A State-Dependent Fragility Framework for Seismically Isolated Reinforced Concrete Bridges under Sequential Earthquake Loading

पुल आधुनिक सभ्यता की धमनियां हैं, जो नदियों, घाटियों और भ्रंश रेखाओं के ऊपर से लोगों और सामानों को ले जाते हैं। उन क्षेत्रों में जहाँ पृथ्वी हिलती है, इंजीनियरों ने इन महत्वपूर्ण संरचनाओं की रक्षा के लिए 'सिस्मिक आइसोलेशन' (भूकंपीय अलगाव) नामक रणनीति पर लंबे समय से भरोसा किया है। कल्पना कीजिए कि एक इमारत या पुल लचीले पैड के सेट पर टिका है, ठीक वैसे ही जैसे कोई व्यक्ति ठोस कंक्रीट के बजाय एक ट्रैम्पोलिन पर खड़ा हो। जब जमीन हिलती है, तो ये पैड खिंचते हैं और ऊर्जा को सोख लेते हैं, जिससे ऊपर की संरचना टूटने के बजाय धीरे से झूम पाती है। यह तकनीक, जिसमें अक्सर लेड-रबर बेयरिंग का उपयोग किया जाता है, एकल, विशाल भूकंप के दौरान पुलों को खड़ा रखने में प्रभावी साबित हुई है। हालांकि, प्रकृति शायद ही कभी केवल एक झटका देती है। दुनिया के कई हिस्सों में, एक शक्तिशाली मुख्य भूकंप के बाद मजबूत आफ्टरशॉक्स (भूकंप के झटकों) की एक श्रृंखला आती है, या किसी क्षेत्र में कम समय में कई बड़े भूकंप आ सकते हैं। इंजीनियरों के लिए महत्वपूर्ण प्रश्न यह है कि क्या एक पुल, जो पहले से ही एक हिंसक झटके से बच चुका है, अगले झटके को झेल पाएगा, विशेष रूप से यदि वह छिपी हुई दरारों, मुड़े हुए स्टील या स्थायी रूप से खिसके हुए आधारों के साथ रह गया है।

भारत के मौलाना आज़ाद राष्ट्रीय प्रौद्योगिकी संस्थान के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक पुल का एक परिष्कृत डिजिटल सिमुलेशन बनाकर इस जटिल समस्या को हल किया है, जिसे भूकंपों के एक क्रम से बचने के लिए डिज़ाइन किया गया है। उनका कार्य उस मानक अभ्यास से आगे बढ़ता है जिसमें हर एक भूकंप के लिए पुल का परीक्षण ऐसे किया जाता है जैसे कि वह बिल्कुल नया हो। इसके बजाय, उन्होंने एक आभासी मॉडल बनाया जो अपने द्वारा झेले गए हर नुकसान को याद रखता है। उनके सिमुलेशन में, जब पहला भूकंप आता है, तो कंक्रीट में दरारें पड़ती हैं, स्टील सुदृढीकरण (reinforcement) खिंचता है, और नींव के नीचे की मिट्टी खिसक जाती है। महत्वपूर्ण रूप से, कंप्यूटर मॉडल अगले भूकंप के आने से पहले खुद को रीसेट या मरम्मत नहीं करता है। यह पहले इवेंट से होने वाले नुकसान, अवशिष्ट विरूपण (residual deformations) और कमजोर कठोरता को दूसरे, और फिर तीसरे इवेंट में आगे ले जाता है। यह दृष्टिकोण शोधकर्ताओं को यह देखने की अनुमति देता है कि एक पुल वास्तव में बार-बार प्रहार किए जाने पर कैसा व्यवहार करता है, बजाय इसके कि यह मान लिया जाए कि वह हर बार नए सिरे से शुरू होता है।

शोधकर्ताओं ने एक शक्तिशाली ओपन-सोर्स सॉफ्टवेयर प्लेटफॉर्म का उपयोग करके एक विशिष्ट चार-स्पैन हाईवे ब्रिज का विस्तृत त्रि-आयामी (3D) मॉडल तैयार किया, जो जटिल संरचनात्मक भौतिकी को संभालने के लिए जाना जाता है। उनके अध्ययन में शामिल पुल में प्रबलित कंक्रीट के पियर्स (स्तंभ), एक डेक जो यातायात ले जाता है, और एक नींव शामिल है जो जमीन में गहराई तक धंसी हुई है ताकि आसपास की मिट्टी के साथ अंतःक्रिया कर सके। पुल की सुरक्षा के लिए, उन्होंने डेक और पियर्स के बीच लेड-रबर बेयरिंग स्थापित किए। ये बेयरिंग शॉक एब्जॉर्बर के रूप में कार्य करते हैं, जिन्हें पुल के कंपन के समय को बढ़ाने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जिससे हिलती हुई जमीन से कंक्रीट के स्तंभों में स्थानांतरित होने वाले बल को कम किया जा सके। मॉडल ने इस तथ्य को भी ध्यान में रखा कि जमीन स्वयं कठोर नहीं है; गहरे पाइल्स (piles) के आसपास की मिट्टी लचीली होती है और विकृत होती है, जो पुल की गति में जटिलता की एक और परत जोड़ती है। इन तत्वों को जोड़कर, टीम ने एक वास्तविक डिजिटल ट्विन बनाया जो कई भूकंपीय घटनाओं के संचयी प्रभावों का अनुकरण करने में सक्षम है।

पुल के लचीलेपन का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने अपने डिजिटल मॉडल को तीन अलग-अलग ऐतिहासिक भूकंप रिकॉर्ड्स के संपर्क में लाया, जिन्हें बिना किसी रुकावट के एक के बाद एक लागू किया गया। पहला भारत का एक बड़ा भूकंप था, जिसके बाद दो अन्य महत्वपूर्ण ऐतिहासिक घटनाएं हुईं। प्रत्येक झटके के बीच, मॉडल को स्थिर होने दिया गया, लेकिन नुकसान बना रहा। परिणामों ने दिखाया कि आइसोलेशन सिस्टम ने मुख्य कंक्रीट स्तंभों की रक्षा करने में उल्लेखनीय रूप से अच्छा काम किया। पूरे क्रम के दौरान, कंक्रीट के पियर्स काफी हद तक सुरक्षित रहे, जिनमें बहुत कम स्थायी झुकाव या दरारें आईं। हालांकि, लेड-रबर बेयरिंग ने सबसे अधिक मार झेली। जैसे-जैसे भूकंप एक के बाद एक आते गए, बेयरिंग और अधिक खिंचते गए, उस ऊर्जा को सोखते गए जो अन्यथा पुल को नष्ट कर सकती थी। जब तीसरा भूकंप आया, तब तक बेयरिंग अपनी अधिकतम डिज़ाइन क्षमता के लगभग 97% तक खिंच चुके थे, और उनमें महत्वपूर्ण मात्रा में स्थायी विरूपण (permanent deformation) बना हुआ था, जिसका अर्थ है कि वे अपने मूल आकार में पूरी तरह से वापस नहीं आए।

अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि जब झटकों की तीव्रता को सामान्य स्तरों से बहुत अधिक बढ़ा दिया जाता है तो क्या होता है। भूकंप की शक्ति को धीरे-धीरे बढ़ाते हुए एक विधि का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने पाया कि पुल की जीवित रहने की क्षमता प्रत्येक क्रमिक घटना के साथ कम होती गई। एक पुल जो एक बहुत शक्तिशाली एकल भूकंप से बच सकता था, वह तब बहुत अधिक असुरक्षित पाया गया जब उससे पहले एक छोटा भूकंप आया हो। जैसे-जैसे क्रम आगे बढ़ता गया, वह बिंदु जिस पर पुल ढह सकता था, झटकों की तीव्रता के निचले स्तर पर खिसक गया। यह सुझाव देता है कि भूकंपों का क्रम और इतिहास, अंतिम प्रहार की ताकत जितने ही महत्वपूर्ण हैं। शोधकर्ताओं ने विभिन्न चरणों में पुल के विफल होने की संभावना की गणना करने का एक तरीका भी विकसित किया। उन्होंने पाया कि तीन क्रमिक भूकंपों के बाद, झटकों को सहने की पुल की क्षमता काफी कम हो गई, जिससे गंभीर क्षति की संभावना उस पुल की तुलना में काफी बढ़ गई जिसने पहले कोई झटका नहीं झेला था।

इस कार्य के सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक यह पुष्टि करना है कि आइसोलेशन सिस्टम प्रभावी रूप से नुकसान को स्थायी संरचना के बजाय एक प्रतिस्थापनीय (replaceable) घटक में केंद्रित करता है। हालांकि लेड-रबर बेयरिंग ने प्रगतिशील गिरावट और स्थायी बदलावों को झेला, लेकिन प्रबलित कंक्रीट के पियर्स आश्चर्यजनक रूप से मजबूत रहे। यह भूकंपीय अलगाव के डिजाइन दर्शन को, बार-बार होने वाले भार की कठोर स्थिति में भी, प्रमाणित करता है। हालांकि, अध्ययन वर्तमान सुरक्षा आकलन में एक महत्वपूर्ण सीमा को भी उजागर करता है: प्रत्येक भूकंप का एक अलग घटना के रूप में विश्लेषण करने का सामान्य अभ्यास सुरक्षा की झूठी भावना दे सकता है। पिछले भूकंपों द्वारा छोड़े गए संचयी नुकसान और अवशिष्ट विरूपण को अनदेखा करके, पारंपरिक तरीके पुल की शेष मजबूती का अतिरंजित अनुमान लगा सकते हैं। शोधकर्ताओं का 'स्टेट-डिपेंडेंट फ्रेमवर्क', जो पुल की स्थिति का निरंतर रिकॉर्ड रखता है, सुरक्षा का मूल्यांकन करने का एक अधिक यथार्थवादी और रूढ़िवादी तरीका प्रदान करता है।

इस शोध के निहितार्थ भूकंपीय क्षेत्रों में पुलों के डिजाइन और प्रबंधन के तरीके तक विस्तृत हैं। यह सुझाव देता है कि एक बड़े भूकंप के बाद, भले ही पुल अप्रतिबंधित दिखाई दे, लेकिन अगले भूकंप को झेलने की इसकी क्षमता अदृश्य परिवर्तनों के कारण समझौता की जा सकती है। यह अध्ययन एक कम्प्यूटेशनल टूल प्रदान करता है जो इंजीनियरों को इन छिपे हुए कमजोरियों की भविष्यवाणी करने में मदद कर सकता है, जिससे उन्हें यह निर्णय लेने में बेहतर मदद मिल सकती है कि क्या पुल को तत्काल मरम्मत की आवश्यकता है या इसे खुला रखा जा सकता है। यह समझकर कि समय के साथ नुकसान कैसे जमा होता है, बुनियादी ढांचा प्रबंधक रखरखाव को प्राथमिकता दे सकते हैं और यह सुनिश्चित कर सकते हैं कि महत्वपूर्ण परिवहन लिंक न केवल एक आपदा के लिए, बल्कि प्रकृति द्वारा फेंके जाने वाले लंबे और अप्रत्याशित घटनाओं के क्रम के लिए कार्यात्मक बने रहें। यह कार्य इस बात पर जोर देता है कि वास्तविक लचीलापन केवल एक बड़े प्रहार से बचने के बारे में नहीं है, बल्कि पृथ्वी की निरंतर लय को सहने के बारे में है।