Cyclic Shear Response of Polyurea-Strengthened Dry-Joint Stone Masonry Walls

कल्पना कीजिए कि निर्माण सुरक्षा की दुनिया जेन्गा (Jenga) के एक विशाल, अदृश्य खेल की तरह है। इस खेल में, ब्लॉक प्राचीन पत्थर की दीवारें हैं, और हिलने वाली मेज एक भूकंप है। सदियों से, मनुष्यों ने सुंदर संरचनाएं बनाने के लिए सूखी पत्थरों का उपयोग किया है—ऐसे ब्लॉक जिन्हें आपस में जोड़ने के लिए किसी गोंद या मोर्टार (मसाले) का उपयोग नहीं किया गया है। हालांकि ये दीवारें ऊपर से दबाव पड़ने पर मजबूत होती हैं, लेकिन जब जमीन अगल-बगल हिलने लगती है, तो ये ताश के घर की तरह हो जाती हैं। वे आपस में फिसल सकती हैं, टूट सकती हैं, या बिखर सकती हैं क्योंकि उनमें उस "गोंद" की कमी होती है जो झटकों के दौरान उन्हें एक साथ थामे रखे। यह इतिहास को संरक्षित करने और लोगों को सुरक्षित रखने के लिए एक बड़ी समस्या है।

इसे ठीक करने के लिए, इंजीनियर अक्सर इन नाजुक दीवारों को एक सुरक्षात्मक कवच में लपेटने के तरीके खोजते हैं। इसे एक योद्धा पर सुपरहीरो का केप (cape) पहनाने जैसा समझें। एक सामग्री जो इस काम के लिए पसंदीदा बन गई है, वह है पॉलीयूरिया (polyurea)। यह एक अत्यंत मजबूत, रबर जैसी स्प्रे-ऑन कोटिंग है जो रबर बैंड की तरह खिंच सकती है लेकिन विस्फोटों से निकलने वाले मलबे को रोकने के लिए पर्याप्त मजबूत है। बड़ा सवाल जो वैज्ञानिक पूछ रहे हैं वह यह है: यदि हम इस लचीली, रबर जैसी कवच वाली परत को एक सूखी पत्थर की दीवार पर स्प्रे करते हैं, तो क्या यह वास्तव में जमीन हिलने पर दीवार को बिखरने से रोक पाएगी? यह शोध इसी प्रश्न की गहराई में जाता है, जो यह देखने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करता है कि क्या यह "रबर का केप" एक ढहती हुई पत्थर की दीवार को एक लचीले, ऊर्जा-अवशोषक ढाल में बदल सकता है।

डिजिटल लैब और रबर का कवच

इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने केवल एक गैरेज में दीवार नहीं बनाई और उसे हिलाया नहीं; उन्होंने सुपर-कंप्यूटर के भीतर दीवार का एक "डिजिटल ट्विन" बनाया। उन्होंने 'फाइनाइट एलीमेंट मॉडलिंग' (FEM) नामक विधि का उपयोग किया, जो एक जटिल वस्तु को लाखों छोटे लेगो (Lego) ईंटों में तोड़ने जैसा है ताकि यह देखा जा सके कि प्रत्येक हिस्सा कैसे चलता है और कैसे परस्पर क्रिया करता है। उन्होंने "ड्राय-जॉइंट स्टोन मेसनरी" (dry-joint stone masonry) पर ध्यान केंद्रित किया, जिसका अर्थ है बिना किसी मसाले के पत्थरों से बनी दीवारें। इन्हें सिम्युलेट करना कठिन है क्योंकि पत्थर फिसल सकते हैं, एक-दूसरे से रगड़ खा सकते हैं, और टकराने पर उनके टुकड़े भी टूट सकते हैं।

टीम ने एक आभासी दीवार बनाई जिसमें 45 पत्थर के ब्लॉक थे, जिनमें से प्रत्येक का आकार एक बड़े पिज्जा बॉक्स (200 मिमी × 200 मिमी × 100 मिमी) के बराबर था। उन्होंने इस दीवार को अलग-अलग वजन (30 kN से 250 kN तक) के साथ बगल से धकेलने का अनुकरण किया ताकि यह देखा जा सके कि यह हिलने वाली गति के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देती है। सबसे पहले, उन्होंने "नग्न" (बिना कोटिंग वाली) दीवार का परीक्षण किया। जैसा कि अपेक्षित था, बिना किसी सहायता के, दीवार फिसलने लगी, ऊपर उठी और अंततः अपना आकार खो दिया, विशेष रूप से तब जब ऊपर का वजन कम था। पत्थर अलग हो गए, और दीवार ताश के पत्तों के ढेर की तरह बिखर गई जिसे पंखे ने उड़ा दिया हो।

फिर, उन्होंने दीवार को एक "रबर का केप" दिया। उन्होंने पूरी दीवार पर पॉलीयूरिया की एक पतली परत (केवल 1 मिमी मोटी, लगभग एक पेंसिल की नोक की चौड़ाई) स्प्रे करने का अनुकरण किया। यह सामग्री विशेष है क्योंकि यह "विस्कोइलास्टिक" (viscoelastic) है, जिसका अर्थ है कि यह एक रबर बैंड की तरह व्यवहार करती है जो खींचने पर सख्त हो जाता है। शोधकर्ताओं को कंप्यूटर को यह सिखाना पड़ा कि यह रबर कैसे व्यवहार करता है, जिसके लिए उन्होंने 'मूनी-रिवलिन मॉडल' (Mooney-Rivlin model) नामक एक जटिल गणितीय रेसिपी का उपयोग किया, जो यह गणना करता है कि सामग्री समय के साथ कैसे खिंचती है और वापस आती है।

"स्पल्ड लेयर" (Spalled Layer) का जादू

इस शोध पत्र में सबसे दिलचस्प ट्रिक यह है कि उन्होंने पत्थर और रबर के बीच के संबंध को कैसे संभाला। वास्तविक दुनिया में, यदि आप एक रबर शीट को पत्थर से चिपकाते हैं और बहुत जोर से खींचते हैं, तो पत्थर टूटता नहीं है; इसके बजाय, पत्थर की सतह की एक बहुत पतली परत निकल सकती है, जिसमें गोंद भी साथ चला जाता है। कंप्यूटर को क्रैश होने से बचाने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक चतुर "स्पल्ड लेयर" (spalled layer) विधि का उपयोग किया। उन्होंने रबर कोटिंग के ठीक नीचे आभासी पत्थर की एक अत्यंत पतली त्वचा बनाई। यदि बंधन (bond) बहुत मजबूत हो जाता, तो यह पतली त्वचा टूट जाती, जो वास्तविक पत्थर के टूटने की नकल करती। इसने उन्हें यह देखने की अनुमति दी कि रबर दीवार को कैसे थामे रखता है, बिना पत्थर की हर एक दरार को मॉडल किए।

क्या हुआ जब दीवार हिली?

जब उन्होंने पॉलीयूरिया कोटिंग के साथ सिमुलेशन चलाया, तो परिणाम नाटकीय थे। "नग्न" दीवारें, विशेष रूप से हल्की भार वाली, जल्दी बिखर गईं। लेकिन "रबर के केप" वाली दीवारें अपनी जगह पर टिकी रहीं।

• एक साथ थामे रखना: पॉलीयूरिया एक सुरक्षा जाल की तरह काम करता है। भले ही अंदर के पत्थर फिसलने या टूटने लगे हों, रबर की त्वचा उन्हें बिखरने से रोकती रही। इसने दीवार को बिखरने से रोका, जिससे संरचना बरकरार रही, भले ही कंपन तीव्र था।
• ऊर्जा सोखना: सबसे महत्वपूर्ण खोज ऊर्जा के बारे में थी। जब भूकंप आता है, तो दीवार को भारी मात्रा में ऊर्जा अवशोषित करनी पड़ती है। साधारण दीवारें इस ऊर्जा को टूटकर अवशोषित करती हैं (जो कि बुरा है)। हालांकि, कोटिंग वाली दीवारों ने ऊर्जा को खींचने और रगड़ने के माध्यम से अवशोषित किया। सिमुलेशन ने दिखाया कि कोटिंग वाली दीवारें पत्थरों को तोड़े बिना घर्षण और खिंचाव के माध्यम से बहुत अधिक ऊर्जा को नष्ट (dissipate) कर सकती हैं।
• आंकड़े: सिमुलेशन में, कोटिंग वाली दीवारों ने काफी अधिक ऊर्जा अवशोषित की। उदाहरण के लिए, सबसे भारी परीक्षण परिदृश्य (250 kN लोड) में, कोटिंग वाली दीवार ने घर्षण और अलोचदार विरूपण (inelastic deformation) के माध्यम से लगभग 6,550.57 ऊर्जा इकाइयां अवशोषित कीं, जबकि सादी दीवार के लिए यह संख्या बहुत कम थी। कोटिंग वाली दीवारों पर किया गया कुल कार्य सादी दीवारों की तुलना में 2 से 6 गुना अधिक था, जिसका अर्थ है कि रबर कोटिंग ने दीवार को हार मानने से पहले बहुत अधिक प्रहार सहने की क्षमता दी।

बारीक विवरण: कंप्यूटर ने क्या कहा

शोधकर्ताओं ने यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनका मॉडल सही है, कुछ "क्या होगा यदि" वाले परिदृश्यों का भी परीक्षण किया। उन्होंने सोचा कि क्या कंपन की गति मायने रखती है। चूंकि पॉलीयूरिया खींचने पर मजबूत हो जाता है, इसलिए उन्होंने सोचा कि यदि भूकंप तेजी से आता है तो दीवार का व्यवहार अलग हो सकता है। हालांकि, सिमुलेशन ने दिखाया कि कंपन की गति ने दीवार के व्यवहार को बहुत अधिक नहीं बदला। क्यों? क्योंकि दीवार को एक साथ थामने वाला मुख्य बल पत्थरों के बीच का घर्षण था, जिसे इस बात से फर्क नहीं पड़ता कि दीवार कितनी तेजी से हिल रही है। रबर मजबूत था, लेकिन पत्थरों का आपस में रगड़ खाना ही असली नायक था।

उन्होंने "कंप्रेशन स्टिफनेस रिकवरी फैक्टर" (compression stiffness recovery factor - एक फैंसी तरीका यह कहने का कि "दबाव के बाद पत्थर कितना वापस उछलता है") नामक एक सेटिंग के साथ भी प्रयोग किया। उन्होंने पाया कि यदि वे यह मान लेते कि पत्थर बिल्कुल भी वापस नहीं उछलता (0 का मान), तो सिमुलेशन वास्तविक दुनिया के प्रयोगों से पूरी तरह मेल खाता। यदि वे मानते कि यह पूरी तरह से वापस उछलता है, तो दीवार बहुत मजबूत रहती और वैसे नहीं टूटती जैसे उसे टूटना चाहिए था। इससे उन्हें पता चला कि एक बार जब ये पत्थर टूट जाते हैं, तो वे वास्तव में खुद को ठीक नहीं कर पाते।

निष्कर्ष

यह शोध पत्र सुझाव देता है कि सूखी पत्थर की दीवारों पर पॉलीयूरिया की एक पतली परत स्प्रे करना उन्हें भूकंप के दौरान सुरक्षित बनाने का एक बहुत प्रभावी तरीका है। कंप्यूटर सिमुलेशन दिखाते हैं कि यह "रबर का केप" दीवार को बिखरने से रोकता है, इसे भूकंप के झटके को सोखने में मदद करता है, और पत्थरों को बिखरने से रोकता है। यह एक सरल, व्यावहारिक समाधान है जो एक नाजुक, ढहती हुई दीवार को एक मजबूत, ऊर्जा-अवशोषक ढाल में बदल देता है। हालांकि यह सब एक कंप्यूटर सिमुलेशन में किया गया था न कि वास्तविक भूकंप में, फिर भी परिणाम इतने आशाजनक हैं कि यह संकेत देते हैं कि यह हमारे ऐतिहासिक पत्थर की इमारतों की रक्षा करने के लिए एक गेम-चेंजर हो सकता है। शोधकर्ताओं ने यह दावा नहीं किया कि यह हर समस्या का जादुई समाधान है, लेकिन उन्होंने यह जरूर दिखाया कि यह दीवारों को काफी अधिक लचीला बनाता है, जिससे एक संभावित आपदा को एक प्रबंधनीय झटके में बदला जा सकता है।