ارتعاشات را به قاب بیرونی منتقل می‌کند. یک سیستم میرایی در این برج تعبیه شده است که مرکز ثقل آن را نزدیک پایه نگه می‌دارد. علاوه بر این مجموعه‌ای از دیوارهای خرپایی و گره‌های بتونی از جنس فولاد تقویت شده تا ۵۰ متر زیر زمین، به این برج استحکام و پایداری کم‌نظیری بخشیده است و بدین ترتیب پایه‌های آن به‌گونه‌ای طراحی شده است که در برابر زلزله بیشترین مقاومت را داشته باشد.

آرک هیلز سنگوکویاما Ark Hills Sengokuyama

در ساخت این بنای چندکاربردی ضدزلزله در توکیو نیز از همان فن‌آوری میرایی ساخت موری تاور و اسکای‌تری استفاده شده است. در شکاف میان هر یک از طبقات این برج، صفحات فولادی عظیمی به کار رفته است که به دیواره فوقانی شکاف‌ها متصل هستند و دیواره تحتانی آن‌ها به میراگرهای روغنی مجهز شده‌اند. در زمان وقوع زلزله، صفحات به کمک این میراگرها حرکت می‌کنند که این عمل منجر به مقاومت این برج در مقابل فعالیت‌های لرزه‌ای می‌شود.

فابو

fa-bo، ساختمان و آزمایشگاه کوماتسو سیرن، کارخانه نساجی ژاپنی است که در شهر نوما، بخش ایشیکاوا قرار دارد. این ساختمان اداری سه‌طبقه، با پرده‌ای متشکل از یک‌هزار و ۳۱ میله از جنس الیاف کربن احاطه شده است که با زوایای مختلفی از پشت بام به زمین متصل می‌شوند. در فضای داخلی این پرده میله‌ای نیز دوهزار و ۷۷۸ میله دیگر وجود دارد که به ساختمان پایداری می‌بخشد.

در صورت وقوع زلزله، این میله‌های سخت و انعطاف‌پذیر می‌توانند از ساختمان محافظت کنند. هنگامی که زمین‌لرزه‌ای رخ دهد و ساختمان از یک طرف به طرف دیگر تکان بخورد میله ها کشیده می‌شوند و آن را به جهت مخالف می‌کشانند، بدین ترتیب از لرزش بنا جلوگیری می‌شود.

خانه تلویزیونی

خانه تلویزیونی، یک منزل شخصی در منطقه اوزاکا است که به طور خاص مقاوم در برابر زلزله طراحی شده است. این خانه دارای یک سیستم ادغام شده از جداسازهای لرزه‌ای و تمهیدات مقاومت در برابر بارهای زمین‌لرزه است که در هنگام وقوع زلزله ساختمان را ثابت نگه می‌دارد. خانه تلویزیونی روی یک سطح سکو مانند با تیرهای سازه‌ای بلند و یک پایه بتونی قرار دارد که طبقه همکف آن را تشکیل می‌دهد. جداسازهای تعبیه شده باعث می‌شود در صورت بروز زمین‌لرزه خانه از هرگونه ارتعاش مصون بماند.