هرچند در جهان مدرن امروز مواردی همچون هوشمندی و انرژی‌محوری، از اصلی‌ترین ویژگی‌های تعریف شده برای ساختمان‌ها به حساب می‌آید، اما در مناطقی که حوادث طبیعی مانند زمین‌لرزه پدیده‌ای شایع و معمول است این دو اصل بعد از مقاوم بودن در برابر لرزش‌ها قرار می‌گیرد.

ساختمان های تقویت شده و مقاوم در برابر زلزله تقریباً هرگز فرو نمی ریزند. مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله حدود ۱۰ تا ۲۰ درصد به هزینه های ساختمان می افزاید. کارهایی که می‌توان انجام داد شامل تقویت دیوارها و ستون‌های بتنی، حفر پایه‌های عمیق، افزودن درزهای مخصوصی است که هنگام شروع لرزش و تاب خوردن ساختمان‌ها، فشارهای داخلی را کاهش می‌دهد.

در ژاپن همه ساختمان ها باید قوانین ساختمانی ایمن در برابر زلزله را رعایت کنند، که از جمله موارد دیگر، نصب دستگاه هایی است که به طور خودکار گاز را در اولین لرزش قطع می کند. ژاپن و برخی کشورهای دیگر تلاش کرده اند تا ساختمان ها و زیرساخت های خطرناکی مانند نیروگاه ها، پل ها و روگذرها را تقویت کنند.

فناوری مقاوم در برابر زلزله مدت زیادی است که وجود داشته است. در اوایل سال ۱۸۹۱، پیشنهاد شد که ساختمان ها باید روی چوب های غلتشی قرار داده شوند تا حرکات افقی زمین لرزه ها را قبل از رسیدن به ساختمان جذب کنند. در اوایل قرن بیستم، ساختمان‌هایی با ستون‌های فوق‌العاده ضخیم ساخته می‌شدند و محدودیت‌هایی روی ارتفاعات قرار می‌گرفتند. در سال ۱۹۲۸ «ستون های جدا شده از پایه» پیشنهاد شد که شامل غشاهای تغییر شکل پذیر بین پایه ها و روبنا بود که برای جذب انرژی زمین لرزه ها و نوسانات آهسته در نظر گرفته شده بود.

گوجونوتو یک بتکده مقاوم در برابر زلزله است که در سال ۱۴۰۷ در نارا ساخته شد. این پنج طبقه در فازهای متضاد با لرزش نوسان می کنند، که از شکستن سازه جلوگیری می کند. هیچ مدرکی دال بر فروریختن این سازه وجود ندارد. از همین تکنیک ها در ساختمان های مدرن استفاده می شود. بتکده یاساکا در کیوتو بیش از پنج قرن از زمین لرزه ها جان سالم به در برده است. در طول یک لرزش، کل ساختمان نوسان می کند زیرا هر طبقه به طور مستقل در اطراف یک ستون لنگر مرکزی حرکت می کند. دانشمندان اکنون در حال مطالعه بتکده برای سرنخ هایی در مورد مقاوم سازی ساختمان های مدرن در برابر زلزله هستند.

برنامه‌های بهبود آمادگی ژاپن در برابر زلزله شامل مقاوم‌سازی ۹۰ درصد ساختمان‌ها در برابر زلزله و ارائه یارانه‌ها و معافیت‌های مالیاتی برای تشویق شهروندان به انجام تغییرات لازم در خانه‌هایشان و لنگر انداختن مبلمان برای سقوط نکردن آن است. در حال حاضر ۷۵ درصد از ساختمان های ژاپن در برابر زلزله مقاوم هستند. دولت توکیو در حال بررسی تصویب قوانینی است که ساختمان‌های مسیرهای حمل‌ونقل اضطراری را ملزم به انجام آزمایش‌های مقاومت در برابر زلزله می‌کند

پرده‌های ضدزلزله

شرکت کماتسو سایرنسه (Komatsu Seiren) سال پیش ایده‌ای را مبنی بر استفاده از طناب‌های فیبری کربنی به دور ساختمان‌ها پیشنهاد کرد. در این روش معماران به جای استفاده از بتون و آهن، از طناب‌هایی استفاده خواهند کرد که درست مثل یک پرده به دور بنا کشیده خواهند شد. جنس این ریسمان‌های چندلا که قدرت ارتجاعی بسیار زیادی دارند، نوعی کامپوزیت فیبری کربنی است و از آن برای تقویت سازه‌ها استفاده خواهد شد.

شان هوریکی (Shun Horiki)، معمار ارشد این پروژه در گفتگو با وایرد (WIRED) گفت: «از آن جایی که این فیبر کربنی، محکم و در عین حال نرم است، این ایده را در ذهن ما به وجود آورد که از آن به عنوان یک وسیله خاص مقاوم‌سازی بنا استفاده کنیم. در بنایی که این ایده را بر روی آن اجرا کردیم، تعداد ۱.۰۳۱ مفتول در پشت‌بام کار گذاشته شد و سپس سیم‌های متصل به مفتول‌ها را به زمین وصل کردیم تا ساختمان کاملاً مهار شود. مطالعات نشان می‌دهد که در این شرایط وقتی ساختمان به سمت چپ تکان می‌خورد، ریسمان‌هایی که در سمت راست هستند، آن را به عقب می‌کشند و بالعکس. در حقیقت ما از ۲.۷۷۸ ریسمان پوششی استفاده کردیم و پرده‌ای را به دور بنا کشیدیم که می‌توان از آن با عنوان یک لایه پایدار یاد کرد.»

کیسه‌های هوا

استفاده از کیسه‌های هوا یک روش دیگر است که شرکت دانشین (Danshin) در سال ۲۰۱۲ میلادی آن را پیشنهاد کرد. در این روش ساختمان را روی کیسه‌های هوای بزرگی می‌سازند که سبب می‌شود تا در زمان زلزله‌های مرگ‌بار ساختمان قدرت ارتجاعی لازم را داشته باشد و احتمال ریزش بنا هم به حداقل برسد. از آن‌جایی که تحت این شرایط بنا در هنگام زلزله با زاویه مشخصی تکان می‌خورد، در نتیجه ضریب شکست بنا هم به حداقل ممکن تقلیل پیدا می‌کند. همان‌طور که می‌دانید، یک دلیل افزایش ضریب شکست وزن و در عین حال عدم انعطاف‌پذیری سازه‌ها است بنابراین در هر روش پیشنهادی باید این دو فاکتور را لحاظ کرد.

نحوه عملکرد کیسه‌های محافظ به این صورت است که در وهله نخست سنسورهای حساس، اولین ارتعاشات را ثبت می‌کنند و پس از آن کمپرسور فعال می‌شود. کمپرسور، کیسه‌های هوا را که در زیر بنا جاسازی شده‌اند، پر کرده و این اتفاق در ظرف کم‌تر از ۱ ثانیه رخ می‌دهد. لازم به یادآوری است که کیسه‌های هوا بنا را از فونداسیون جدا نمی‌کنند بلکه فضای جابجایی پیش‌تر در سازه محاسبه شده و ساختمان را تنها به اندازه ۳ سانتی‌متر بالا می‌برند تا در شرایط ایستایی کامل قرار گیرد.

سازه‌های مقاوم در برابر زلزله

یک روش خیلی مهم در کشور ژاپن برای بناهایی که از یکدیگر جدا هستند، روش مقاوم‌سازی بنا در برابر زلزله است. این روش پس از سال ۱۹۸۱ میلادی در این کشور باب شد و در آن بر مبنای یکسری استانداردهای خاص تدابیری اعمال می‌شود. بر اساس این استانداردها ابنیه را می‌توان به دو گروه سازه‌های سخت و محکم (Rigid Structure) و سازه‌های منعطف (Flexible Structure) تقسیم کرد. سازه‌های سخت به سازه‌هایی گفته می‌شود که به دلیل پرهیز از ریزش بنا بسیار محکم ساخته می‌شوند و در مقابل سازه‌های منعطف آن‌هایی هستند که هدف اصلی از ساخت‌شان پخش نیروی حاصل از تحرکات لرزه‌ای می‌باشد.
درست است که اغلب بناها می‌توانند وزن سازه و ملحقات آن را تحمل کنند اما این امر لزوماً به این معنا نیست که قادر به تحمل فشارها یا نیروهای رانشی که از راست و چپ به آن‌ها وارد می‌شود نیز هستند. خطرناک‌ترین بناها در زمان زلزله، سازه‌های بتونی و حتی آجری هستند که تقویت نشده‌اند. بدیهی است که فشارهای جانبی به سرعت باعث ریزش این نوع از بناها می‌شود، برای پرهیز از این اتفاق در ژاپن چند تدبیر به کار بسته می‌شود: بستن فونداسیون‌ها، طبقات، دیوارها، به یک اصطلاحاً جعبه محکم که بتواند همه بنا را در زمان زلزله سرجای خود نگه دارد. یک روش مرسوم دیگر هم هست که از آن به نام ایزوله کردن پایه (Base Isolation) یاد می‌شود.

ایزوله کردن پایه، مجموعه‌ای از عناصر سازه‌ای است که ارتباط بین اجزای یک سیستم را به نوعی قطع می‌کند یعنی به واسطه انفصالی که بین سازه و فونداسیون ایجاد می‌کنند، بنا را در زمان تحرکات لرزه‌ای تقویت می‌کنند. استفاده از کیسه‌های هوا و محورهای توپی در اصل حاصل همین ایده اولیه است که در ژاپن به اشکال مختلف از آن استفاده می‌شود.

استفاده از فریم‌های گهواره‌ای

یک فناوری پیشگامانه دیگر برای ساخت سازه‌های مقاوم در برابر زلزله در ژاپن استفاده از فریم‌های گهواره‌ای (Rocking Frames) است. این روش ۳ جزء مهم را شامل می‌شود که عبارتند از استفاده از قاب‌ها، کابل‌ها و فیوزهای فلزی. از مزایای استفاده از این روش این است که نه‌تنها بنا به سرعت ساخته می‌شود بلکه در عین حال نسبت به زلزله هم مقاومت بسیاری دارد.

در سال ۲۰۱۰ پروفسور گرگوری دایرلاین (Gregory Deierlein) از دانشگاه استنفورد استفاده از فریم‌های آهنی را در ساختمان‌ها پیشنهاد کرد که این ایده در ژاپن به شدت مورد استقبال قرار گرفت. کابل‌های فلزی که توسط این محقق در یک بنا مورد استفاده قرار گرفتند، اثربخشی خود را پس از زلزله ۷ ریشتری در شهر میکی ژاپن (Miki City) نشان دادند. کابل‌ها و فیوزها پس از زلزله تعویض شدند اما بنای مذکور به هیچ‌وجه آسیب ندید. اگر کسی در داخل چنین بنایی باشد، احساس می‌کند که زمین اطرافش به سمت بالا در حال حرکت است و علت هم حرکت پروانه‌ای شکل قاب‌هایی است که دانشمندان دانشگاه استنفورد آن را در بنا طراحی کرده‌اند. بررسی‌ها حاکی از آن است که با استفاده از این روش بنا اغلب کم‌ترین آسیب ممکن را از زلزله متحمل می‌شود.

سازه‌های میرا

یکی دیگر از روش‌های پیشنهادی ژاپنی‌ها، استفاده از دیوارهای موسوم به دیوارهای میرا است که به منظور به حداقل رساندن تحرکات ناشی از زمین‌لرزه کاربرد پیدا کرده‌اند. این سازه‌ها به دو شکل هستند: انواع فعال (Active type) و انواع غیرفعال (Passive type). انواع فعال سازه‌هایی هستند که از انرژی نظیر برق در آن‌ها استفاده می‌شود و انواع غیرفعال آن‌هایی هستند که از نیروهای فیزیکی استفاده می‌کنند. این سازه‌ها نسبت به سازه‌هایی که صرفاً مقاوم‌سازی می‌شوند، در زمان زلزله کارآیی بیش‌تری دارند و موثرتر هم عمل می‌کنند. کارشناسان معتقدند که سازه‌های میرا این قابلیت را دارند که تحرکات لرزه‌ای را بین ۷۰ الی ۸۰ درصد بیش‌تر از سازه‌های مقاوم‌سازی شده کاهش دهند.

زایشین (Seishin) یک تکنیک و روش برای مهار جابجایی ساختمان است که البته در قانون ساخت و ساز ژاپن انجام آن الزامی نیست اما اغلب برای ساختمان‌های بلندمرتبه پیشنهاد می‌شود. در این روش از یکسری ضربه‌گیرها (Damper) استفاده می‌شود که آن‌ها انرژی حاصل از زمین‌لرزه را جذب می‌کنند و شدت تکان‌ها را تا حد زیادی می‌کاهند. اگر به برخی از سازه‌های مرتفع دقت کنید، یکسری مفتول‌های ضربدری در آن‌ها جلب نظر می‌کند که این مفتول‌ها اغلب به همین منظور کارآیی دارند. یکی از معایب این روش، هزینه گران آن است اما در عین حال پرفایده بودنش باعث شده تا اغلب در سازه‌های مرتفع چندطبقه، کارآیی زیادی داشته باشد.