11 نوامبر 2022 – توسط انجمن لرزه نگاری آمریکا-سالن کلتک اعتبار: ایتان ویلیامز
بر اساس گزارش جدیدی که در The Seismic Record منتشر شده است، Caltech Hall، یک ساختمان 55 ساله بتن مسلح 9 طبقه در پردیس Caltech، در 20 سال گذشته از نظر ساختاری سخت تر شده است.
کار قبلی زلزله شناسان و مهندسان نرم شدن ساختمان – یعنی کاهش سختی – را از ساخت آن در سال 1967 تا 2002 ثبت کرده بود. این روند معکوس شده است و امروز ساختمان به حالتی که در سال 1986 بود بازگشته است.این نتیجه غیرمنتظره با تجزیه و تحلیل داده های لرزه ای که از سال 2001 به طور مداوم در طبقه نهم ساختمان ثبت شده است، کشف شد.
داده های لرزه ای را می توان برای محاسبه فرکانس های طبیعی یک ساختمان، اندازه گیری ارتعاش آن در پاسخ به فشار ناشی از زلزله و بادهای شدید استفاده کرد. فرکانس های طبیعی یک پروکسی برای سختی سازه هستند. به طور کلی، هرچه فرکانس کمتر باشد، ساختمان در هنگام زلزله “انعطاف پذیر” تر است.
Ph.D. Caltech دانشجوی Ethan Williams و همکارانش نشان می‌دهند که برای Caltech Hall که قبلاً به عنوان کتابخانه Millikan شناخته می‌شد ، فرکانس‌های طبیعی در طول ۲۰ سال گذشته به تدریج حدود ۵ درصد در جهت شرق به غرب و ۲ درصد در جهت شمال به جنوب افزایش یافته است. آنها دریافتند که این فرکانس ها در مقیاس های مختلف از ثانیه تا چند دهه تا 9.7 درصد تغییر کرده است که نشان دهنده 20 درصد تغییر در سختی ساختمان بین زلزله است.
ویلیامز می‌گوید: «مهندسان معمولاً تصور می‌کنند که ساختمان‌ها در طول عمر خود یا پایدار هستند یا تخریب می‌شوند. “هیچ انتظار یا مکانیزم درک شده ای وجود ندارد که چگونه یک ساختمان بتنی باید سفت تر شود.”
علاوه بر روند افزایشی 20 ساله، محققان دریافتند که فرکانس های طبیعی ساختمان بسته به فصل و بارندگی و همچنین بازسازی های غیرسازه ای مانند برداشتن قفسه های کتابخانه در برخی طبقات و جایگزینی آن با اطاقک های پلاستیکی متفاوت است.
به گفته ویلیامز، چنین تنوع بزرگی چالش مهمی برای پایش سلامت سازه های لرزه ای ایجاد می کند. او گفت: «بیشتر ساختمان‌های مجهز به لرزه‌سنج فعال هستند، به این معنی که ما فقط در صورت وقوع زلزله می‌توانیم فرکانس‌های طبیعی یک ساختمان را اندازه‌گیری کنیم. “اگر سفتی بین زلزله ها می تواند 20 درصد متفاوت باشد، تشخیص آسیب زلزله فقط با جستجوی تغییرات در سختی ممکن است غیر قابل اعتماد باشد.”
محققان همچنین پس از تجزیه و تحلیل داده های جمع آوری شده در طول زلزله و ارتعاشات اجباری، تغییرات کوتاه مدت قابل توجهی در فرکانس های طبیعی پیدا کردند. ویلیامز و همکارانش کاهش سریع فرکانس‌ها (نرم شدن ساختمان) را در شروع لرزش‌های مشابه در اثر زلزله و به دنبال آن بهبودی آهسته‌تر در عرض چند دقیقه ثبت کردند. هر چه لرزش قوی تر باشد، ساختمان نرم تر ظاهر می شود.
ویلیامز گفت: جالب است که ساختمان در حال سفت شدن است، “اما کشش دینامیکی کوتاه مدت حداقل برای تمرین مهندسی مهم است.”
به عنوان مثال، ویلیامز به تحلیل احتمالی خطر لرزه‌ای اشاره می‌کند: “حرکات زمین مورد استفاده در طراحی سازه اغلب بر حسب شتاب طیفی بیان می‌شوند، که با فرض الاستیسیته خطی و ثابت زمان مشخص می‌شود. اگر فرکانس‌های طبیعی یک ساختمان به طور مداوم در حال تغییر باشند. سیر یک زمین لرزه، پس شتاب طیفی به طور دقیق حرکات اوج را برای یک رویداد معین نشان نمی دهد.”
در مورد علت فرکانس‌های طبیعی سرگردان Caltech Hall، ویلیامز و همکارانش چند پیشنهاد ارائه می‌کنند، اما تاکید می‌کنند که اینها فقط حدس و گمان هستند. برای مثال، آب‌های زیرزمینی که از طریق شکاف‌های پایه مهاجرت می‌کنند، می‌توانند کلسیتی را رسوب دهند که این ترک‌ها را بهبود می‌بخشد و سختی ساختمان را طی سال‌ها تا دهه‌ها افزایش می‌دهد. در طی تکان های شدید، شکستگی های از قبل موجود در بتن می تواند باز شود یا خاک زیر شالوده جابجا شود و باعث نرم شدن موقت شود.
به گفته ویلیامز، زمانی که داده های لرزه ای پیوسته در ساختمان های بیشتری ثبت می شود، ممکن است توضیحات بهتری ارائه شود. ساختمان‌های با ابزار دقیق پیوسته آنقدر کم هستند که یک سوال واقعی وجود دارد، آیا سالن کلتک فقط خاص و جالب است یا همه ساختمان‌های بتن آرمه آنقدر پیچیده و پویا هستند؟
