فناوری‌های ساختمان‌های ضدزلزله ژاپن

برای ساخت سازه‌های مقاوم در برابر زلزله در ژاپن از تکنولوژی‌ها و فناوری‌های به‌روز و بسیار کاربردی بهره گرفته می‌شود. برخی از این فناوری‌ها در ادامه شرح داده شده‌اند:

استفاده از طناب‌های فیبر کربنی

ایده استفاده از طناب‌های فیبر کربنی به دور ساختمان‌ها برای اولین بار توسط شرکت کوماتسو سایرن (Komatsu Seiren) ارائه شد. مهندسان در این روش معماری به جای استفاده از آهن و بتن از طناب‌هایی استفاده می‌کنند که به دور بنا کشیده می‌شوند و شکل پرده‌مانندی به بنا می‌دهند. این ریسمان‌ها قدرت ارتجاعی بسیار زیادی دارند و نوعی کامپوزیت فیبر کربنی هستند.

به‌دلیل محکم و نرم بودن فیبر کربن، این ایده در ذهن معماران ایجاد شد که از آن برای مقاوم‌سازی بنا استفاده کنند. در این روش به تعداد موردنیاز از طناب‌های فیبر کربنی در پشت بام سازه کار گذاشته می‌شوند. اتصال انتهای این فیبرها به زمین به مهار کامل ساختمان می‌انجامد.

طبق مطالعات انجام‌شده روی این روش در زمان زلزله و قتی که ساختمان به سمت راست تکان می‌خورد، مفتول‌های موجود در سمت چپ به عقب کشیده می‌شوند و بالعکس. ریسمان‌های فیبر کربنی به عنوان یک لایه پایدار مانع لرزش ساختمان در زمان زمین لرزه‌های شدید خواهند شد.

استفاده از کیسه‌های هوایی

برای ساخت برخی از ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله ژاپن تکنیک کیسه‌های هوایی را به کار می‌برند. این تکنیک در سال 2012 میلادی توسط شرکت دانشین (Danshin) پیشنهاد شد. طبق این روش، ساختمان‌ها روی کیسه‌های هوایی بزرگی قرار می‌گیرند. در زمان زلزله‌های مرگ‌بار، قدرت ارتجاعی ساختمان افزایش می‌یابد و احتمال ریزش آن هم کاهش پیدا می‌کند.

با وجود کیسه‌های هوایی که زیر بنا قرار می‌گیرند زمان وقوع زلزله، ساختمان با زاویه مشخصی تکان می‌‌خورد و ضریب شکست آن به حداقل ممکن می‌رسد. یکی از دلایل افزایش ضریب شکست، وزن بالا و عدم انعطاف‌پذیری سازه‌ها است که با تکنیک کیسه‌های هوا این دو فاکتور مورد توجه ویژه قرار گرفته‌اند.

نحوه عملکرد کیسه‌های هوا در بهترین ساختمان های مقاوم در برابر زلزله ژاپن به این شکل است که حسگرهای حساس تعبیه‌شده در کیسه‌ها با ثبت اولین ارتعاشات، توسط کمپرسور از هوا پر می‌شوند. این عملیات تنها در عرض چند صدم ثانیه اتفاق می‌افتد. نکته جالب این است که کیسه‌های هوا سازه را از فونداسیون جدا نمی‌کنند، بلکه فضای جابه‌جای بیشتری را در اختیار ساختمان قرار می‌دهند. بعد از پر شدن کیسه‌های هوا، ساختمان به‌اندازه سه سانتی‌متر بالاتر می‌رود و در وضعیت ایستایی کامل قرار می‌گیرد.

استفاده از تکنیک ایزوله کردن پایه (Base Isolation)

یک روش رایج دیگر برای ساخت ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله ایزوله کردن پایه نام دارد. ایزوله کردن پایه در واقع به مجموعه‌ای از عناصر سازه‌ای گفته می‌شود که ارتباط بین اجزای مختلف یک سازه را قطع می‌کنند.

به عبارت دیگر، در این تکنیک با ایجاد انفصال بین سازه و فونداسیون، ساختمان مقاوم خواهد شد و در زمان زمین‌لرزه دچار تحرک و لرزش نمی‌شود. کیسه‌های هوایی و محور‌های توپی در اصل، حاصل همین ایده اولیه ایزوله کردن پایه هستند. در ژاپن از این روش به‌اشکال مختلف برای بنای سازه‌ها بهره می‌گیرند.

استفاده از چهارچوب گهواره‌ای (Rocking Frames)

استفاده از چهارچوب‌های گهواره‌ای یکی دیگر از تکنولوژی‌های پیشگامانه برای ساخت ساختمان های مقاوم در برابر زلزله ژاپن است. این روش از سه جزء مهم تشکیل می‌شود که کابل‌ها، قاب‌ها و فیوزهای فلزی را در بر می‌گیرند. از مهم‌ترین مزایای استفاده از این روش می‌توان به بالا رفتن سرعت ساخت‌وساز اشاره کرد. در عین حال، مقاومت در برابر زلزله در این گونه ساختمان‌ها هم افزایش پیدا می‌کند.

اولین بار پروفسور گرگوری دایرلاین (Gregory Deierlein) در سال 2010  از پیشنهاد فریم‌های آهنی یا گهواره‌ای در ساختمان سخن گفت. این محقق این روش را در ساخت یک بنا در ژاپن به کار برد و شاهد اثربخشی آن پس از یک زلزله هفت ریشتری در شهر میکی ژاپن (Miki City) شد. پس از زلزله، کابل‌ها و فیوزها تعویض شدند. اما به ساختمان هیچ آسیب جدی وارد نشد. افرادی که درون چنین ساختمان‌هایی هستند، در زمان وقوع زلزله‌های فاجعه‌بار احساس می‌کنند که زمین اطراف در حال حرکت به سمت بالا است.

علت این حس را هم حرکت پروانه‌ای فریم‌هایی اعلام می‌کنند که در بنا طراحی شده‌اند. با استفاده از روش فریم های گهواره‌ای، کمترین آسیب ممکن در هنگام زلزله به ساختمان وارد می‌شود.

استفاده از دیوارهای میرا

یکی دیگر از روش‌های ساخت ساختمان های مقاوم در برابر زلزله ژاپن استفاده از دیوارهایی به نام دیوارهای میرا است. دیوارهای میرا با هدف به حداقل رساندن لرزش‌های ناشی از زلزله به کار گرفته می‌شوند.

سازه‌های میرا به دو نوع فعال (Active type) و غیرفعال (Passive typ) تقسیم‌بندی می‌شوند. در نوع غیر فعال از نیروهای فیزیکی برای تامین انرژی بهره می‌گیرند و در نوع فعال برای تامین انرژی از برق یا موارد مشابه آن استفاده می‌کنند. سازه‌های میرا نسبت به ساختمان‌هایی که به اصطلاح مقاوم‌سازی شده‌اند با وقوع زلزله، کارایی بیشتر و موثرتری از خود نشان می‌دهند.

به اعتقاد کارشناسان، ساختمان‌هایی که با استفاده از دیوارهای میرا ساخته می‌شوند توانایی کاهش لرزش‌های زمین‌لرزه را بین 70 تا 80 درصد بیشتر از سایر سازه‌ها خواهند داشت.

استفاده از تکنیک زایشین (Seishin)

در بیشتر ساختمان های مقاوم در برابر زلزله ژاپن تکنیک زانشین موردتوجه قرار می‌گیرد. این تکنیک برای مهار و جابه‌جایی ساختمان‌ها کاربرد دارد. این تکنیک برای ساخت ساختمان‌های بلندمرتبه و آسمان‌خراش‌ها عملکرد بسیار موثری نشان خوهد داد. در این روش از ضربه‌گیرهایی تحت عنوان دمپر (Damper) استفاده می‌کنند که وظیفه آن‌ها جذب انرژی حاصل از زمین‌لرزه است.

در نتیجه، تکان‌های زمین‌لرزه تا حد زیادی توسط این دمپرها کاهش خواهد یافت. استفاده از این تکنیک برای مقاوم‌سازی ساختمان‌ها در برابر زلزله بسیار هنگفت و گران تمام می‌شود. اما کارایی و عملکرد بالای آن در مصون ماندن در مقابل زلزله‌های فاجعه‌بار باعث شده است که از آن برای ساخت سازه‌های مرتفع در بیشتر نقاط ژاپن استفاده کنند.

بهترین ساختمان‌های ضد زلزله ژاپن و ویژگی‌های آن‌ها

روش‌های مقاوم‌سازی ساختمان‌ها در برابر زلزله ژاپن از سال 1981 میلادی در این کشور آغاز شد. پس از آن، استانداردهای خاصی برای بنای ساختمان‌ها اعمال شدند. بر طبق این استانداردها، ساختمان‌ها در دو گروه سازه‌های محکم و سخت (Rigid Structure) و سازه‌ای منعطف (Flexible Structure) قرار می‌گیرند.

بیشتر ساختمان‌ها می‌توانند وزن سازه و نیروهای مربوط به آن را تحمل کنند. اما این بدان معنا نیست که ساختمان‌ها می‌توانند فشارها و نیروهای رانشی را نیز تحمل کنند که از چپ و راست به آن‌ها وارد می‌شود. در نتیجه خطرناک‌ترین بناها در زمان زلزله‌های فاجعه‌بار سازه‌هایی هستند که با استفاده از بتن و آجر ساخته شده باشند. نیروهای جانبی که به این ساختمان‌ها فشار وارد می‌کنند به ریزش آن‌ها هم منجر خواهد شد.

کشور ژاپن برای پرهیز از این فاجعه‌ها چند تدبیر مهم به کار می‌گیرد، از جمله بستن فونداسیون‌ها، دیوارها و طبقات به یک جعبه محکم که می‌تواند به هنگام زلزله ساختمان را در جای خود ثابت نگه دارد‌. در ادامه این بخش برخی از بهترین ساختمان های مقاوم در برابر زلزله ژاپن را معرفی و بررسی می‌کنیم:

برج روپونگی هیلز موری (Roppongi Hills Mori Tower )

در منطقه میناتو توکیو چندین آسمان‌خراش بلند وجود دارد. بلندترین آسمان‌خراش موجود در این منطقه با 238 متر ارتفاع روپونگی خیلی موری نامگذاری شده است. این سازه با 54 طبقه یکی از ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله به‌شمار می‌رود. وجود فناوری جاذب حرکتی یا همان میراگرهای روغنی و لوله‌کشی‌های فولادی تقویت‌شده باعث شده‌اند که این ساختمان به یکی از بهترین سازه‌های مقاوم در برابر زلزله تبدیل شود. 

در این میراگرهای روغنی نیمه فعال، 192 کمک فنر تعبیه شده‌اند. به هنگام وقوع زلزله وقتی ساختمان تکان می‌خورد، میراگرها باعث لغزش صفحات روغنی در جهت مخالف خواهند شد. با این کار لرزش ساختمان به تعادل رسیده و شدت آن به حداقل ممکن می‌رسد. 

توکیو اسکای‌ تری (Tokyo Skytree)

یکی دیگر از بهترین ساختمان های مقاوم در برابر زلزله ژاپن، برج فلزی توکیو اسکای تری نام دارد‌. این برج که در نزدیکی آساکوسا واقع شده است یکی از بزرگ‌ترین برج‌های رسانه‌ای رادیو و تلویزیون ژاپن به‌شمار می‌رود. توکیو اسکای ‌تری در سال‌های 2008 و 2012 ساخته شد و ارتفاع آن به 634 متر می‌رسد. ایده طراحی این سازه را از سیستم ریشه یک درخت گرفته‌اند.

این ساختمان از یک ستون مرکزی به همراه سه پایه تشکیل می‌شود که به کمک میراگرهای روغنی انعطاف‌پذیر تا ارتفاع 125 متر به هم وصل شده‌اند.‌ ستون مرکزی این برج غول‌پیکر به‌عنوان یک وزنه تعادل به نظر می‌رسد که با شروع زلزله، لرزش‌ها را به قسمت بیرونی منتقل می‌کند. در ساخت این برج، تکنیک سازه‌های میرا را به خدمت گرفته‌اند که مرکز سنگینی برج را در نزدیک پایه نگه می‌دارد.

وجود گره‌های بتنی از جنس فولاد تقویت‌شده و دیوارهای خرپایی که تا 50 متر زیر زمین امتداد دارند، پایداری و استحکام بی‌نظیری به این برج بخشیده‌اند. در نتیجه در صورت رخ دادن هرگونه زلزله فاجعه‌باری، این سازه می‌تواند بیشترین مقاومت را در برابر آن نشان دهد.

آرک هیلز سنگوکویاما (Ark Hills Sengokuyama)

یکی دیگر از بهترین ساختمان های مقاوم در برابر زلزله ژاپن را آرک هیلز سنگوکویاما می‌دانند. از نظر فناوری باید گفت که در این برج نیز از همان فناوری‌های برج اسکای تری و برج موری بهره گرفته شده‌اند. در بین شکاف‌های هر کدام از طبقات آن از میراگرهای روغنی و صفحات فولادی عظیم استفاده شده است. با بروز زلزله‌های عظیم، صفحات فولادی با کمک میراگرهای روغنی حرکت می‌کنند و به افزایش مقاومت ساختمان در برابر حرکات و لرزش‌های زلزله می‌انجامند.

فابو (Fa-bo)

ساختمان و آزمایشگاه فابو در شهر نوما به کارخانه نساجی کوماتسو سایرن تعلق دارد. در مقاوم‌سازی این سازه که یکی از ساختمان های مقاوم در برابر زلزله ژاپن به‌شمار می‌رود فناوری طناب‌های فیبر کربنی نقش‌ بازی می‌کند. در این ساختمان اداری برای سه طبقه از حدود 1031 طناب الیاف کربنی استفاده کرده‌اند که با زوایای مختلف از قسمت انتهایی بام ساختمان به زمین متصل شده‌اند. علاوه بر این، حدود 2788 طناب دیگر در فضای داخلی پرده اولیه جای داده شده‌اند که باعث پایداری چندین برابری ساختمان در برابر زلزله می‌شوند.

با تکان‌های زلزله و زمانی که ساختمان از یک طرف به طرف دیگر تکان می‌خورد این میله‌های سخت و انعطاف‌پذیر، ساختمان را به جهت مخالف می‌کشند و به این ترتیب باعث تعادل آن و جلوگیری از ریزش ساختمان خواهند شد.

خانه‌های «شناور (Air Danshin Floating Homes) »

از دیگر ساختمان های مقاوم در برابر زلزله ژاپن باید به خانه‌های شناور اشاره کرد که توسط شرکت ژاپنی (Air Danshin) بنا شد. برای ساخت این سازه‌های مسکونی به تکنیک کیسه‌های هوا تکیه کرده‌اند.

این خانه‌ها به ردیاب زلزله مجهز هستند. در صورتی که حسگرها، لرزش زمین‌لرزه را ثبت کنند، کمپرسور هوا به فضای زیر ساختمان فشار می‌آورد و کیسه‌های هوایی را پر می‌کند که در زیر ساختمان تعبیه شده‌اند. با این کار، ساختمان سه سانتی‌متر بالاتر کشیده می‌شود. این امر لرزش ناشی از زلزله را غیرممکن می‌کند و در نتیجه به افزایش مقاومت آن منجر خواهد شد.

جمع‌بندی 

ژاپن به عنوان یکی از کشورهای زلزله‌خیز جهان از سال‌ها پیش برای مقابله با این پدیده به بحث مقاوم‌سازی ساختمان‌ها توجه ویژه‌ای کرده است. در ساختمان های مقاوم در برابر زلزله ژاپن از تکنولوژی‌های پیشرفته و مواد باکیفیت استفاده می‌شود.

بسیاری از ساختمان‌ها دارای سیستم‌های خاصی هستند و با تکنیک‌هایی اعم از طناب فیبر کربنی، کیسه هوا و غیره تقویت شده‌اند. همچنین برای طراحی این ساختمان‌ها تاکید می‌کنند که سازه به‌طور کامل از زمین جدا شود تا احتمال تحریک آن در زمان زمین‌لرزه شدید کاهش پیدا کند. به نظر می‌رسد که نه‌تنها ژاپن، بلکه همه کشورهای جهان باید تدابیر مشابهی را برای مقاوم‌سازی ساختمان‌ها برای مقابله با بلایای طبیعی در نظر بگیرند.