چگونه از استیل در طراحی سازه‌های ضد زلزله استفاده می‌شود؟

استنلس‌استیل با ترکیبی منحصربه‌فرد از مقاومت مکانیکی، شکل‌پذیری بالا و دوام در برابر خوردگی، به‌عنوان جایگزینی برای فولاد کربنی در ساخت سازه‌های ضد زلزله مطرح شده است. خواص کلیدی این ماده دلیل اصلی برای استفاده از استیل در سازه‌های ضد زلزله است. در این بلاگ به بررسی جامع استفاده از استنلس‌استیل در طراحی سازه‌های ضدزلزله می‌پردازیم و سپس سیستم‌های اصلی شامل قاب‌های خمشی، سازه‌های مهاربندی‌شده و جداسازها یا دمپرها (Damper) که از استنلس‌استیل بهره می‌گیرند را توضیح می‌دهیم.

چگونه استیل استحکام و دوام سازه‌ها را افزایش می‌دهد؟

زلزله با ایجاد بار دینامیکی شدید و سریع می‌تواند منجر به خرابی ناگهانی سازه‌ها شود. در هنگام زلزله بار مکانیکی به صورت برشی بر سازه‌ها وارد می‌شود. برای کاهش این خطر، در ساخت سازه‌ها مصالحی به‌کار می‌روند که بتوانند انرژی لرزه‌ای را جذب کنند. به همنین منظور، از استیل در سازه‌های ضد زلزله به دلیل توانایی آن در جذب انرژی پیش از شکست و تخریب استفاده می‌شود. این امر سبب می‌شود تا در چنین شرایطی، استیل نیروی نوسانی وارد شده توسط لرزه‌ها را در خود جذب کند و مانع از انتقال آن شود.

استیل چیست؟

فولاد ضد زنگ یا استنلس‌استیل، آلیاژی فولادی با حداقل ۱۰.۵٪ کروم است که علاوه بر مقاومت بالا در برابر خوردگی، خواص مکانیکی مطلوبی همچون شکل‌پذیری و ظرفیت جذب انرژی دارد. در واقع این قابلیت جذب انرژی به چقرمگی استیل باز می‌گردد. چقرمگی میزان انرژی جذب شده توسط ماده پیش از شکست است. استنلس استیل با داشتن چقرمگی مناسب، گزینه‌ای بسیار عالی برای استفاده در برخی سازه‌های ضد زلزله برای جذب انرژی است.

ویژگی‌های استنلس‌ استیل

استفاده از استیل در سازه‌های ضد زلزله به دلیل ویژگی‌هایی است که آن را نسبت به سایر متریال‌ها متمایز می‌کند. هرچند باید توجه داشت استیل به دلیل قیمت بالا، برای استفاده در کاربری‌های عمومی صرفه اقتصادی ندارد و از این آلیاژ تنها در ساخت سازه‌های خاص استفاده می‌شود. در ادامه برخی از ویژگی‌های کلیدی استیل را معرفی می‌کنیم.

• شکل‌پذیری و جذب انرژی: مطالعات نشان داده‌اند که قاب‌های خمشی و مهاربندی‌شده ساخته‌شده از استنلس‌استیل در مقایسه با فولاد کربنی، رفتار غیرخطی مطلوب‌تری از خود بروز می‌دهند و انرژی بیشتری را در چرخه‌های متوالی بارگذاری و باربرداری جذب می‌کنند. این ویژگی مستقیماً با میزان چقرمگی گریدهای استیل در ارتباط است.
• مقاومت به خوردگی: در محیط‌های خورنده (ساحلی، صنعتی)، خوردگی فولاد معمولی می‌تواند منجر به کاهش طول عمر آن شود. در مقابل استنلس‌استیل با مقاومت ذاتی در برابر خوردگی، پایداری بلندمدتی را تضمین می‌کند و هزینه‌های نگهداری را کاهش می‌دهد
• مقاومت در برابر خستگی: یکی از ویژگی‌های مهم که سبب استفاده از استیل در سازه‌های ضد زلزله شده‌است، مقاومت این آلیاژها در برابر خستگی است. خستگی به معنای میزان تحمل اعمال بار‌های متناوب در خلاف جهت یکدیگر است. این بار‌ها می‌توانند سبب تمرکز تنش در نقطه‌ای از ماده شوند و باعث ترک خوردگی و تخریب قطعات گردند.

 استانداردها و دستورالعمل‌های طراحی

استفاده از استیل در سازه‌های ضد زلزله باید مطابق استانداردهای بین المللی باشد. دو استاندارد ذکر شده در ادامه برای ساخت سازه‌های ضد زلزله و استفاده از استیل در سازه‌هاست.

AISC Design Guide 27: با عنوان «فولاد زنگ‌نزن سازه‌ای» راهنمایی‌هایی برای طراحی سازه‌های ساخته‌شده از فولاد زنگ‌نزن ارائه می‌دهد. این راهنما برای مهندسانی نوشته شده است که در طراحی اجزای سازه‌ای از فولاد کربنی تجربه دارند، اما الزاماً با طراحی سازه‌های فولاد زنگ‌نزن آشنا نیستند. این راهنما با ضوابط طراحی موجود در مشخصات سال ۲۰۲۱ AISC برای ساختمان‌های فولاد زنگ‌نزن سازه‌ای هماهنگ شده است.

NEHRP/FEMA Provisions: استاندارد NEHRP/FEMA Provisions مخففNational Earthquake Hazards Reduction Program مجموعه‌ای از مقررات و توصیه‌ها است که برای طراحی سازه‌ها در برابر زلزله در ایالات متحده تدوین شده‌اند. این مقررات توسط آژانس FEMA  (آژانس مدیریت اضطراری فدرال) پشتیبانی می‌شوند و هدف اصلی آن‌ها کاهش خسارات و تلفات ناشی از زلزله از طریق طراحی و ساخت ایمن‌تر ساختمان‌هاست. اگرچه این دستورالعمل‌ها عمدتاً برای فولاد کربنی تدوین شده‌اند، ولی مبانی آن‌ها برای استنلس‌استیل نیز قابل تعمیم است و معمولاً با ضرایب رفتار مشابه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

سیستم‌های مقاوم لرزه‌ای ساخته‌شده با فولاد زنگ‌نزن (Stainless Steel)، هرچند هنوز در مقایسه با فولاد کربنی کاربرد محدودی دارند، اما به دلیل ویژگی‌های منحصر به‌فرد مکانیکی و دوام بالا، در برخی کاربردهای خاص در مناطق لرزه‌خیز مورد توجه قرار گرفته‌اند.

در ادامه انواع سیستم‌های مقاوم لرزه‌ای که می‌توان با استنلس‌استیل ساخت معرفی شده‌اند.

• قاب‌های خمشی (Moment Frames): استفاده از استنلس‌استیل آستنیتی در اعضای خمشی برای تحمل چرخه‌های متعدد بارگذاری بدون شکست ترد.
• بادبندهای واگرا یا هم‌گرا (Eccentric/Concentric Braces): برای بهره‌گیری از کرنش‌سختی در کشش و تحمل فشار بالا.
• سیستم‌های جداساز لرزه‌ای (Seismic Isolation Systems): کاربرد در المان‌هایی مانند هسته‌های جداساز که نیاز به دوام بالا و خوردگی‌ناپذیری دارند.
• میرایی هیسترزیس (Hysteretic Damping Devices): استفاده از رفتار غیرخطی کنترل‌شده استنلس‌استیل برای جذب انرژی زلزله.

جزئیات اجرایی و کنترل کیفیت

جزئیات اتصالات تیر به ستون و محل قرارگیری برش‌ها در مهاربندها، نقش حیاتی در اطمینان از شکل‌پذیری و جلوگیری از خرابی ناگهانی دارد. استانداردAISC DG 27  توصیه می‌کند که اتصالات جوشی باید با تکنیک TIG و کنترل نفوذ کامل اجرا شوند و در اتصالات پیچ‌ومهره‌ای از واشرهای ضدخوردگی استفاده گردد تا احتمال خوردگی گالوانیک به حداقل برسد.

نمونه‌های واقعی و آزمایشگاهی

همانطور که گفتیم استفاده از استیل در سازه‌های ضد زلزله به دلیل هزینه بالای آن در بسیاری از موارد اقتصادی نیستند. اما در شرایط محیطی سخت و نمونه‌های آزمایشگاهی و در تعدادی از سازه‌های مهم از استنلس استیل استفاده شده است. در یک پژوهش آزمایشگاهی، مقایسه قاب‌های خمشی و مهاربندی‌شده استنلس‌استیل و فولاد کربنی نشان داد که نمونه‌های استنلس‌استیل تا 30٪ جذب انرژی بیشتری داشتند و پس از بارگذاری‌های شدید، قابلیت بازیابی شکل بهتری از خود نشان داد. پل‌های فرودگاهی SFO از جداگرهای اصطکاکی استنلس استیل جهت مقاومت در برابر زلزله استفاده شده است. در ساخت برج تایپه ۱۰۱ نیز از  دمپر جرمی تنظیم‌شده با صفحات استنلس‌استیل استفاده شده است که نوسانات جانبی را تا ۴۰٪ کاهش می‌دهد. پیش‌بینی می‌شود که در آینده، استفاده سازه‌ای از استیل رشد بسیار زیادی داشته باشد.

سخن آخر

استفاده از استیل در سازه‌های ضد زلزله به دلیل مقاومت به خوردگی، شکل‌پذیری بالا و دوام در برابر چرخه‌های بارگذاری لرزه‌ای، پتانسیل بالایی را برای بهبود عملکرد لرزه‌ای سازه‌ها دارد. با پیروی از ضوابط AISC Design Guide 27 و تطبیق اصول NEHRP/FEMA، می‌توان سیستم‌هایی مقاوم و کم‌خطر طراحی کرد که پس از زلزله نیاز به تعمیرات کمتری داشته باشند. مطالعات آزمایشگاهی و پروژه‌های میدانی، اثر مثبت استنلس‌استیل را در جذب انرژی و پایداری سازه‌ای تأیید کرده‌اند و آینده مهندسی زلزله را با نوآوری‌های بیشتر در مواد و اتصالات روشن می‌سازند.