گزارشی از «میز لرزه‌ای» (Shaking Table)

محمدرضا اسلامی؛ دانشجوی دکتری مهندسی سازه دانشگاه کوبه:

یک سال پیش در همین روزها بود که آزمایشی در مرکز تحقیقاتی E-Defence ژاپن انجام شد که نتایج آن آزمایش برای بسیاری از محققین، مهندسین و حتی مردم عادی جالب توجه بود. یک ساختمان چوبی هفت طبقه مطابق ضوابطی که محققین طراحی کرده بودند بر روی میز لرزه ای ساخته شد و سپس، تکانهای زلزله ای با بزرگای ۵/۷ به آن اعمال شد تا وضعیت رفتار ساختمان چوبی هفت طبقه مورد ارزیابی قرار گیرد.

اصطلاح “میز لرزه ای” در مراکز تحقیقاتی مرتبط با زلزله و سازه، به میزهایی گفته می شود که امکان بنا کردن یک ساختمان در «مقیاس واقعی» بر روی میز وجود داشته و در زیر صفحه اصلی میز جک های هیدرولیکی قرار دارد که لرزش هایی مشابه لرزشهای زمین، به میز و ساختمان واقع بر روی آن وارد می کنند. این میزها امکان مشاهده رفتار دینامیکی سازه را برای محققین فراهم می کنند . مهم این است که تکانهای میز به نحوی باشد که حرکات زمین را در طول یک زلزله واقعی مشابه سازی کند. در آزمایش مورخ ماه جولای ۲۰۰۹ قرار بر این بود که رفتار و میزان مقاومت ساختمان چوبی بررسی شود . اینکه در چه زمان و تحت چه زلزله ای فرو می ریزد ؟ این آزمایش بزرگترین آزمایش بر روی یک ساختمان چوبی بود.

مرکز E-Defence در مجاورت شهر کوبه واقع شده و مرکزی است که بزرگترین میز لرزه ای دنیا در آن واقع شده و این امکان را برای محققین فراهم کرده تا بتوانند ساختمانهای عظیمی را بر روی آن بنا کرده و سپس رفتار سازه ها را در طول زلزله بررسی کنند . نکته مهم این است که این میز امکان لرزش در سه جهت Z وX ، Y را دارا بوده و در ضمن ظرفیت جک های هیدرولیکی که نصب شده به حدی است که می توان ساختمانهای مرتفع و با وزن زیاد را هم روی آن بنا کرد . ساخت این میز هفت سال طول کشیده (از ۱۹۹۷ تا ۲۰۰۵) و تاریخچه احداث آن بدین شرح است که بعد از زلزله ۱۹۹۵کوبه، تحقیقات ژاپنی ها در زمینه زلزله شدت و گستردگی بیشتری پیدا می کند و لذا دولت یک بودجه ویژه به آژانس علوم و تکنولوژی(STA:Science and Technology Agency) می دهد تا یک میز لرزه ای با ابعاد قابل توجه جهت آزمایش انواع سازه ها بنا نماید. طی چند سال اخیر رفتار نمونه های متعددی از سازه ها بر روی این میز مورد ارزیابی قرار گرفته است.^(۱) ریاست این مرکز به عهده پروفسور ناکاشیما است . من به شخصه بارها و بارها ناکاشیما را ستوده ام و او را از کسانی می دانم که حاصل تحقیقاتش در زمینه سازه و زلزله حق بزرگی به گردن بشریت خواهد داشت.

به دلیل چوبی بودن ساختمان ، این پروژه تحقیقاتی را قبل از رفتن به مرکز E-Defence کار ساده و پیش پا افتاده ای می دیدم . اما پس از ورود به E-Defence متوجه شدم که این پروژه تحقیقاتی با مشارکت این مراکز و دانشگاههای بسیار معتبری اجرا می شود :

– The University of Tokyo

– Kyoto University

– Colorado State University

– University of Buffalo

– University of Delaware

– (NSF (Americann National Science Foundation

– NEES (Network for Earthquake Engineering Simulation

در خصوص آزمایش انجام گرفته در زمینه این ساختمان هفت طبقه چوبی موارد زیر جالب بود که خوب است اشاره ای به آنها داشته باشیم :

۱- مراحل کار به این شکل بود که طی سه نوبت و به صورت حساب شده توسط جک های میز، لرزش تولید می شد و سپس وضعیت در و دیوار اتاق های مختلف ساختمان بعد از هر زلزله، مورد بازرسی و کنترل دقیق تیم برگزار کننده تست قرار می گرفت . سه مرحله به این شکل برنامه ریزی شده بود  که در مرحله اول زلزله ای با بزرگای ۶۰٪ زلزله نورتریج و در مرحله دوم با زلزله ای که بزرگای آن ۱۲۰٪ نورتریج بود، میز به لرزه درآمد. در آخرین مرحله نیز ساختمان با زلزله ای معادل ۱۸۰٪ زلزله نورتریج به لرزش درآمد.

در ابتدای روز ، توضیحات برنامه زمانبندی اعمال لرزه ها به همه شرکت کنندگان در آزمایش داده شد. سپس مطابق همه موارد دیگر در ژاپن و بنا به جایگاه رفیع ایمنی در تمام امور و مسائل  این کشور(!)، دستورالعمل ایمنی پخش شد و مفصل مورد تاکید قرار گرفت. سپس اتاقی که هر یک از ما باید بعد از اعمال لرزه به آن برویم مشخص شد، و مقرر شد که هر کس در اتاق حوزه بازرسی خود محل و اندازه ترک های بعد از زلزله را یادداشت نموده و سپس با ماژیک مشکی روی ترک کشیده و تاریخ و ساعت بزند تا پبشرفت ترک ها در هر مرحله از لرزه، قابل تشخیص باشد.

سپس توضیح داده شد که همه افراد تنظیمات دوربین هایشان را روی ۱۶۰۰*۲۴۰۰ قرار دهند تا عکس هایی که از ترک ها گرفته می شود حداقل یک مگا بایت حجم داشته باشد . این عکسها بعد از آزمایش در تحلیل رفتار سازه مورد استفاده قرار خواهند گرفت . همچنین توضیح داده شد که در عکس گرفتن از فلاش استفاده نشود . (اتاق بازدید من در طبقه سوم جنوبی بود.)

۲- از ابتدای ورود به محوطه E-Defence مشاهده پرچم آمریکا در کنار پرچم ژاپن توجه را به خود جلب می کند. این اولین باری بود که در یک پروژه مشخص، همکاری آمریکایی ها و ژاپنی ها را با هم ، در یک مکان و به صورت همزمان می دیدم . تفاوتها چقدر به چشم می نشیند و پیداست . پس از هر مرحله از لرزش میز، اساتید آمریکایی با همان روحیه اعتماد به نفس و مستحکم مراحل مختلف رفتار سازه را بعد از زلزله رصد می کردند و اساتید ژاپنی هم با همان سکوت و آرامش و دقت ژاپنی ترکهای ایجاد شده بعد از هر لرزه را کنترل می کردند . مدل صحبت کردنهای آمریکایی را با صدای بلند و اعتماد به نفس، همزمان با صحبت کردنهای آرام و دقیق ژاپنی، در یک زمان و در طبقات مختلف یک ساختمان می دیدی . اینکه در یک پروژه تحقیقاتی و یک کار فنی هم تفاوت های فرهنگی اینطور دیده می شود جالب می نماید. در خصوص این تفاوت رفتار ژاپنی ها با آمریکایی ها در حوزه تحقیق پیشتر و در نوشتار مورخ ۲۰/۴/۱۳۸۹ صحبت کردیم.

۳- پروفسور جان وندلیندت (John W. van de Lindt ) استاد دانشگاه کلورادو ( Colorado State University ) یکی از اساتید آمریکایی بود که در این پروژه مشارکت داشت . او همراه با خودش حدود ده نفر از دانشجویان دانشگاه کلورادو را نیز آورده بود و نکته عجیب برای من اینکه این گروه حدود دو ماه و نیم بود که در ژاپن و در شهر کوبه مستقر شده بودند تا بتوانند در تمام مراحل مقدماتی این تست (شامل ساخت ساختمان چوبی بر روی میز ، تنظیم کرنش سنج ها و کامپیوتر های متصل به سازه و … ) نیز حضور داشته باشند .

۴- دوربین های فیلم برداری متعددی که در پیرامون سازه نصب شده اند بسیار جلب توجه می کند. تعدد این دوربینها نشانی است از وسواس های لازم در امر ثبت رفتار سازه در طول زلزله .  ( جهت مشاهده فیلم مرتبط با این آزمایش می توانید به این لینک مراجعه نمایید.)

۵- نکته بسیار جالب در این پروژه تحقیقاتی، نتیجه آزمایش بود . در سومین مرحله لرزش نهایی  به ساختمان وارد شد . قبل از اعمال لرزه، زنگ ایمنی به صدا درآمد تا همه از محوطه اطراف ساختمان به سکوهای ایمنی بروند.صدای شمارش معکوس از بلندگوها شنیده شد:جو ، کیو، هاچی ، نانا… .و میز آخرین بار هم لرزید . با زلزله ای تقریباً دوبرابر زلزله نورتریج.

تمام تکانهای میز زلزله، نتوانست ساختمان را فرو بریزد و پس از اتمام لرزه هایی که در مراحل مختلف پیش بینی شده بود ساختمان برپا باقی ماند ! ^(۲)

۶- هم اکنون ساختمان چوبی در نقاط مختلفی از دنیا ساخته و استفاده می شود. این ساختمانها در کشورهایی که جنگل های زیادی دارند کاربرد دارد. در کانادا، ژاپن  و بخشهایی از آمریکا به دلیل در دسترس بودن چوب، این نوع ساختمان کاربرد بیشتری داشته و لذا مورد توجه محققین سازه و زلزله قرار گرفته است . با این دیدگاه موسسه آمریکایی NSF بودجه ای ۵/۱ میلیون دلاری را به تحقیق در باب این سازه ها اختصاص داده که پروژه مذکور نیز در همین راستا و با مشارکت آمریکا و ژاپن اجرا شد . در واقع وجود میز لرزه ای منحصر بفردی که در ژاپن و در مرکز E-Defence  قرار دارد، باعث شده تا آمریکایی ها ادامه تحقیقات خود را در این مرکز دنبال نمایند.

در نوبت آینده چند نمونه از تیپ متداول ساختمانهایی که اخیراً در شهرهای کوبه و اوساکا ساخته شده را مشاهده خواهیم نمود . در این تیپ ساختمان، طبقه اول بتنی و طبقات دوم و سوم چوبی ساخته شده است .

۷- آخرین نکته ای که باید در این بحث به آن اشاره شود ، گران بودن فوق العاده زیاد انجام این نمونه آزمایشهاست. در واقع ذهنیت اولیه بسیاری این است که، بخش اصلی بودجه مورد نیاز انجام چنین آزمایشهایی صرف ساختن «ساختمان و تخریب ساختمان» روی میز می شود؛ حال آنکه چنین چیزی صحیح نیست . بخش عمده بودجه مورد نیاز چنین آزمایش هایی، صرف  آنالیز اطلاعات بدست آمده از لرزش میز می شود. در واقع تیم بزرگی از محققین باید مراحل ساخت سازه بر روی میز و اعمال زلزله به آن را طراحی نموده و کار اصلی آنها پس از لرزش میز آغاز می شود. آنالیز اطلاعات بدست آمده پروسه ای بسیار زمان بر و هزینه بر است.

*******************************

امروزه برای محققین، بررسی رفتار (Behavior) سازه ها  مسیری شیرین و جذاب است . امروز مهندسین سازه با استفاده از دستاوردهای این علم، می توانند رفتار سازه ها در زلزله های مختلف را، تخمین زده و پیش بینی کنند.

جریان علم و تحقیق و سطح توان محققین امروز در سطحی و در مرحله ای است که بشر می تواند دقیق ترین برآوردها را از رفتار “ساخته های دست خودش” داشته باشد . در حوزه مهندسی سازه سالهاست که دیگر سازه مقاوم در برابر زلزله ساختن و طراحی نمودن دشوار نیست . بلکه تعیین “رفتار ” سازه ها در زمان بروز زلزله ملاک و معیار است . امروز ما میراث دار تلاشهای محقیقن چند دهه اخیر هستیم که نقش تصاعدی در پیشبرد علم داشتند . دریغ است اگر آنگونه که باید از این میراث بهره نجوییم و آن سان که شایسته است نسازیم ؛ هرگز نباید فراموش نکنیم که زمینی که کشورمان بر آن واقع است زمینی است پر زلزله و لرزان و چاره ای جز پرداختن به کیفیت و توجه به جزییات نیست.