مهندس میلاد محمودیان
مقدمه
«ایران، رویِ کمربندِ زلزله‌ی جهان، می‌خوابد و هر بیداری، با لرزشی تازه، همراه است.» این جمله، تلخ اما واقعی، بیانگرِ وضعیتِ لرزه‌خیزیِ ایران است. کشور ما، بر رویِ کمربندِ لرزه‌خیزِ آلپ-هیمالیا قرار دارد و یکی از زلزله‌خیزترینِ مناطقِ جهان، محسوب می‌شود. هر سال، صدها زلزله، این سرزمینِ کهن را می‌لرزانند؛ برخی، چنان خفیف که تنها زمین‌شناسان، آنها را حس می‌کنند، و برخی، چنان ویرانگر که تاریخِ یک شهر را، در چند ثانیه، دگرگون می‌سازند. از زلزله‌ی تاریخیِ دامغان (۸۵۶ میلادی) که منجر به تخریبِ کاملِ شهر شد، تا زلزله‌ی بم (۱۳۸۲) که ۳۰ هزار کشته برجای گذاشت، و از زلزله‌ی منجیل (۱۳۶۹) که درسِ مقاوم‌سازی را به ما آموخت، تا زلزله‌ی کرمانشاه (۱۳۹۶) که ضرورتِ بازنگریِ آیین‌نامه‌ها را گوشزد کرد، ایران، همواره، در کلاسِ درسِ زلزله، حضور داشته است.
زلزله، نه تنها یک پدیده‌ی طبیعیِ ویرانگر، بلکه بزرگ‌ترینِ استادِ مهندسانِ ایرانی است. هر زلزله، با خود، درس‌هایِ تازه‌ای به ارمغان می‌آورد؛ درس‌هایی که در آیین‌نامه‌ها، در طرح‌هایِ سازه‌ای، و در نگاهِ مهندسان، ریشه می‌دوانند. این مقاله، سفریست در این کلاسِ درسِ بزرگِ تاریخ؛ سفری که در آن، از ارگِ بم تا جداسازهایِ لرزه‌ای، از خشت تا بتنِ مسلح، از آیین‌نامه‌هایِ کهن تا هوشِ مصنوعی در پیش‌بینیِ زلزله، پیش می‌رویم. در این مسیر، به بررسیِ زلزله‌هایِ ویرانگرِ ایران، رفتارِ سازه‌ها در برابرِ زلزله، روش‌هایِ مقاوم‌سازی، آیین‌نامه‌هایِ زلزله، و فناوری‌هایِ نوینِ مقابله با این پدیده، می‌پردازیم.
۱. زلزله در تاریخِ ایران؛ درس‌هایی که بر زمین، نوشته شد
ایران، یکی از لرزه‌خیزترینِ کشورهایِ جهان است. این سرزمین، بر رویِ کمربندِ آلپ-هیمالیا، قرار دارد و گسل‌هایِ فعالی (مانندِ گسلِ شمالیِ تهران، گسلِ بم، گسلِ تبریز، و گسلِ زاگرس) از آن، عبور می‌کنند. در طولِ تاریخ، زلزله‌هایِ بزرگی، ایران را لرزانده‌اند و خساراتِ جانی و مالیِ هنگفتی، برجای گذاشته‌اند. مرورِ این زلزله‌ها، درس‌هایِ ارزشمندی برایِ مهندسانِ امروز، به همراه دارد.
۱-۱. زلزله‌ی دامغان (۸۵۶ میلادی)؛ بزرگ‌ترینِ فاجعه‌ی تاریخی
یکی از مخرب‌ترینِ زلزله‌هایِ تاریخِ ایران، در سالِ ۸۵۶ میلادی، در منطقه‌ی دامغان، رخ داد. این زلزله، با بزرگیِ تخمینیِ ۷.۸ ریشتر، شهرِ دامغان را به‌کلی، ویران کرد و بیش از ۲۰۰ هزار کشته برجای گذاشت. این زلزله، یکی از بزرگ‌ترینِ زلزله‌هایِ تاریخِ جهان است و نشان از فعالیتِ شدیدِ گسل‌هایِ ایران دارد. متأسفانه، به دلیلِ عدمِ ثبتِ دقیقِ علمی، اطلاعاتِ چندانی از مقاومتِ سازه‌هایِ آن دوران در دسترس نیست، اما این فاجعه، نشان از آسیب‌پذیریِ بشر در برابرِ این پدیده‌ی طبیعی دارد.
۱-۲. زلزله‌ی منجیل (۱۳۶۹)؛ نقطه‌ی عطفِ مهندسیِ زلزله
زلزله‌ی منجیلِ گیلان، در سالِ ۱۳۶۹، با بزرگیِ ۷.۳ ریشتر، یکی از بزرگ‌ترینِ زلزله‌هایِ تاریخِ معاصرِ ایران بود. این زلزله، ۴۰ هزار کشته برجای گذاشت و درسِ بزرگی به مهندسانِ ایران داد. بررسیِ خرابی‌ها نشان داد که بسیاری از سازه‌هایِ بتن‌آرمه، به‌دلیلِ ضعفِ در طراحی و اجرا، تخریب شده‌اند. این زلزله، منجر به بازنگریِ اساسی در آیین‌نامه‌هایِ زلزله‌ی ایران (آیین‌نامه‌ی ۲۸۰۰) و توجهِ جدی‌تر به مقاوم‌سازیِ ساختمان‌ها شد. جزئیاتِ اجرایی، کیفیتِ بتن، و فاصله‌ی خاموت‌ها، از جمله نکاتی بودند که پس از این زلزله، بیش از پیش، موردِ تأکید قرار گرفتند.
۱-۳. زلزله‌ی بم (۱۳۸۲)؛ تراژدیِ خشت
زلزله‌ی بم، در ۵ دیِ ۱۳۸۲، با بزرگیِ ۶.۶ ریشتر، یکی از تلخ‌ترینِ زلزله‌هایِ تاریخِ ایران بود. این زلزله، بیش از ۳۰ هزار کشته برجای گذاشت و شهرِ تاریخیِ بم را به‌کلی، ویران کرد. ارگِ بم، بزرگ‌ترینِ سازه‌ی خشتیِ جهان، در این زلزله، ۸۰ درصد تخریب شد. بررسیِ خرابی‌ها نشان داد که سازه‌هایِ خشتی، به‌دلیلِ شکنندگیِ ذاتی و وزنِ زیاد، در برابرِ زلزله، بسیار آسیب‌پذیر هستند. این زلزله، ضرورتِ مقاوم‌سازیِ بناهایِ تاریخی و استفاده از روش‌هایِ نوینِ بهسازی را، به‌خوبی، نشان داد. درسِ بزرگِ بم، این بود که تاریخ، بدونِ مهندسیِ مقاوم، در برابرِ زلزله، دوام نمی‌آورد.
۱-۴. زلزله‌ی کرمانشاه (۱۳۹۶)؛ هشدارِ دوباره
زلزله‌ی کرمانشاه، در آبانِ ۱۳۹۶، با بزرگیِ ۷.۳ ریشتر، یکی دیگر از زلزله‌هایِ بزرگِ ایران بود. این زلزله، بیش از ۶۰۰ کشته برجای گذاشت و خساراتِ زیادی به زیرساخت‌هایِ منطقه، وارد کرد. بررسیِ خرابی‌ها نشان داد که برخی از سازه‌هایِ جدید، با وجودِ رعایتِ آیین‌نامه‌ها، در برابرِ زلزله، مقاومتِ کافی نداشته‌اند. این موضوع، نشان داد که صرفِ رعایتِ آیین‌نامه‌ها، کافی نیست و کیفیتِ اجرا و نظارت، نقشی حیاتی در مقاومتِ سازه‌ها دارد.
“زلزله، استادِ بزرگِ مهندسیِ عمرانِ ایران است. هر بار که می‌آید، درسی تازه به ما می‌دهد؛ درسی که اگر گوش کنیم، جانِ هزاران نفر را نجات خواهد داد.”
۲. رفتارِ سازه‌ها در برابرِ زلزله؛ از شکنندگی تا شکل‌پذیری
سازه‌ها، در برابرِ زلزله، به‌گونه‌هایِ مختلفی، رفتار می‌کنند. برخی، انعطاف‌پذیرند و با حرکتِ زمین، خم می‌شوند، اما فرو نمی‌ریزند. برخی، صلبند و در برابرِ حرکت، مقاومت می‌کنند، اما ممکن است ناگهان، بشکنند. درکِ این رفتارها، برایِ طراحیِ سازه‌هایِ مقاوم، ضروری است.
۲-۱. سازه‌هایِ خشتی و آجری؛ شکننده و آسیب‌پذیر
سازه‌هایِ خشتی و آجری (با دیوارهایِ بنایی)، به‌دلیلِ وزنِ زیاد و شکنندگی، در برابرِ زلزله، بسیار آسیب‌پذیر هستند. این سازه‌ها، فاقدِ شکل‌پذیری هستند و به‌محضِ ورودِ تنشِ برشی، ترک می‌خورند و فرو می‌ریزند. در زلزله‌ی بم، دیوارهایِ خشتیِ ارگ، مانندِ دومینو، فروریختند. برایِ کاهشِ این آسیب‌پذیری، استفاده از کلاف‌هایِ بتنی یا فلزی در این سازه‌ها، ضروری است.
۲-۲. سازه‌هایِ بتن‌آرمه؛ ترکیبِ مقاومت و شکل‌پذیری
سازه‌هایِ بتن‌آرمه، با ترکیبِ بتن و فولاد (آرماتور)، شکل‌پذیریِ بیشتری دارند و می‌توانند در برابرِ حرکتِ زمین، انعطاف نشان دهند. با این حال، اگر طراحی و اجرا، اصولی نباشد (مانندِ عدمِ رعایتِ فاصله‌ی خاموت‌ها یا کیفیتِ پایینِ بتن)، این سازه‌ها نیز در برابرِ زلزله، ضعیف عمل می‌کنند. در زلزله‌ی منجیل، بسیاری از ساختمان‌هایِ بتن‌آرمه، به‌دلیلِ جزئیاتِ نامناسبِ اجرایی، تخریب شدند.
۲-۳. سازه‌هایِ فولادی؛ سبک، انعطاف‌پذیر، اما آسیب‌پذیر در اتصالات
سازه‌هایِ فولادی، با شکل‌پذیریِ بالا و وزنِ نسبتاً کم، عملکردِ بهتری در برابرِ زلزله دارند. با این حال، اتصالاتِ فولادی (جوش و پیچ) در برابرِ حرکتِ زمین، آسیب‌پذیرند و در صورتِ خرابی، می‌توانند به فروپاشیِ سازه، منجر شوند. به‌کارگیریِ اتصالاتِ شکل‌پذیر و مقاوم در برابرِ زلزله (مانندِ اتصالاتِ گیردار با ورق‌هایِ میان‌پرکننده)، از اهمیتِ ویژه‌ای برخوردار است.
“سازه، در برابرِ زلزله، مانندِ شاخه‌ای در برابرِ باد است؛ اگر انعطاف داشته باشد، خم می‌شود اما نمی‌شکند؛ و اگر صلب باشد، با اولینِ تکان، فرو می‌ریزد.”
۳. روش‌هایِ مقاوم‌سازیِ سازه‌ها؛ از تقویت تا جداسازی
برایِ مقابله با زلزله، روش‌هایِ متعددی برایِ مقاوم‌سازیِ سازه‌ها، وجود دارد. این روش‌ها، از به‌کارگیریِ تکنولوژی‌هایِ نوین تا بهبودِ روش‌هایِ سنتی، طیفِ گسترده‌ای را شامل می‌شوند.
۳-۱. تقویتِ سازه‌هایِ خشتی و آجری
برایِ مقاوم‌سازیِ سازه‌هایِ خشتی و آجری (سازه‌های بنایی)، روش‌هایِ زیر، پیشنهاد می‌شود:
· مهاربندهایِ چوبی و فلزی: استفاده از تیرهایِ چوبی یا پروفیل‌هایِ فولادی در میانِ خشت‌ها، برایِ افزایشِ شکل‌پذیری و یکپارچگیِ سازه.
· کمربندهایِ فلزی یا بتنی: نصبِ نوارهایِ فولادی یا تیرچه‌هایِ بتنی، دورِ ساختمان، برایِ مهارِ دیوارها و جلوگیری از ریزشِ آنها.
· تزریقِ ملاتِ آهک یا سیمان: تزریقِ ملاتِ آهک یا دوغابِ سیمان، در میانِ درزهایِ خشت‌ها، برایِ افزایشِ مقاومتِ برشی و چسبندگی.
· سبک‌سازیِ سقف و دیوارها: جایگزینیِ سقف‌هایِ سنگینِ خشتی با سقف‌هایِ سبکِ چوبی یا فلزی، برایِ کاهشِ بارِ مرده‌ی سازه.
۳-۲. بهسازیِ سازه‌هایِ بتن‌آرمه برایِ بهسازیِ سازه‌هایِ بتن‌آرمه (سازه‌های بتنی)، روش‌هایِ زیر، کاربرد دارند:
· ژاکتِ بتنی یا فلزی: پوشاندنِ ستون‌ها با لایه‌ای از بتنِ جدید (با آرماتوربندیِ اضافه) یا ورق‌هایِ فولادی، برایِ افزایشِ مقاومتِ فشاری و برشی.
· مهاربندیِ فلزی یا بتنی: اضافه‌کردنِ بادبندهایِ فولادی یا دیوارهایِ برشیِ بتنی، به سازه، برایِ افزایشِ مقاومتِ جانبی.
· استفاده از الیافِ FRP: پوشاندنِ ستون‌ها و تیرها با ورقه‌هایِ الیافِ کربنی (CFRP) یا شیشه‌ای (GFRP)، برایِ افزایشِ شکل‌پذیری و مقاومتِ خمشی.
· بهبودِ اتصالات و جزئیات: اصلاحِ اتصالاتِ تیر به ستون و فاصله‌ی خاموت‌ها، برایِ افزایشِ شکل‌پذیری و جلوگیری از شکستِ ناگهانی.
۳-۳. جداسازهایِ لرزه‌ای (Seismic Isolators)؛ پیشرفته‌ترینِ روش
جداسازهایِ لرزه‌ای، یکی از پیشرفته‌ترینِ روش‌هایِ مقاوم‌سازیِ سازه‌ها در برابرِ زلزله است. در این روش، پایه‌هایِ ساختمان، بر رویِ لایه‌هایِ الاستومری (لاستیکیِ مسلح به ورق‌هایِ فولادی) قرار می‌گیرند که اجازه می‌دهند ساختمان، در برابرِ حرکتِ زمین، بلغزد و ارتعاشات را جذب کند. جداسازهایِ لرزه‌ای، می‌توانند انرژیِ زلزله را تا ۸۰ درصد کاهش دهند و در سازه‌هایِ مهمِ مانندِ بیمارستان‌ها و موزه‌ها، کاربرد دارند.
۳-۴. میراگرهایِ ویسکوز و اصطکاکی؛ جذبِ انرژی
میراگرهایِ ویسکوز (روغنی) و اصطکاکی، مانندِ کمک‌فنرهایِ خودرو، انرژیِ زلزله را به گرما یا اصطکاک، تبدیل می‌کنند و از حرکتِ شدیدِ ساختمان، جلوگیری می‌کنند. این میراگرها، در سازه‌هایِ بلند و پل‌هایِ بزرگ، به‌کار می‌روند و عملکردِ بسیارِ خوبی در کاهشِ پاسخِ لرزه‌ای دارند.
“جداسازهایِ لرزه‌ای و میراگرها، به ما می‌آموزند که با زلزله، نباید مقابله کرد؛ باید با آن، هماهنگ شد.”
۴. آیین‌نامه‌هایِ زلزله در ایران؛ چارچوبِ مقاوم‌سازی
آیین‌نامه‌هایِ زلزله، مجموعه‌ای از ضوابط و مقررات هستند که برایِ طراحی و اجرایِ سازه‌هایِ مقاوم در برابرِ زلزله، تدوین شده‌اند. در ایران، مهم‌ترینِ آیین‌نامه‌ها، عبارتند از: · آیین‌نامه‌ی ۲۸۰۰ (زلزله): این آیین‌نامه، مبانیِ طراحیِ لرزه‌ایِ ساختمان‌ها را تعیین می‌کند و در سالِ ۱۳۷۰، به‌دنبالِ زلزله‌ی منجیل، تدوین و در سالِ ۱۳۹۴، به‌روز شده است. آخرین ویرایشِ این آیین‌نامه، با رویکردِ عملکردگرا (Performance-Based Design)، به‌روزرسانی شده است.
· آیین‌نامه‌ی ۳۶۰ (بتن): ضوابطِ طراحیِ سازه‌هایِ بتن‌آرمه.
· آیین‌نامه‌ی ۳۵۵ (فولاد): ضوابطِ طراحیِ سازه‌هایِ فولادی.
با این حال، رعایتِ آیین‌نامه‌ها، به‌تنهایی، کافی نیست. اجرایِ دقیق و نظارتِ کافی، نقشِ کلیدی در مقاومتِ سازه‌ها دارند. به‌عبارتِ دیگر، «نقشه، مسیر را نشان می‌دهد؛ اما اجرا، کیفیتِ مسیر را تعیین می‌کند.»
“آیین‌نامه‌ها، نقشه‌ی راهِ مهندس است؛ اما اجرا، خود، جاده‌ای است که باید با دقت، پیموده شود.”
۵. زلزله و هوشِ مصنوعی؛ پیش‌بینی و مدیریتِ بحران
هوشِ مصنوعی، در سال‌هایِ اخیر، به کمکِ مهندسانِ زلزله آمده است. با استفاده از الگوریتم‌هایِ یادگیریِ عمیق و شبکه‌هایِ عصبی، می‌توان:
· پیش‌بینیِ زلزله: با تحلیلِ داده‌هایِ لرزه‌ای و تغییراتِ میدانِ مغناطیسی، احتمالِ وقوعِ زلزله در یک منطقه، پیش‌بینی می‌شود.
· شبیه‌سازیِ رفتارِ سازه: با مدل‌سازیِ سه‌بعدی و شبیه‌سازیِ کامپیوتری، رفتارِ سازه در برابرِ زلزله (با استفاده از تحلیل‌های دینامیکی غیرخطی)، بررسی می‌شود.
· بهینه‌سازیِ طراحی: با استفاده از الگوریتم‌هایِ تکاملی (مانندِ الگوریتمِ ژنتیک)، به‌ترینِ طراحیِ سازه، برایِ یک منطقه‌ی لرزه‌خیز، انتخاب می‌شود.
· مدیریتِ بحران: پس از وقوعِ زلزله، با تحلیلِ تصاویرِ ماهواره‌ای و داده‌هایِ سنسورها، مناطقِ آسیب‌دیده، شناسایی و تیم‌هایِ امداد، به‌سرعت، هدایت می‌شوند.
“هوشِ مصنوعی، به مهندس، پنجره‌ای به آینده می‌دهد؛ پنجره‌ای که در آن، زلزله، دیگر، غافلگیرکننده نیست.”
۶. راهکارهایِ کلیدیِ کاهشِ خساراتِ زلزله
برایِ کاهشِ خساراتِ ناشی از زلزله، رویکردهایِ زیر، ضروری هستند:
· مقاوم‌سازیِ ساختمان‌هایِ موجود: به‌ویژه بناهایِ تاریخی و ساختمان‌هایِ با کاربریِ حیاتی، مانندِ بیمارستان‌ها، مدارس، و مراکزِ امداد.
· ارتقاءِ فرهنگِ ایمنی: آموزشِ همگانیِ رفتارِ صحیح در هنگامِ زلزله و آشنایی با اقداماتِ ایمنی (پناه‌گیری، خروجِ امن، و کمک‌هایِ اولیه).
· ارتقاءِ آیین‌نامه‌ها: بازنگریِ مداومِ آیین‌نامه‌ها، بر اساسِ آخرینِ یافته‌هایِ علمی و تجربیاتِ زلزله‌هایِ گذشته.
· تقویتِ نظارت بر اجرا: کنترلِ دقیقِ اجرایِ آیین‌نامه‌ها توسطِ نظام‌مهندسی و ناظرانِ فنی.
