The effects of reducing design drift limits: evidence from the field and nonlinear dynamic analyses
यह अध्ययन 1,800 से अधिक इमारतों के क्षेत्रीय डेटा को नॉनलीनियर डायनेमिक विश्लेषणों के साथ जोड़कर यह प्रदर्शित करता है कि डिज़ाइन ड्रिफ्ट सीमाओं को 1.0% तक कम करने से ड्रिफ्ट क्षमता से समझौता किए बिना संरचनात्मक और गैर-संरचनात्मक दोनों घटकों के ढहने और गंभीर क्षति के जोखिम में महत्वपूर्ण रूप से कमी आती है।
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जब भूकंप के दौरान जमीन हिलती है, तो इमारतें न तो केवल स्थिर रहती हैं और न ही सीधे गिर जाती हैं; वे डगमगाती हैं। इंजीनियर इस अगल-बगल की हलचल को 'ड्रिफ्ट' (drift) के रूप में मापते हैं, जो कि एक मंजिल का उसके नीचे वाली मंजिल के सापेक्ष विस्थापन है। दशकों से, बिल्डिंग कोड इस बात की सीमा तय करते आए हैं कि इस ड्रिफ्ट को कितना बढ़ने दिया जा सकता है, यह इस धारणा पर आधारित है कि यदि किसी इमारत को टूटे बिना एक निश्चित मात्रा में झुकने के लिए डिज़ाइन किया गया है, तो वह जीवित रहेगी। प्रचलित समझ यह रही है कि इस डगमगाहट को कम करने के लिए इमारत को अधिक सख्त (stiff) बनाना बहुत महंगा हो सकता है या इससे अन्य समस्याएं पैदा हो सकती हैं, जैसे कि अंदर की वस्तुओं को बहुत अधिक तीव्रता से हिलाना। हालांकि, एक नया अध्ययन इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती देता है, जिसमें यह सुझाव दिया गया है कि इमारत और उसके भीतर के लोगों और उपकरणों दोनों की सुरक्षा करने का सबसे सुरक्षित तरीका ऐसी संरचनाओं को डिजाइन करना है जो वर्तमान मानकों की तुलना में काफी अधिक सख्त हों, बशर्ते उन्हें तनाव को संभालने के लिए पर्याप्त आंतरिक शक्ति के साथ बनाया गया हो।
इस कार्य के पीछे के शोधकर्ता, जो ईटीएच ज्यूरिख (ETH Zurich) और कैंटरबरी विश्वविद्यालय में स्थित हैं, ने यह परीक्षण करने का लक्ष्य रखा कि क्या ड्रिफ्ट की इन सीमाओं को कड़ा करने से वास्तव में सुरक्षा में सुधार होता है। उन्होंने इस प्रश्न को दो दृष्टिकोणों से देखा: दुनिया भर में पिछले भूकंपों के बाद हजारों वास्तविक इमारतों के साथ क्या हुआ, इसे देखकर और अलग-अलग कठोरता मानकों के अनुसार डिज़ाइन की गई नई इमारतों के विस्तृत कंप्यूटर मॉडल बनाकर। वास्तविक दुनिया में, उन्होंने दुनिया भर में सोलह अलग-अलग भूकंपों के बाद सर्वेक्षण की गई सुदृढ़ कंक्रीट (reinforced concrete) की 1,800 से अधिक इमारतों से डेटा एकत्र किया। उन्होंने एक सरल भौतिक विशेषता पर ध्यान केंद्रित किया: एक इमारत के फर्श क्षेत्र के सापेक्ष उसमें दीवार और कॉलम का कितना स्थान था। इंजीनियरिंग के शब्दों में, इन ऊर्ध्वाधर समर्थनों (vertical supports) का उच्च घनत्व होने का अर्थ है कि इमारत अधिक सख्त है और कम डगमगाती है। इन घनत्वों की तुलना क्षति की रिपोर्टों से करके, उन्होंने एक स्पष्ट पैटर्न पाया। अधिक दीवारों और कॉलमों वाली इमारतों ने, और इसलिए कम डगमगाहट वाली, विनाशकारी विफलताओं का बहुत कम सामना किया। विशेष रूप से, कम समर्थनों वाली इमारतों की तुलना में अधिक ऊर्ध्वाधर समर्थनों वाले ढांचे विनाशकारी क्षति या ढहने के प्रति लगभग दस गुना कम संवेदनशील थे।
टीम ने इमारतों के अंदर होने वाले अक्सर अनदेखे नुकसान को भी देखा, जैसे टूटी हुई छतें, क्षतिग्रस्त चिकित्सा उपकरण और नष्ट हुए विभाजन (partitions)। उन्होंने एक बड़े भूकंप के बाद चिली के 111 अस्पतालों की रिपोर्ट का विश्लेषण किया। परिणाम चौंकाने वाले थे: लचीले फ्रेम वाली अस्पताल की इमारतें, जो अधिक डगमगाती हैं, सख्त कंक्रीट की दीवारों वाले अस्पतालों की तुलना में गैर-संरचनात्मक घटकों को गंभीर क्षति झेलने के लिए दस गुना अधिक संभावित थीं। यह निष्कर्ष उस सामान्य डर का सीधा खंडन करता है कि सख्त इमारतें अपने सामान को बहुत अधिक तीव्रता से हिला देती हैं। डेटा ने दिखाया कि सख्त इमारतों की बढ़ी हुई स्थिरता ने वास्तव में डगमगाते फ्रेमों की तुलना में नाजुक उपकरणों और आंतरिक फिनिशिंग की बेहतर सुरक्षा की।
यह समझने के लिए कि वास्तव में ऐसा क्यों होता है और भविष्य के प्रदर्शन की भविष्यवाणी करने के लिए, शोधकर्ताओं ने फिर कंप्यूटर सिमुलेशन का सहारा लिया। उन्होंने सोलह अलग-अलग सुदृढ़ कंक्रीट फ्रेम वाली इमारतों और सोलह सुदृढ़ कंक्रीट वॉल-फ्रेम वाली इमारतों को डिजाइन किया। प्रत्येक सेट को चार अलग-अलग ड्रिफ्ट सीमाओं के अनुरूप डिजाइन किया गया था, जो 2.5 प्रतिशत के बहुत लचीले स्तर से लेकर 1.0 प्रतिशत के बहुत सख्त स्तर तक थी। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने सुनिश्चित किया कि प्रत्येक इमारत को मजबूत आंतरिक स्टील सुदृढीकरण (steel reinforcement) के साथ विस्तृत किया गया है, जिसका अर्थ है कि सबसे सख्त इमारतों में भी उतनी ही ऊर्जा को सोखने और मुड़ने की क्षमता थी जितनी कि सबसे लचीली इमारतों में होती है। इसके बाद उन्होंने इन आभासी संरचनाओं को अत्यधिक दुर्लभ, शक्तिशाली झटकों के साथ सिम्युलेटेड भूकंपीय बलों के अधीन किया, जो 2,500 वर्षों में एक बार होने वाले झटकों के समान हो सकते हैं।
सिमुलेशन ने वास्तविक दुनिया के डेटा में देखे गए रुझानों की पुष्टि की। जब डगमगाहट के डिजाइन सीमा को 2.5 प्रतिशत से घटाकर 1.0 प्रतिशत कर दिया गया, तो एक बड़े भूकंप के दौरान इमारत के ढहने का जोखिम दस गुना कम हो गया। सख्त इमारतों ने अपने संरचनात्मक तत्वों और फर्श को भी कम गंभीर क्षति का अनुभव किया। इसके अलावा, अध्ययन में पाया गया कि इमारतों को सख्त बनाने से अंदर की वस्तुओं द्वारा महसूस किए जाने वाले त्वरण बल (acceleration forces) में वृद्धि नहीं हुई, जो एक ऐसी चिंता थी जिसने पहले इंजीनियरों को सख्त डिजाइनों को अपनाने से रोका था। इसके बजाय, सख्त इमारतों ने अपनी अखंडता बनाए रखी और फर्श को अधिक स्थिर रखा।
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि अनुमेय डिजाइन ड्रिफ्ट सीमा को 1.0 प्रतिशत तक कम करना भूकंपीय सुरक्षा में नाटकीय रूप से सुधार करने का एक सरल और प्रभावी तरीका है। यह दृष्टिकोण ढहने के जोखिम और गंभीर संरचनात्मक क्षति को काफी कम करेगा और साथ ही इमारत के भीतर मूल्यवान सामग्री और गैर-संरचनात्मक तत्वों की भी रक्षा करेगा। साक्ष्य बताते हैं कि कठोरता और सुरक्षा के बीच का कथित समझौता एक गलत धारणा है; इमारतों को उनकी आंतरिक शक्ति से समझौता किए बिना अधिक सख्त बनाकर डिजाइन करके, इंजीनियर ऐसी संरचनाएं बना सकते हैं जो पृथ्वी के हिंसक कंपन के प्रति कहीं अधिक लचीली और सक्षम हैं।
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