مقاومت عالی ساختمان‌های فولادی در برابر زلزله: تضمین ایمنی

درک نیروهای لرزه‌ای و نقش فولاد در مقاومت در برابر بارهای جانبی

نحوه چالش‌برانگیز بودن نیروهای لرزه‌ای بر یکپارچگی ساختاری

وقتی زلزله رخ می‌دهد، نیروهای جانبی قوی ایجاد می‌شود که باعث تاب خوردن ساختمان‌ها به صورت افقی و به جلو و عقب می‌شود. این حرکت، تنش برشی ایجاد می‌کند که می‌تواند باعث ترک خوردن موادی مانند بتن شود که به خوبی تحمل خمش را ندارند. وزن معمولی ناشی از گرانش به شکلی متفاوت عمل می‌کند نسبت به لرزش زلزله، زیرا امواج لرزه‌ای به طور مداوم در اطراف منعکس می‌شوند و نقاط ضعیف موجود در سازه‌ها را تحت فشار قرار می‌دهند. برای مثال، زلزله بزرگ کریستچرچ در سال ۲۰۱۱ را در نظر بگیرید. زمین در آنجا آنقدر شدید لرزید که به بیش از ۱٫۸ برابر نیروی گرانش عادی رسید و نقایص جدی در ساختمان‌هایی که بدون در نظر گرفتن انعطاف‌پذیری کافی طراحی شده بودند، آشکار شد. فولاد در اینجا برجسته می‌شود، زیرا تحت فشار خم می‌شود نه اینکه بشکند. انعطاف‌پذیری آن به فولاد اجازه می‌دهد تا بخشی از انرژی لرزش را جذب کند و آن را در سراسر سازه پراکنده کند، به جای اینکه همه چیز یک‌باره دچار شکست شود.

چرا ساختمان‌های فولادی در مقاومت در برابر تغییر مکان جانبی عملکرد بهتری دارند

فولاد در مناطق مستعد زلزله به این دلیل که تحت تنش خم می‌شود نه اینکه بشکند، عملکرد برجسته‌ای دارد و علاوه بر این از نظر وزن، استحکام بالایی دارد. بتن انعطاف‌پذیری مشابهی ندارد. بر اساس آزمایش‌ها روی اتصالات خاص مقاوم در برابر لنگر خمشی، قاب‌های فولادی قبل از از دست دادن ظرفیت، حدود ۱۰٪ کشیده می‌شوند. این بدین معناست که ساختمان‌های فولادی در واقع انرژی زلزله را بهتر از ساختمان‌های بتنی جذب می‌کنند. و از آنجا که فولاد سبک‌تر از بتن است، ساختمان‌های ساخته‌شده با آن در حین وقوع زلزله حدود ۴۰٪ نیروی اینرسی کمتری تجربه می‌کنند. این موضوع تفاوت چشمگیری در میزان تنشی که در طول سازه در هنگام وقوع واقعی زلزله منتقل می‌شود، ایجاد می‌کند.

مطالعه موردی: عملکرد ساختمان‌های با قاب فولادی در زلزله کریستچرچ سال ۲۰۱۱

پس از بررسی پیامدهای وقوع زلزله مشخص شد که ساختمان‌های فولادی در کریستچرچ عملکرد بسیار بهتری نسبت به ساختمان‌های بتنی مسلح داشتند. گزارش‌ها نشان می‌دهند که آسیب‌دیدگی این سازه‌های فولادی حدود ۶۰ درصد کمتر بوده است. ساختمان‌های اداری فولادی حتی زمانی که پی‌ها به شدت به دلیل اثرات روان‌شدگی جابجا شده بودند، همچنان به هم پیوسته باقی ماندند. این موضوع عمدتاً به دلیل اتصالات جوشی خاصی بود که بارها را به درستی در طول ساختمان منتقل می‌کردند. در همین حال تقریباً یک چهارم از تمام ساختمان‌های بتنی پس از وقوع خرابی جدی در ستون‌ها در حین لرزش، مجبور به تخریب شدند. این موضوع به وضوح نشان می‌دهد که چرا ساخت‌وساز فولادی در مقابله با زلزله برجسته است.

سیستم‌های مقاوم در برابر نیروهای جانبی (LFRS) در سازه‌های فولادی: قاب‌های مهاربندی شده در مقابل قاب‌های خمشی

ساختمان‌های فولادی به سیستم‌های تخصصی سیستم‌های مقاوم در برابر نیروهای جانبی (LFRS) برای مدیریت نیروهای لرزه‌ای و باد. این سیستم‌ها ستون فقرات سازه‌ای را تشکیل می‌دهند و بارهای جانبی را از طریق تیرها، ستون‌ها و مهاربندی‌ها هدایت می‌کنند و در عین حال پایداری و قابلیت استفاده سازه را حفظ می‌کنند.

مروری بر سیستم‌های مقاوم در برابر نیروهای جانبی و اهمیت آن‌ها در طراحی لرزه‌ای

آخرین آیین‌نامه‌های لرزه‌ای از ASCE 7 و AISC 341 اکنون مطالبه می‌کنند که سیستم‌های مقاوم در برابر نیروهای جانبی تعادل دقیقی بین داشتن سختی کافی جهت جلوگیری از احساس ناراحتی افراد در هنگام لرزه‌های کوچک و داشتن شکل‌پذیری کافی برای نگه داشتن ساختمان‌ها در هنگام زلزله‌های بزرگ برقرار کنند. مهندسان معمولاً به قاب‌های مهاربندی شده یا قاب‌های مقاوم خمشی به عنوان راه‌حل‌های اصلی خود برای این چالش روی می‌آورند. با توجه به آنچه که اکثر مهندسان سازه از تجربه می‌دانند، انتخاب یک سیستم به جای سیستم دیگر تفاوت بزرگی در نحوه جذب نیروهای زلزله توسط سازه و نوع تعمیرات گران‌قیمتی که پس از آرام شدن وضعیت نیاز خواهد بود، ایجاد می‌کند.

قاب‌های مهاربندی شده: سیستم‌های هم‌محور (CBFs) و غیرهم‌محور (EBFs)

• قاب‌های مهاربندی هم‌مرکز (CBFs): اعضای قطری که به صورت X یا V چیده شده‌اند، سختی بالایی با هزینه پایین فراهم می‌کنند و آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای انبارها و ساختمان‌های فولادی کم‌ارتفاع تبدیل می‌کند.
• قاب‌های مهاربندی نامرکز (EBFs): این قاب‌ها دارای اتصالات منحرف‌شده هستند که باعث می‌شوند تغییر شکل اساساً در المان‌های لینک متمرکز شود و تا ۳۰٪ انرژی بیشتری نسبت به CBFs جذب کند (FEMA P-58). عملکرد بهبودیافته آن‌ها، استفاده از آن‌ها را در بیمارستان‌ها و سازه‌های حیاتی میان‌ارتفاع مناسب می‌سازد.

قاب‌های مقاوم خمشی (MRFs): اتصالات صلب و عملکرد خمشی

قاب‌های مقاوم خمشی از اتصالات صلب تیر به ستون — که جوشی یا پیچی هستند — برای مقاومت در برابر نیروهای جانبی از طریق اثر خمشی استفاده می‌کنند و نیاز به مهاربندهای قطری را حذف می‌کنند. این طراحی، پلان‌های بازی را که برای ساختمان‌های تجاری بلندمرتبه ضروری است، پشتیبانی می‌کند؛ اما معمولاً طبق داده‌های هزینه AISC 2023، به ۱۵ تا ۲۰ درصد فولاد بیشتری نسبت به سیستم‌های مهاربندی‌شده نیاز دارد.

تحلیل مقایسه‌ای: سختی، شکل‌پذیری و کاربرد در ساختمان‌های فولادی چندطبقه

سیستم‌های ترکیبی که از مهاربندی برون‌محور همراه با قاب‌های لحظه‌ای استفاده می‌کنند، به طور فزاینده‌ای در ساختمان‌های فولادی متراکم که نیاز به سختی متغیر در طبقات مختلف دارند، به کار گرفته می‌شوند.

اصل‌های کلیدی طراحی لرزه‌ای: شکل‌پذیری، افزونگی و انعطاف‌پذیری در ساختمان‌های فولادی

شکل‌پذیری به عنوان محافظ در برابر شکست ترد

توانایی فولاد در تغییر شکل پلاستیکی هنگام تنش، در واقع از فروپاشی کامل ساختمان‌ها در زلزله جلوگیری می‌کند. بر اساس استانداردهای ASCE، ترکیب‌های امروزی فولاد قادرند حدود ۲۵ درصد انرژی کرنش را قبل از شکست جذب کنند؛ بدین معنا که در مناطق حساس مانند تیرها، ستون‌ها و نقاط اتصال، می‌خوابند نه می‌شکنند. این نوع انعطاف‌پذیری اساس قاب‌های لحظه‌ای ویژه‌ای است که در دستورالعمل‌های AISC 341 مشخص شده‌اند. در عمل، این امر به ساختمان اجازه می‌دهد تا تغییر کند و نحوه حرکت نیروهای زلزله را در ساختار تنظیم کند و در نتیجه کل سازه در حوادث لرزه‌ای بسیار ایمن‌تر خواهد بود.

دوپیکربندی ساختاری برای افزایش ایمنی در هنگام وقایع لرزهای

هنگامی که بخش‌هایی از یک ساختمان دچار خرابی می‌شوند، دوپیکربندی با فعال‌سازی مسیرهای بار ذخیره‌ای وارد عمل می‌شود. ساختمان‌های فولادی این حفاظت را از چندین منبع به دست می‌آورند. آنها اغلب از دو سیستم جانبی متفاوت به طور همزمان استفاده می‌کنند، مانند ترکیب قاب‌های مهاربندی شده با قاب‌های لحظه‌ای. عناصر ساختاری ثانویه نیز قوی‌تر از حد نیاز ساخته می‌شوند و حاشیه ایمنی اضافی فراهم می‌کنند. علاوه بر این، رویکردهای مبتنی بر ظرفیت وجود دارند که از گسترش خرابی در سراسر سازه جلوگیری می‌کنند. بر اساس تحقیقات منتشر شده توسط FEMA در سال ۲۰۲۳، ساختمان‌هایی که با این ویژگی‌های دوپیکربندی طراحی شده‌اند، پس از زلزله‌هایی با بزرگی ۷ یا بالاتر بر روی مقیاس ریشتر، حدود دو سوم کمتر در حالات جابجایی باقیمانده نسبت به ساختمان‌های بدون چنین محافظتی نشان داده‌اند.

نوآوری‌ها در مقاومت: سیستم‌های خودمرکزکن و فناوری‌های میرایی انرژی

سیستم‌های نسل بعدی با استفاده از راه‌حل‌های مهندسی پیشرفته، عملکرد پس از زلزله را بهبود می‌بخشند:

هنگامی که این فناوری‌ها با نظارت به‌روز سلامت سازهیکپارچه شوند، قابلیت بازیابی بهبود می‌یابد. دستورالعمل‌های NEHRP در سال 2022 اکنون سیستم‌های ترکیبی را که دستگاه‌های استهلاک انرژی را در قاب‌های لرزه‌ای معمولی برای زیرساخت‌های حیاتی وارد می‌کنند، توصیه می‌کنند.

طراحی اتصالات بحرانی و پیوستگی مسیر بار برای عملکرد لرزه‌ای بهینه

استحکام لرزه‌ای در ساختمان‌های فولادی به اتصالات دقیقاً مهندسی‌شده‌ای بستگی دارد که انتقال بار قابل اعتمادی را تضمین کرده و در عین حال تغییر شکل کنترل‌شده را مجاز می‌دانند. بر اساس گزارش اتصالات سازه‌ای سال 2024، ساختمان‌هایی که اتصالات آن‌ها بهینه شده بودند، در زلزله‌هایی با بزرگی 7.0 یا بالاتر، 40 درصد آسیب کمتری نسبت به ساختمان‌هایی با جزئیات استاندارد دیده‌اند.

نقش اتصالات در حفظ یکپارچگی سازهی تحت تنش

اتصال‌ها در هنگام وقایع لرزه‌ای به عنوان مبدل‌های انرژی عمل می‌کنند و نیروهای جانبی را به تنش‌های توزیع‌شده تبدیل می‌کنند. AISC 341 الزام می‌کند که این اتصالات پس از تحمل چرخش ۴٪ رادیان — معادل تغییر مکان جانبی ۱۲ اینچی در یک تیر ۳۰ فوتی — حداقل ۹۰٪ از استحکام خود را حفظ کنند تا عملکرد مناسبی در شرایط شدید داشته باشند.

اتصال جوشی در مقابل اتصال بولتی: عملکرد در شرایط لرزه‌ای

مطالعات اخیر نشان می‌دهند که سیستم‌های ترکیبی — که از صفحات برشی جوشی با اتصالات بال بولتی استفاده می‌کنند — خرابی اتصالات را در ساختمان‌های فولادی چندطبقه تا ۶۳٪ کاهش می‌دهند و رویکردی متعادل از نظر استحکام و انعطاف‌پذیری ارائه می‌دهند.

اطمینان از انتقال یکپارچه بار از سقف تا فونداسیون

عملکرد مؤثر لرزه‌ای نیازمند پیوستگی مسیر بار بدون وقفه از دیافراگم‌های سقف تا مهاربندهای فونداسیون است. اکثر پروژه‌های بازسازی (85٪) قابلیت اطمینان را با افزودن مهاربندهای ثانویه یا تقویت گره‌های موجود بهبود می‌بخشند. کلید موفقیت در تضمین حفظ یکپارچگی هر عنصر سازه‌ای — از اتصال‌دهنده‌های دیافراگم تا صفحات جاسازی شده — تحت بارهای دوره‌ای است.

استانداردهای لرزه‌ای و روندهای آینده در طراحی ساختمان‌های فولادی

هماهنگی با استانداردهای لرزه‌ای AISC 341، ASCE 7 و IBC

امروزه ساختمان‌های فولادی بر اساس مقررات دقیقی مانند AISC 341، ASCE 7 و مقررات جدید ساختمانی بین‌المللی 2024 طراحی می‌شوند. تمام این قوانین به بهبود توانایی سازه‌ها در مقاومت در برابر زلزله کمک می‌کنند. تغییرات اخیر در مقررات ساختمانی بین‌المللی (IBC) روش‌های جدیدی برای طراحی قفسه‌های انبارداری معرفی کرده‌اند که نیروهای لرزه‌ای مورد نیاز برای تحمل توسط انبارها را کاهش می‌دهند و گاهی این کاهش تا ۳۰٪ نیز می‌رسد. این آیین‌نامه‌ها اکنون مواد خاصی را مشخص می‌کنند، نحوه اتصالات را تعیین می‌نمایند و اطمینان حاصل می‌شود که مسیر بار در تمام سازه به صورت پیوسته حفظ شود. این الزامات نیز بدون دلیل یا از هیچ‌جا آورده نشده‌اند، بلکه از دروس آموخته‌شده پس از خرابی بسیاری از ساختمان‌ها در زلزله بزرگ نورث‌ریج در سال ۱۹۹۴ به دست آمده‌اند.

گذار به سمت چارچوب‌های طراحی لرزه‌ای مبتنی بر عملکرد

مهندسین در حال حرکت از سطح تبعیت از مقررات تجویزی به سمت طراحی مبتنی بر عملکرد هستند، که در آن رفتار ساختاری مورد انتظار تحت سناریوهای مختلف زلزله کمّی‌سازی می‌شود. با استفاده از ابزارهای پیشرفته شبیه‌سازی، طراحان شکل‌پذیری و افزونگی را بهینه می‌کنند و در عین حال از طراحی اضافی بی‌مورد جلوگیری می‌کنند. این تحول با توجه به این واقعیت حیاتی است که ۶۸ درصد از وقفه‌های کسب‌وکار پس از زلزله ناشی از خسارات ساختاری غیرقابل ترمیم می‌باشد (FEMA 2022).

چشم‌انداز آینده: مواد هوشمند و نظارت بلادرنگ بر رفتار سازه‌های فولادی

مواد جدیدی مانند آلیاژهای حافظه‌دار برای اتصالات و ستون‌های فولادی تقویت‌شده با الیاف کربن، در حال تغییر دادن نحوه مقاومت ساختمان‌ها در برابر زلزله هستند. مطالعه‌ای که سال گذشته در مجله Engineering Structures منتشر شد نشان داد که قاب‌های فولادی خودمراکز این حرکت باقیمانده پس از زلزله را در مقایسه با روش‌های ساخت سنتی حدود سه‌چهارم کاهش می‌دهند. در همین حال، حدود ۴۰ درصد از پروژه‌های اصلاح اخیر شروع به استفاده از حسگرهای هوشمند کرنش کرده‌اند که از طریق اینترنت به هم متصل می‌شوند. این دستگاه‌ها به‌طور مداوم اتصالات در سراسر سازه ساختمان را بررسی می‌کنند. این نوع سیستم هشدار اولیه می‌تواند طبق برآوردهای منتشر شده توسط NIST در سال ۲۰۲۴، سالانه حدود ۷۴۰ میلیون دلار از هزینه‌های خسارت جلوگیری کند. این اعداد چیز مهمی درباره جهت آینده مهندسی سازه به ما می‌گویند.

‫سوالات متداول‬

نیروهای لرزه‌ای چیستند؟

نیروهای لرزه‌ای نیروهای جانبی هستند که در حین وقوع زلزله ایجاد می‌شوند و باعث می‌شوند ساختمان‌ها به صورت افقی نوسان کنند و تنش برشی ایجاد شود.

چرا فولاد در مناطق مستعد زلزله ترجیح داده می‌شود؟

فولاد ترجیح داده می‌شود زیرا هنگام تنش، می‌خندد به جای شکستن و به این ترتیب انرژی زلزله را جذب کرده و خسارت به ساختمان‌ها را کاهش می‌دهد.

سیستم‌های مقاوم در برابر نیروهای جانبی (LFRS) چیستند؟

سیستم‌های مقاوم در برابر نیروهای جانبی عناصر سازه‌ای مانند تیرها، ستون‌ها و مهاربندها هستند که بارهای جانبی را هدایت می‌کنند تا از پایداری ساختمان‌ها در طول رویدادهای لرزه‌ای حمایت کنند.

قاب‌های مهاربندی شده چگونه با قاب‌های مقاوم لحظه‌ای متفاوت هستند؟

قاب‌های مهاربندی شده از عناصر قطری برای سختی استفاده می‌کنند، در حالی که قاب‌های مقاوم لحظه‌ای از اتصالات صلب برای عملکرد خمشی بهره می‌برند، که از پلان‌های بازتری در طبقات پشتیبانی می‌کنند و اغلب به فولاد بیشتری نیاز دارند.

پایان‌پذیری ساختاری چیست؟

پایان‌پذیری ساختاری شامل مسیرهای باری پشتیبان و عناصری محکم‌تر از حد نیاز است تا از شکست گسترده در طول رویدادهای لرزه‌ای جلوگیری شود.

چه نوآوری‌هایی در بهبود مقاومت در برابر زلزله در ساختمان‌های فولادی مؤثر هستند؟

نوآوری‌ها شامل میراگرهای اصطکاکی، میله‌های آلیاژی با حافظه شکل و «فیوزهای» فولادی قابل تعویض برای اتلاف انرژی بهتر و مقاومت بیشتر می‌شوند.