تشدیدهای هماهنگِ ویران‌گرِ باد و زلزله در ساختمان‌ها

[∆ MeRzaD ∆]

سازه‌ی یک ساختمان بارهای زیادی را تحمل می‌کند. بخشی از این بارها، دگرگون‌ناشونده‌اند و یا دست‌کم این که دگرگونی آن‌ها در طول زمان ناچیز است. به همین خاطر می‌گوییم که این بارها به صورت استاتیکی یا ایستا عمل می‌کنند. در قوانین و مقررات ساختمانی فرض بر آن است که حتی باد نیز به صورت ایستا عمل می‌کند گرچه آشکار است که در عمل چنین نیست.
بارهایی را که مقدار یا موقعیت آن‌ها به تندی دگرگون می‌شود، یا بارهایی را که به گونه‌ای ناگهانی وارد می‌شوند بارهای دینامیک یا پویا می‌نامند. اگر ویژگی پویایی چنین بارهایی را نادیده بگیریم می‌توانند به راستی خطرآفرین از آب درآیند و برای همین است که باید کنش آن‌ها را به روشنی دریافت. تجربه‌ی ساده و هر روزه‌ی فروبردن میخ با کوبیدن چکش بر آن، نشان می‌دهد که هرگاه وزن کله‌ی متحرک چکش به صورتی ناگهانی بر میخی اِعمال شود نتیجه‌ای به دست می‌دهد که با اِعمال آهسته‌ی همان وزن بر همان میخ، دست‌یافتنی نیست.
برای به صدا درآوردن زنگ بزرگ و سنگین وزنِ کلیسا، خادم، طنابِ آن را با تکان‌هایی ناگهانی و سخت و با آهنگی منظم، رو به پایین می‌کشد. زنگ، شروع می‌کند به تاب خوردن و با هر تکان تند، نوسانی بزرگ‌تر می‌یابد، تا سرانجام به صدا درمی‌آید. خادم نمی‌تواند تنها با یک کشش ناگهانیِ سخت به چنین نتیجه‌ای دست یابد، برعکس، باید پس از نوسانی که با اولین کشش طناب در زنگ جند تُنی می‌آفریند، هماهنگ با نوسانات زنگ، تا مدتی به تکان‌های گام به گام طناب ادامه دهد.
به نیرویی که کوبش وزنه‌ی چکش اِعمال می‌کند بارِ ضربه‌ای گفته می‌شود. کشش آهنگین طناب توسط خادم، حالتی ویژه از نیروی تناوبی یا دوره‌ای است که به آن بار تشدیدی یا بار بازآوا می‌گویند. در مثال نخست، هرچه سرعت فرود آمدن چکش بیش‌تر باشد، یا هرچه زمانی که نیرو در طی آن به مقدار قله یا بیشینه‌ی اندازه‌اش می‌رسد کوتاه‌تر باشد اثر آن بزرگ‌تر و مؤثرتر خواهد بود. کوبش آنی، نیروی بی‌اندازه بزرگی می‌آفریند که احتمالاً ممکن است با آثاری خردکننده همراه باشد. در مثال دوم، نیرویی به نسبت ناچیز که در زمانی طولانی و گام به گام اِعمال می‌شود آثاری فزاینده می‌آفریند: نیروی کمِ چند کیلوییِ گام به گام، می‌تواند سرانجام، زنگی به وزن چندین تن را به تاب خوردن درآورد.
نیروهای پویا از راه‌هایی گوناگون بر سازه وارد می‌شوند. اثر تندباد ناگهانی می‌تواند همانند تأثیر کوبش چکش باشد. هرگاه آهنگ گام‌های دسته‌ای از سربازانی که بر روی پل قدم‌رو نظامی می‌کنند هماهنگ با نوسانات طبیعی آن پل باشد، قدم رو آن‌ها باری تشدیدی بر پل وارد می‌آورد. برخی از پل‌های کوچک، در زیر این‌گونه بارهای تشدیدی فروریخته‌اند. ویژگی بار ضربه‌ای، افزایشِ ناگهانی بار است در زمانی کوتاه، و ویژگی بار بازآوا یا تشدیدی، دگرگونی‌های آهنگین آن است. اما زمان یک ضربه چه هنگامی کوتاه است؟ و چه هنگام، بار دگرگون شونده در «بازآوایی» با یک سازه است؟ همه‌ی سازه‌ها تا حد معینی کشسان یا الاستیک‌اند. این خاصیت در آن‌ها وجود دارد که با بارگذاری دچار انحراف می‌شوند و پس از باربرداری به وضعیت آغازینشان بازمی‌گردند. سازه‌ها، به خاطر کشسانی‌اشان به نوسان کردن گرایش دارند: آسمان‌خراش، پس از وزش تندبادی ناگهانی برآن به تاب خوردن می‌افتد، و راه آهن، پس از گذشتن قطار از روی آن، لرزشی در راستای بالا و پایین پیدا می‌کند. مدت زمانی که نیاز است تا یک سازه، تاب خوردن با لرزشی بالا و پایین را به طور کامل از سر بگذراند، به سفتی و وزن آن سازه بستگی دارد و آن را دوره‌ی تناوب اصلی آن سازه می‌نامند. ساختمان‌های نوین، در هر کجا که باشند، برای از سر گذراندن یک نوسان کامل، به زمانی از یک دهم ثانیه تا ده ثانیه یا بیش‌تر نیاز دارند. یک سازه‌ی سفت، به تندی به نوسان درمی‌آید؛ بنابراین، یک ساختمان کم‌ارتفاع و صُلب، دوره‌ی تناوبی کوتاهی دارد. یک سازه‌ی خمش‌پذیر، به‌آهستگی به نوسان درمی‌آید؛ بنابراین، نوسانِ کامل یک آسمان‌خراش فلزی بلند، ممکن است ده ثانیه یا حتی بیش‌تر به طول بیانجامد. درواقع دوره‌ی تناوب اصلی یک سازه، معیاری خوب برای اندازه‌ی سفتی آن به شمار می‌رود.
زمان اِعمال باری بر یک سازه را برخلاف دوره‌ی تناوب اصلی آن سازه اندازه‌گیری می‌کنند: اگر این زمان، در مقایسه با دوره‌ی تناوب اصلی سازه، کوتاه باشد، آن بار دارای تأثیرهای پویاست، و اگر این زمان، دراز باشد، بار، تنها دارای تأثیرهای ایستاست. چنین است که می‌بینیم که یک بار دگرگون‌ شونده ممکن است برای سازه‌ای مفروض، ایستا، ولی برای سازه‌ای دیگر، پویا باشد. تندبادی که با سرعتی کم و در مدتی دراز بر ساختمانی سفت و با دوره‌ی تناوب اصلی کوتاه می‌وزد تأثیری همانند فشاری ایستا و ثابت بر آن ساختمان دارد. تندبادی که با سرعتی زیاد ولی در مدتی کوتاه بر ساختمان‌هایی خمش‌پذیر و با دوره‌ی تناوبی بلند می‌وزد، می‌تواند سازه‌ی بنا را به کرنشی وادارد که بسیار بزرگ‌تر از کرنشی است که می‌توان برای فشار ایستای آن پیش‌بینی کرد. جریان هوای ناشی از انفجار بمب هسته‌ای چنان زود به مقدار قله یا اندازه‌ی بیشینه‌ی فشارش می‌رسد که آثار آن همواره پویاست. توان ویران‌گر بمب هسته‌ای، که از مقدار قله‌ی فشار آن – که بسیار بالاست – و تأثیر ناگهانی‌اش ناشی می‌شود، نمونه‌ای از نمایش اندوهناک آن بلایی است که بارهای پویا می‌توانند بر سرِ سازه‌ها بیاورند.
در وضعیت‌های عملی گوناگون، تأثیرهای پویای یک بار مفروض، صددرصد بیش‌تر از تأثیرهای ایستای آن‌اند. اگر وزنه‌ی یک کیلوگرمی را به آهستگی روی کفه‌ی ترازوی فنری بگذاریم، عقربه‌ی ترازو روی شماره‌ی یکِ صفحه خواهد ایستاد. اما اگر همان وزنه را ناگهان روی کفه‌ی ترازو ول کنیم، عقربه به تندی تا شماره‌ی دو خواهد رفت و سپس به نوسان خواهد افتاد و سرانجام روی نشانه‌ی یک کیلوگرم خواهد ایستاد. از میان بارهای گوناگونی که بر سازه‌های معماری وارد می‌شوند کم‌تر باری حالت ضربه‌ای دارد. اما بارهایی که زلزله به سازه‌های معماری وارد می‌کند ویژگی ضربه‌ای دارند. زلزله، تکان خوردن ناگهانی زمین است. این تکان، مجموعه تکان‌ها و ضربه‌های دگرگون شونده‌ای را ، به صورت پی‌درپی و بدون نظم، از شالوده و پی‌های یک بنا به کل سازه‌ی آن منتقل می‌کند. این تکان‌ها و ضربه‌ها، در اشکوب‌های بالاتر، به حرکت‌های نوسانی بزرگ‌تری می‌انجامند.

هسته‌ی مذاب مرکز زمین، باعث پیدایش تنش‌هایی در پوسته‌ی زمین می‌شود. این تنش‌ها در بند پوسته‌ی زمین اسیر می‌مانند و یا به اصطلاح در آن ذخیره می‌شوند. هرگاه در جایی از پوسته، بزرگی این تنش‌ها به اندازه‌ای برسد که بتواند تکه‌ای از پوسته را، بسته به وضعیت تکه‌ی کناری آن، ناگهان به این یا آن سو براند، زمین لرزه روی می‌دهد. هربار که چنین رانشی روی می‌دهد، در رویه‌ی بخش‌های زیرزمینی پوسته، شکاف‌هایی به پهنای سی سانتیمتر یا بیش‌تر، و به درازای صدها کیلومتر پدید می‌آید که به آن گسل می‌گویند. نمونه‌ی این گسل‌ها را در سراسر ایالات متحده‌ی امریکا می‌توان دید. در امریکا، گسل‌های یادشده، به ویژه در ایالت کالیفرنیا، که هرچند گاه یک بار زلزله‌های نیرومند را به خود می‌بیند، پرشمارتر و فعال‌ترند.
پیش‌بینی زلزله، گرچه هنوز دوران آغازین خود را می‌گذراند، به سرعت در حال تبدیل شدن به یک دانش ویژه است. هنگامی که سنگی به درون حوضچه‌ای از آب می‌افتد موج‌هایی می‌آفریند که دایره‌وار به اطراف گسترش پیدا می‌کنند. آزاد شدن اندکی از انرژی مانده در بندِ پوسته‌ی زمین نیز موج‌هایی تنش‌آلود می‌آفریند که رو به بیرون از پوسته منتشر می‌شوند. سرعت این موج‌ها به مقدار تنش‌های مانده در بند پوسته بستگی دارد. به این ترتیب، هرگاه در سرعت موج‌های یاد شده افزایشی پدید آید، می‌توان دریافت که افزایشی در مقدار تنش‌های مانده در بند پوسته پدید آمده است و این می‌تواند نشانه‌ای از خطر زلزله‌ای باشد که به زودی روی خواهد داد. نیروهای پویای ناشی از حرکت تکانی و ضربه‌ای پوسته‌ی زمین بیش‌تر افقی‌اند؛ برای همین با بهره‌گیری از یک سیستم مهاربندی (بادبند) در سازه‌ی ساختمان‌ها – که برای پایدار کردن سازه در برابر نیروهای باد به کار می‌روند – می‌توان این سازه‌ها را دربرابر نیروهای یاد شده نیز پایدار کرد. به جز این، شیوه‌های گوناگون دیگری را نوآوری کرده‌اند که می‌تواند بناها را دربرابر نوسان‌های زلزله، به اصطلاح عایق‌بندی کند. یکی از این شیوه‌های نوآورانه طرحی است که در آن پایه‌های شالوده‌ی بنا را از لایه‌های یک‌درمیان از جنس فلز و پلاستیک و به گونه‌ای می‌سازند که در برابر تکان‌های زمین هم‌چون فنرهایی افقی کار می‌کنند و به این ترتیب می‌گذارند تا خاک در زیر ساختمان آزادانه تکان بخورد. شیوه‌ی دیگر، به کارگیری مجموعه دستگاهی است به نام ضربه‌گیر پویا یا میرانه‌ی پویا. سازوکار این مجموعه چنان است که تکان‌هایی را که زلزله در ساختمان پدید می‌آورد می‌میراند. در این شیوه، جرمی سنگین از بتُن را در روی بام ساختمان با فنرهایی به دیوارهای کناری آن می‌پیوندند. این جرم می‌تواند روی لایه‌ای از روغن در روی بام بلغزد. هرگاه ساختمان بر اثر ضربه‌ی زلزله یا تندبادی ناگهانی به حرکت درآید، یک سیستم واکنش‌گر الکترومکانیکی، جرم بتُنی را در راستای مخالف حرکت ساختمان فشار می‌دهد. به این ترتیب، فنرها در یک سو به هم فشرده و در سوی دیگر ازهم باز می‌شوند و به نوبه‌ی خود باعث فشار دادن و کشیدن ساختمان به سوی وضعیت تعادل آغازین آن می‌شوند.

کنش زلزله بر یک ساختمان، به طبیعت خاک منطقه و ویژگی‌های خود آن ساختمان بستگی دارد و برای همین، طراحی برای پایداری در برابر زلزله، فصلی پیچیده از نظریه‌ی سازه‌ها را تشکیل می‌دهد. تنها طی همین چند دهه‌ی گذشته بوده که پژوهش‌گران توانسته‌اند در زمینه‌ی جنبش‌های ناشی از زلزله و ویژگی‌های پویای ساختمان، اطلاعاتی تا به آن اندازه کافی گردآورند که با بهره‌گیری از آن بتوان طراحی پویای مطمئنی برای پایداری در برابر زلزله را به پیش برد و به همین ترتیب بوده که ساختمان‌های بلندی که با به کارگیری اطلاعات یاد شده به درستی طراحی شدند توانسته‌اند از زیر بار زلزله‌هایی جان به در برند که ساختمان‌های اگرچه کوچک‌تر اما محاسبه نشده برای زلزله نتوانسته‌اند دربرابرشان پایدار بمانند و ویران شدند.
گاهی در سازه‌های معماری، بارهایی تشدیدی یا بازآوا پیدا می‌شود. مثلاً گاهی ممکن است که تکه‌ای از یکی از ماشین‌آلاتِ سنگین، به دلیل جنبش قطعات دیگرِ آن دستگاه به ارتعاش درآید. اگر دوره‌ی تناوب این ارتعاش با دوره‌ی تناوب سازه‌ی ساختمانی که دستگاه در آن جای گرفته یکی شود ارتعاش دستگاه به سازه منتقل می‌شود و سازه با نوسان‌های فزاینده به لرزش درمی‌آید. به این ترتیب ممکن است بارهایی کمابیش ناچیز که دوره‌ی تناوبی بازآوا دارند کف‌ها، شالوده‌، و کل ساختمان را باخطر روبه‌رو کنند.
ارتعاش‌های تشدیدی را با میرانه‌های پویای هماهنگ نیز می‌توان کم‌زور کرد. در میرانه‌های پویای هماهنگ، دوره‌ی تناوب سیستمِ «فنرها-جرم بتنی» را با دوره‌ی تناوب ساختمان یکی می‌کنند. جرم، که جنبش آن نسبت به ساختمان را به یاری دستگاه‌‌های اصطکاکی می‌میرانند در بازآوایی با نوسان‌های ساختمان، اما در راستای مخالف، به ارتعاش درمی‌آید و به این ترتیب، درعمل ساختمان را توسط کنش فنرهای پیوند دهنده، در وضعیتی بی‌حرکت نگه‌ می‌دارد. ارتعاش‌های ساختمان هر سرچشمه‌ای داشته باشند می‌توان آن‌ها را به کمک دستگاه‌های اصطکاکی میراند که در برخوردگاه هر دو عضو سازه به گونه‌ای که بتوانند هریک از آن عضوها را نسبت به دیگری بلغزانند کار گذاشته شده‌اند. در قاب‌های فلزی، میرانه‌های اصطکاکی را در برخوردگاه قطرهایی کار می‌گذارند که با جوش یا پیچ و مهره به یک‌دیگر پیوند نیافته باشند. آسمان‌خراش‌های مرکز بازرگانی جهانی در نیویورک را با صدها افزاری از این‌گونه ضربه‌گیر کرده بودند. برای پیش‌گیری از ویران شدن ساختمان‌ها براثر زلزله، نکات بسیاری را باید درنظر گرفت و رعایت کرد. پرهیز از ساختن ساختمان‌هایی به شکل‌هایی که لرزش‌های ناشی از زلزله را تشدید می‌کنند ونیز رعایت برخی نکات فنی نه چندان پیچیده و دشوار، می‌تواند از آسیب‌های جانی و مالی ناشی از زلزله تا حد زیادی بکاهد. کاستن از آثار ویران‌گر زلزله بر ساختمان‌ها، حتماً نیازمند بهره‌گیری از روش‌‌های گران قیمت و خیلی نوآورانه نیست اما بد نیست با روش‌های نوین در این زمینه آشنا باشیم.
باد، پدیده‌های دینامیکی پیچیده‌تری می‌آفریند. اگر یک روسری یا دستمال را از پنجره‌ی اتوموبیل در حال حرکتی بیرون نگه داریم خواهیم دید که تکان‌های تندی در راستای بالا و پایین پیدا می‌کند. این اهتزاز یا بال‌بال زدن را که در اثر وزش ثابت باد بر آن پارچه پدید می‌آید نوسان هواپویا (یا نوسان آیرودینامیک) می‌نامند (شکل زیر).

با فوت کردن بر لبه‌ی کاغذ نازک نیز می‌توان به سادگی چنین نوسانی را پدید آورد. نمونه‌ای از آثار ویران‌گر نوسان‌های هواپویا در واشنگتن امریکا دیده شد. در آن‌جا بادی که با سرعتی کمابیش اندک ولی به صورت ثابت، به مدت چهل و پنج دقیقه بر پل معلق تاکوماناروز وزید نوسان‌هایی پویا در پل آفرید که بزرگی آن‌ها به صورتی پایا افزایش یافت و پل را آن قدر به پیچ و تاب انداخت که سرانجام کل آن را ویران کرد.
گاه ساختمان باعث انحراف جریان باد می‌شود. در این وضعیت نیز باد بارهایی پویا بر سازه وارد می‌کند. برای نمونه، هنگامی که بادی بر یک ساختمان می‌وزد بر نمای رو به باد آن فشارهایی وارد می‌آورد که می‌تواند شیشه‌های پنجره‌ها را رو به درون بفشارد. برعکس، در نماهای پشت به باد، مکث‌هایی پدید می‌آورد که می‌تواند شیشه‌ها را رو به بیرون بمکد. همه‌ی پدیده‌های پویا پیچیده‌اند. طراحان باید از کنش این پدیده‌ها آگاه باشند و در تحلیل آن‌ها هوشیارانه عمل کنند. قوانین و مقررات ساختمانی برای خنثی کردن این گونه پدیده‌ها، بارهای پویای معادل را پیشنهاد کرده‌اند. گرچه پیشنهادهای قوانین و مقررات ساختمانی رسمی هر کشور، قاعدتاً همه‌ی جوانب اطمینان‌بخش مسأله‌ها را در نظر دارد، موضوع پدیده‌های پویا چنان خطیر و مهم است که کارشناسان برآنند که در این زمینه طراحان باید حتی پیشنهادهای قوانین و مقررات ساختمانی را نیز با رعایت احتیاط‌ها و دقت نظرهایی موشکافانه‌تر به‌کار بندند.

[ss.mu]

بیچاره ساختمونه چه چیزایی باید تحمل کنه