آیا انقلابی در مهندسی زلزله اتفاق خواهد افتاد: نظارت بر سازه‌ها با یک دوربین

اغلب زمینی را که روی آن ایستاده‌ایم، به صورت تخته سنگ‌های صلب و محکمی تصور می‌کنیم که از استحکام زیادی برخوردار است. هنگامی که زمین‌لرزه‌ای رخ می‌دهد برای لحظه‌ای این تصور برهم می‌ریزد، اما طی همان لحظه کوتاه، خسارت‌های شدیدی وارد می‌شود. نکته جالب این است که هیچ زمین‌لرزه‌ای موجب مرگ انسان نمی‌شود، بلکه این خرابی ساختمان‌های ناشی از زلزله است که منجر به مرگ می‌شود.

زمین لرزه یکی از وحشتناک‌ترین و درعین حال یکی ازاسرارآمیزترین پدیده‌های طبیعت محسوب می‌شود که اطلاعات و داده‌های نسبتا کم و «قابل اعتمادی» راجع به آن در دسترس است. اطلاعات کمی نیز راجع به واکنش سازه‌های عمرانی در برابر یک زمین لرزه وجود دارد.

به روز کردن کدهای ساخت و ساز عمرانی و همچنین تشخیص سلامتی سازه مورد رصد و نیز تعیین کردن اینکه چقدر یک سازه ایمن است می‌تواند در علم زلزله‌شناسی، بسیار با ارزش تلقی شود و کاربردهای زیادی نیز داشته باشد. در واقع این مسئله افزون بر سود مالی، می‌تواند از خسارات جانی براثر تخریب سازه‌ها هم جلوگیری کند. بنابراین آیا روشی وجود دارد تا به سادگی بتوان آسیب‌پذیر بودن یک سازه در برابر زلزله را تعیین کرد؟

دکتر شروین تقوی لاریجانی که پژوهش‌های قبلی او در «ناسا»، منجر به اثبات یک ساعت اتمی جدید شد و دکتر تامس هیتون (پدر سیستم هشدار زودهنگام زلزله آمریکا) مشترکا در «دانشگاه کلتک آمریکا» درصدد طراحی روش جدیدی هستند تا بتوانند در حوزه زلزله و کاهش آسیب‌های آن، کاری ارزشمند انجام دهند. یورونیوز در این زمینه با دکتر شروین تقوی لاریجانی گفتگو کرده است.‏

دکتر شروین تقوی لاریجانی (سمت راست) و دکتر تامس هیتون (پدر سیستم هشدار زودهنگام زلزله آمریکا)

یورونیوز: علت اینکه شما و دکتر تامس هیتون به سراغ این پروژه رفتید چه بود؟

دکتر شروین تقوی لاریجانی: ببینید امروزه مشخص شده است که پیشگیری به مراتب بهتر و به صرفه تر از درمان است. به عنوان مثال هنگامی که فردی بیمار می‌شود در اولین گام به پزشک خود مراجعه می‌کند و پزشک باید با تشخیص بیماری فرد به درمان او کمک کند. اما همین شخص می‌تواند قبل از بیماری، با نظارت کامل بر سلامتی خود (از قبیل اندازه گیری فشار خون و کلسترول و …)، شرایط جسمی خود را همواره در نظر بگیرد و از بیمار شدن خود تاحد ممکن جلوگیری کند و یا حداقل پیشبینی از بیماری احتمالی خود به همراه اطلاعات کاملی از آن داشته باشد.

اما پیشگیری نه‌تنها در علم پزشکی و سلامتی انسان، که در امور و شرایط دیگری هم کارآتر از درمان و اصلاح است. یکی از این شرایط، امور مهندسی و سازه‌های عمرانی است. در این حوزه نیز، متخصصان می‌توانند با نظارت صحیح بر یک سازه، یا یک ساختمان، یا یک پل، آسیب‌های احتمالی آن را در نظر گرفته و آماده‌ی هرگونه شرایطی باشند.

پیشگیری، اگرچه در علم پزشکی مستقیم با سلامت یک فرد رابطه دارد و می‌تواند شرایط جسمی ایده‌آل برای شخص به همراه آورد، اما همین مساله پیشگیری، در امور دیگر گاه با سلامتی افراد زیادی در ارتباط است. برای نمونه شما یک پل یا یک ساختمان را در نظر بگیرید که مهندسان آن را ساخته‌اند و چندین سال نیز از ساخت آن گذشته است. حال اگر براساس یک احتمال این پل یا ساختمان بدون هیچ علامتی درهم شکند، در کنار خسارات مادی فراوان، احتمال خسارات جانی برایا فراد نیز وجود دارد.

بنابراین امروزه در علم مهندسی، نظارت بر سازه‌های عمرانی یک بحث بسیار مهم و پرهزینه است. اهمیت این موضوع آن چنان بالا بوده است که حتی به یکی از موضوع‌های مورد جدال نامزدهای ریاست جمهوری آمریکا هم بدل شده است. در واقع فرسوده شدن سازه‌های عمرانی در آمریکا و لزوم نظارت بر آنها، بحثی بوده که نامزدهای انتخابات ریاست جمهوری ایالات متحده را واداشته تا درمورد آن نظر دهند و از تصمیم‌های احتمالی خود در این مقوله بگویند.‏

یورونیوز: تصور می‌کنید پروژه شما برآورد مالی کمتری دارد؟

بله. مسلما پروژه ما برآورده مالی کمتری دارد. به عنوان مثال: بیش از ۶۰۰ هزار پل در آمریکا وجود دارد و به گفته انجمن سازندگان (راه و ترابری) آمریکا، نزدیک به ۱۰ درصد از این پل‌ها کمبودهایی دارند و نیازمند تعمیرات جدی هستند. برآورد اقتصادی که برای این حجم تعمیرات می‌شود (۱۰ درصد پل‌های نیازمند تعمیر) تنها در آمریکا به بیش از ده‌ها میلیارد دلار می‌رسد. در حال حاضر برای بررسی عیوب احتمالی سازه‌های مهندسی از روش‌های بسیار پرهزینه و همچنین دشواری استفاده می‌شود. مثلا استفاده از سنسورهای شتاب‌سنج یک نمونه از آن است.‏

برای توضیح باید گویم که در این روش برای جمع آوری اطلاعات مفید، نیاز به کار گذاشتن سنسورها در ده‌ها یا صدها مکان مختلف سازه است. اما به دلیل اینکه هر سنسور اندازه گیری‌کننده فقط مربوط به همان محل خاصی می‌شود که در همانجا نصب شده است، بنا براین هر سنسور در یک مکان بخصوص سازه نصب می‌شود و با اطلاعاتی که از این شبکه سنسور استخراج می‌شود می‌توان در خصوص آسیب‌های احتمالی آن سازه و نیز قابلیت‌ها و کارآیی‌های آن مطلع بود و تصمیم‌گیری‌های لازم را انجام داد.‏

مشاهده میشود که فلات ایران منطقه زلزله خیز شدید است

اما این روش موانع مختلفی در پی دارد. از جمله اینکه قیمت هر سنسور به تنهایی چندین هزار دلار است. بدین ترتیب فقط هزینه سخت افزار برای بررسی کردن یک سازه می‌تواند چند صد هزار دلار و یا بیشتر باشد. همچنین داده‌کاوی چنین شبکه‌ای نیز کار آسانی نیست و اطلاعات شتاب هم برای توصیف تغییر شکل دائمی یک ساختار مناسب نیست. علاوه بر این بسیار دشوار می‌توان اجازه مالک سازه‌ها برای نصب این سنسورها را گرفت. از این رو ساختمان‌ها و سازه‌های کمی هستند که در آن از این نوع سنسورهای استفاده شده است.

بر همین اساس من و تامس هیتون در دانشگاه کلتک مشترکانه درصدد طراحی روش جدیدی برآمدیم. ما می‌خواستیم علاوه بر نظارت مستمر بر سازه‌های مهندسی، هزینه‌ها را نیز کاهش دهیم. بنابراین پس از بررسی و تحقیق توانستیم روشی ارائه کنیم که به کمک آن می‌توان با هزینه‌هایی بسیار پایین، نظارت بر سازه‌ها را در دستور کار قرار داد. در واقع آنچه ما ارائه دادیم این است: با یک دوربین ساده می‌توان بر سازه‌های مهندسی نظارت کرد.‏

یورونیوز: چطور با یک دوربین ساده می‌توان بر سازه‌های مهندسی نظارت کرد؟

براساس این روش ما با یک دوربین از سازه مورد نظر عکس و فیلم تهیه می‌کنیم و سپس با استخراج اطلاعات به رصد کردن سازه می‌نشینیم. به عبارت دیگر در روش ما، یک دوربین جایگزین تمام شبکه سنسورها می‌شود. به علاوه، یک دوربین در آن واحد می‌تواند چندین سازه را رصد کند. ما با اطلاعاتی که از تصاویر و فیلم‌ها بدست می‌آوریم و با آنالیز دقیق آنها می‌توانیم حرکت و خرابی و چیزهای دیگر را در مورد یک سازه (درست همانند سنسور) اندازه گیری کنیم. مزیت دیگر این روش ما این است که برای این کار نیازی به کسب اجازه از صاحبان سازه‌ها نیست. برای مثال برای تعبیه سنسورها در یک ساختمان حتما باید صاحب آن ساختمان رضایت دهد ولی برای بررسی یک سازه با روش ما، نیازی به جلب رضایت صاحبان نیست چراکه هزینه‌ای هم برای آنان ندارد. از دیگر مزیت‌های آن می‌توان به دسترسی ساده به سازه‌ها واندازه گیری آنها نام برد.‏

یورونیوز: آیا با روش شما می‌توان به صورت دائم بر سازه‌ها نظارت کرد؟

بله. با روش ما می‌توان بر سازه‌ها نظارت دائم کرد. درواقع نظارت کردن دائم بر این موارد است: ساختار سازه‌ها، نیروگاه‌های هسته‌ای، زیرساخت‌های نفت و گاز، شبکه‌های راه‌آهن و جاده و هواپیماها و فضاپیماها و غیره.

نکته دیگر اینکه علاوه بر اینکه این روش می‌تواند بر اعتماد سازه‌ها بیفزاید در زمین‌لرزه نیز می‌تواند بسیار به کمک آید. می‌دانیم که فهم واکنش سازه‌ها عمرانی در حین یک زمین لرزه از اهمیت بسزایی دارد و این کاری است که با روش ما انجام شدنی است. اهمیت این فن‌آوری در سنجش ساختمان‌ها و دیگر سازه‌های عمرانی در شهرهای بزرگی با احتمال بالای زلزله می‌تواند بسیار زیاد باشد. بنابراین از مناطق زلزله‌خیزی همانند ژاپن، تایوان، فیلیپین، کالیفرنیا، مکزیک، گرفته تا ایران و ترکیه می‌توانند با استفاده از این فن‌آوری بر سازه‌های خود نظارت کنند.

یورونیوز: و نکته پایانی؟

و در خاتمه اینکه ما برای بررسی روش‌مان چند ویدئو را مورد تحلیل قرار دادیم: (ویدیوهایی شامل شبیه‌سازی حرکت ساختمان در یک زلزله، ویدئویی از پل لرزان لندن، ویدئویی از پرواز یک بویینگ ۷۷۷ و همچنین ویدئویی مربوط به موشک‌های فضا پیما شاتل فضایی ناسا در زمان پرتاب). تاکنون، نتایج آزمایش‌ها دلگرم کننده بوده‌اند و اگر این آزمایش‌ها به سرانجامی مطلوب برسد و این فرضیه که فن‌آوری ما مورد دوام و ثبات است تایید شود، انقلابی در زمینه‌های مهندسی زلزله و نظارت بر سازه‌ها رخ خواهد داد.