چرا برج پیزا در زلزله فرو نمیریزد: راز بقای یک شگفتی معماری - مجله سرگرمی

برای حل این معمای دیرینه، یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی متشکل از 16 متخصص گرد هم آمدند. این همکاری علمی بین کارشناسان ایتالیایی از دانشگاه روما تری (Roma Tre University) و متخصصان بریتانیایی از دانشگاه بریستول (University of Bristol) با هدف یافتن پاسخی قطعی برای این سؤال شکل گرفت. پاسخ آن‌ها نه تنها از نظر علمی عمیق، بلکه به طرز شگفت‌انگیزی کنایه‌آمیز بود؛ رازی که در همان نقص بنیادی که برج را به شهرت رسانده بود، پنهان شده بود. حل این پارادوکس نیازمند یک رویکرد جامع و بین‌رشته‌ای بود. صرفاً از دیدگاه مهندسی سازه، برج یک ساختمان کج و آسیب‌پذیر به نظر می‌رسید. از دیدگاه لرزه‌شناسی، تنها یک تهدید جدی در منطقه‌ای پرخطر دیده می‌شد. و از منظر ژئوتکنیک، تنها خاک ضعیف و مشکل‌ساز مورد توجه قرار می‌گرفت. کلید حل معما در تلفیق این سه حوزه دانش نهفته بود: تحلیل دقیق ویژگی‌های سازه‌ای برج، درک عمیق لایه‌های پیچیده خاک زیر آن، و بررسی سوابق تاریخی و لرزه‌خیزی منطقه. این تحقیق جامع، که بر اساس انبوهی از "اطلاعات لرزه‌شناسی، ژئوتکنیکی و سازه‌ای" جمع‌آوری شده طی دهه‌ها استوار بود، سرانجام پرده از این راز برداشت.

کلید معما: پدیده‌ای به نام اندرکنش دینامیکی خاک و سازه (DSSI)

پاسخ نهایی به معمای مقاومت برج پیزا در یک پدیده مهندسی پیچیده به نام "اندرکنش دینامیکی خاک و سازه" یا به اختصار DSSI نهفته است. این پدیده، ویژگی خود برج یا خاک به تنهایی نیست، بلکه به سیستم پیچیده‌ای که این دو با هم تشکیل می‌دهند، مربوط می‌شود. در واقع، DSSI به تعامل دوطرفه‌ای اشاره دارد که در آن حرکت زمین بر حرکت سازه تأثیر می‌گذارد و به طور همزمان، حرکت خود سازه نیز بر رفتار زمین زیر آن اثر می‌گذارد. اگرچه این اندرکنش برای همه ساختمان‌ها وجود دارد، اما شرایط منحصر به فرد در پیزا باعث شده است که این پدیده به شکلی استثنایی و محافظت‌کننده عمل کند.

کنایه بزرگ ماجرا در همین‌جا نهفته است. پروفسور جورج میلوناکیس (George Mylonakis) از دانشگاه بریستول، یکی از اعضای اصلی تیم تحقیقاتی، این پارادوکس را به زیبایی خلاصه می‌کند: "به طرزی کنایه‌آمیز، دقیقاً همان خاکی که باعث ناپایداری کج‌شدگی برج شد و آن را تا آستانه فروپاشی پیش برد، می‌تواند به عنوان عامل کمک‌کننده برای بقای آن در برابر رویدادهای لرزه‌ای شناخته شود". این جمله، هسته اصلی کشف علمی را بیان می‌کند: مشکلی که برج را تهدید می‌کرد، در عین حال سپر محافظ آن نیز بوده است. برای درک این موضوع، باید دو مسیر علی و معلولی کاملاً متفاوت را که از یک منبع واحد (خاک نرم) سرچشمه می‌گیرند، بررسی کرد.

• مسیر اول (نقص): خاک نرم دارای قابلیت تراکم‌پذیری بالا و ظرفیت باربری پایین است. این ویژگی باعث شد که خاک زیر برج تحت وزن عظیم آن به طور نامتقارن نشست کند. این نشست دیفرانسیل، کج‌شدگی تدریجی برج را در پی داشت و آن را به سمت ناپایداری گرانشی و خطر فروریختن سوق داد.

• مسیر دوم (سپر): همین خاک نرم در هنگام زلزله مانند یک بالشتک یا ضربه‌گیر عظیم عمل می‌کند. این ویژگی، مشخصات ارتعاشی کل سیستم خاک و سازه را به طور بنیادین تغییر می‌دهد و عملاً برج را از حرکات مخرب زمین جدا می‌کند و به بقای آن در برابر زلزله می‌انجامد.

بنابراین، نقص و سپر محافظ برج، دو روی یک سکه هستند که از نظر علمی به یکدیگر پیوند خورده‌اند و ریشه در یک ویژگی واحد یعنی نرمی بیش از حد خاک دارند.

کالبدشکافی برج: سختی و ارتفاع، دو متغیر حیاتی در معادله بقا

اگرچه خاک نقش اصلی را در این پدیده ایفا می‌کند، اما ویژگی‌های فیزیکی خود برج نیز به همان اندازه در این معادله بقا حیاتی هستند. در واقع، این ترکیب منحصر به فرد خواص برج و خاک است که DSSI را به شکلی استثنایی مؤثر می‌سازد. برای درک بهتر این موضوع، باید مشخصات فیزیکی این سازه عظیم را بررسی کنیم. برج پیزا ارتفاعی برابر با 58 متر دارد و وزن آن حدود 14,500 تن (معادل 145,000 کیلونیوتن) تخمین زده می‌شود. مرکز جرم آن نیز در ارتفاع قابل توجه 22.6 متری از سطح پی قرار گرفته است.

ساختار برج به شکل یک استوانه توخالی است که سطوح داخلی و خارجی آن با سنگ مرمر متراکم پوشانده شده و فضای میانی آن با ترکیبی از قلوه‌سنگ و ملات پر شده است. این نوع ساختار کامپوزیت، برج را به سازه‌ای فوق‌العاده سخت و صلب تبدیل کرده است؛ به این معنی که در برابر خمش و تغییر شکل تحت بار مقاومت بسیار بالایی از خود نشان می‌دهد. این سختی بالا در کنار یک پی کم‌عمق و حلقه‌ای شکل با قطر خارجی 19.6 متر قرار گرفته است. این پی، سطح تماس نسبتاً کوچکی با زمین دارد (حدود 285 متر مربع) که منجر به فشار تماسی بسیار بالا (حدود 510 کیلوپاسکال) بر روی خاک نرم زیرین می‌شود.

این ترکیب از سختی و ارتفاع، نقشی فعال در مکانیسم محافظتی ایفا می‌کند. سختی برج صرفاً به معنای "استحکام" آن نیست، بلکه یک عنصر کلیدی در فعال‌سازی پدیده DSSI است. یک سازه انعطاف‌پذیر در هنگام زلزله خم شده و دچار تنش‌های داخلی عظیم می‌شود. اما سختی استثنایی برج پیزا آن را وادار می‌کند تا مانند یک جسم صلب و یکپارچه عمل کند. هنگامی که "بالشتک" خاک نرم در زیر برج شروع به حرکت می‌کند، کل سازه به جای تغییر شکل، به آرامی به صورت یکپارچه شروع به نوسان می‌کند. ارتفاع قابل توجه برج نیز مانند یک اهرم بلند عمل کرده و باعث می‌شود حتی حرکات کوچک زمین به اندرکنشی بزرگ و معنادار با خاک تبدیل شود. این ترکیب دقیق از ارتفاع و سختی، "نقطه بهینه"‌ای را ایجاد کرده که ویژگی‌های محافظتی خاک را به حدی فعال می‌کند که برج پیزا رکورددار جهانی در تأثیرات DSSI شناخته شود. این همان چیزی است که به برج اجازه می‌دهد به جای شکسته شدن، بر روی امواج زلزله "سوار" شود.

زیر پای برج: سفری به اعماق خاک نرم و باتلاقی پیزا

برای تکمیل پازل، باید به سراغ مهم‌ترین جزء معادله یعنی خود زمین برویم. نام شهر "پیزا" ریشه در کلمه‌ای باستانی به معنای "سرزمین باتلاقی" دارد که خود اشاره‌ای به زمین‌شناسی خاص منطقه است. تحقیقات گسترده ژئوتکنیکی در میدان معجزات (Piazza dei Miracoli) نشان داده است که خاک زیر برج از سه لایه اصلی یا افق متمایز تشکیل شده است.

• افق A (از سطح تا عمق 10 متر): این لایه از رسوبات نرم و ناپایدار مصب رودخانه‌ای تشکیل شده است؛ ترکیبی متغیر از لایه‌های گلی و ماسه‌ای که تحت تأثیر جزر و مد شکل گرفته‌اند. این لایه به دلیل ناهمگونی، در مشکلات اولیه نشست برج نقش داشته است.

• افق B (از عمق 10 تا 40 متر): این لایه حیاتی‌ترین بخش خاک زیرین است و از رس دریایی نرم و بسیار حساس تشکیل شده است. بخش بالایی این لایه، که به خاک رس "پانکونه" (Pancone) معروف است، به دلیل قابلیت تراکم‌پذیری بسیار بالا، به عنوان مقصر اصلی کج‌شدگی شدید برج شناخته می‌شود.

• افق C (زیر 40 متر): در اعماق بیشتر، لایه‌ای از ماسه دریایی متراکم قرار دارد که بستری بسیار محکم‌تر و پایدارتر را در زیر لایه‌های نرم و مشکل‌ساز بالایی فراهم می‌کند.

در کنار این ویژگی‌های خاک، یک "تصادف خوش‌شانس" تاریخی نیز در بقای برج نقشی حیاتی ایفا کرده است. ساخت برج در سال 1173 آغاز شد اما تنها پنج سال بعد، در سال 1178، پس از آنکه کجی برج نمایان شد، به طور ناگهانی متوقف گشت. کار ساخت و ساز تا سال 1272، یعنی برای نزدیک به یک قرن، از سر گرفته نشد. این وقفه تاریخی که احتمالاً ناشی از جنگ یا بی‌ثباتی‌های سیاسی بود، از نظر ژئوتکنیکی یک رویداد نجات‌بخش برای برج محسوب می‌شود. در این مدت، وزن طبقات اولیه به آرامی آب را از لایه رس اشباع شده پانکونه خارج کرد. این وقفه 94 ساله به خاک فرصت داد تا فرآیندی به نام

تحکیم (Consolidation) را طی کند؛ یعنی آب از آن خارج شده، متراکم گردد و مقاومت و سختی آن به طور قابل توجهی افزایش یابد. اگر ساخت و ساز بدون این وقفه ادامه می‌یافت، بار عظیم برج بر روی خاک ضعیف و زهکشی‌نشده اعمال می‌شد و به احتمال زیاد منجر به یک "گسیختگی باربری زهکشی‌نشده" می‌شد. در آن صورت، برج احتمالاً در همان مراحل ساخت اولیه خود واژگون و نابود می‌شد. بنابراین، نفس وجود برج مدیون این خوش‌اقبالی تاریخی است.

رقص هماهنگ خاک و سازه: چگونه برج پیزا امواج زلزله را مهار می‌کند

اکنون با درک ویژگی‌های برج و خاک، می‌توانیم تمام قطعات پازل را کنار هم بگذاریم و مکانیسم بقای آن را به طور کامل توضیح دهیم. راز مقاومت برج در برابر زلزله، توانایی سیستم منحصربه‌فرد آن در جلوگیری از پدیده مخرب تشدید (Resonance) است. تشدید زمانی رخ می‌دهد که فرکانس طبیعی ارتعاش یک ساختمان با فرکانس امواج لرزه‌ای زمین‌لرزه منطبق شود. این انطباق باعث تقویت شدید ارتعاشات شده و اغلب به فروریختن سازه منجر می‌شود. سیستم برج پیزا به گونه‌ای عمل می‌کند که هرگز اجازه وقوع چنین انطباق مرگباری را نمی‌دهد.

این مکانیسم محافظتی را می‌توان در چند مرحله توضیح داد: 1. یک ساختمان معمولی: یک ساختمان سخت و صلب که بر روی زمین سفت ساخته شده، دارای دوره تناوب طبیعی کوتاهی است (یعنی به سرعت ارتعاش می‌کند). این ویژگی آن را در برابر انرژی با فرکانس بالا که در بسیاری از زلزله‌ها وجود دارد، آسیب‌پذیر می‌سازد. 2. سیستم پیزا: سیستم متشکل از برج پیزا و خاک زیرین آن کاملاً متفاوت عمل می‌کند. خاک نرم مانند مجموعه‌ای از فنرهای غول‌پیکر یا یک بالشتک ضربه‌گیر در زیر برج صلب عمل می‌کند. این اندرکنش، مشخصات ارتعاشی سیستم را به طور بنیادین تغییر داده و دوره تناوب طبیعی آن را به شدت طولانی می‌کند. در نتیجه، پاسخ احتمالی برج از یک لرزش کوتاه و شدید به یک نوسان آهسته و ملایم تبدیل می‌شود. 3. جداسازی انرژی: انرژی با فرکانس بالای امواج زلزله که در زمین حرکت می‌کند، نمی‌تواند به طور مؤثر به این سیستم با نوسان آهسته منتقل شود. به عبارت دیگر، برج با فرکانس‌های مخرب زلزله "ناهماهنگ" می‌شود. همانطور که پروفسور میلوناکیس توصیف کرد، خاک حرکت می‌کند، اما برج به سادگی "بر روی امواج سوار می‌شود". به جای آنکه انرژی لرزه‌ای جذب سازه شده و باعث آسیب شود، بخش عمده آن در خود خاک مستهلک شده و از بین می‌رود.

این استراتژی بقا یک استراتژی اجتناب است، نه مقاومت. مهندسی زلزله متعارف بر مقاوم‌سازی سازه‌ها تمرکز دارد؛ یعنی ساختمان‌ها را آنقدر قوی (مقاومت) و انعطاف‌پذیر (شکل‌پذیری) می‌سازند که بتوانند انرژی لرزه‌ای را تحمل و مستهلک کنند. اما برج پیزا، کاملاً به صورت تصادفی، از یک استراتژی بسیار هوشمندانه‌تر بهره می‌برد. این برج با فرکانس‌های مخرب زلزله سازگاری دینامیکی ندارد و به جای "جنگیدن" با نیروی زلزله، به طور مؤثری از آن طفره می‌رود. این پدیده یک نوع جداسازی لرزه‌ای طبیعی است که سازه را از مخرب‌ترین حرکات زمین جدا می‌کند و آن را به یک نمونه بی‌نظیر و رکورددار جهانی در تأثیرات DSSI تبدیل کرده است.

تاریخ لرزه‌خیز منطقه: گواهی بر مقاومت شگفت‌انگیز برج

توضیح پدیده DSSI تنها یک نظریه مهندسی نیست، بلکه فرضیه‌ای است که در طول بیش از هفت قرن توسط خود طبیعت به سختی آزموده شده است. برای اثبات این نظریه، باید به شواهد تاریخی و سوابق لرزه‌خیزی منطقه نگاه کنیم. ایتالیا در محل برخورد صفحات تکتونیکی اوراسیا و آفریقا قرار دارد و رشته‌کوه‌های آپنین که در امتداد این کشور کشیده شده‌اند، یک سیستم گسلی بسیار فعال و خطرناک را تشکیل می‌دهند. این موقعیت جغرافیایی باعث شده است که ایتالیا بیشترین فراوانی زلزله را در اروپا داشته باشد.

مهم‌ترین آزمون میدانی برای برج پیزا، زمین‌لرزه ویرانگر گارفانیانا (Garfagnana) در تاریخ 7 سپتامبر 1920 بود. این زلزله با بزرگای حدود 6.6 و حداکثر شدت احساس شده X (بسیار شدید) در مقیاس مرکالی، یکی از مخرب‌ترین رویدادهای لرزه‌ای ثبت شده در منطقه بود. این زلزله ویرانی گسترده‌ای به بار آورد. شهرهای نزدیک به مرکز زلزله، مانند فیویتزانو (Fivizzano)، "تقریباً به طور کامل ویران شدند" و شهرک ویگنیتا (Vigneta) "کاملاً نابود شد". تیتر روزنامه‌های آن زمان اعلام می‌کردند: "فیویتزانو دیگر وجود ندارد". شدت این زلزله به حدی بود که خساراتی در استان پیزا نیز گزارش شد.

این رویداد تاریخی، بهترین گواه برای اثبات نظریه DSSI است. در حالی که ساختمان‌های متعارف با پی‌های مستقر بر روی زمین‌های سفت‌تر در منطقه ویران شدند، برج کج پیزا که از قبل در وضعیت ناپایدار خود قرار داشت، بدون هیچ آسیب ثبت‌شده‌ای پابرجا ماند. این تضاد آشکار، شاهدی انکارناپذیر بر این واقعیت است که سیستم پی منحصر به فرد برج دقیقاً همان‌طور که نظریه مدرن پیش‌بینی می‌کند، عمل کرده است. زلزله 1920 گارفانیانا صرفاً یک رویداد تاریخی نیست، بلکه یک آزمایش طبیعی در مقیاس کامل بود که اثبات قطعی برای این پدیده شگفت‌انگیز فراهم آورد.

نتیجه‌گیری: درسی از یک نقص مهندسی که به یک مزیت تبدیل شد

در نهایت، راز بقای برج کج پیزا در برابر زلزله‌های قدرتمند، نه علی‌رغم پی معیوب آن، بلکه دقیقاً به خاطر همان پی معیوب است. ترکیب تصادفی یک برج بلند و بسیار صلب با خاک فوق‌العاده نرم زیرین، یک اثر اندرکنش دینامیکی خاک و سازه در مقیاس جهانی ایجاد کرده است. این پدیده به عنوان یک سیستم جداسازی لرزه‌ای طبیعی عمل می‌کند که برج را از فرکانس‌های مخرب زلزله دور نگه می‌دارد.

تاریخ این برج سرشار از کنایه و خوش‌اقبالی است. کنایه اصلی این است که نقصی که باعث کج‌شدگی و تهدید برج شد، همان سپری است که بقای لرزه‌ای آن را تضمین می‌کند. از سوی دیگر، شانس تاریخی نیز در بقای آن نقش داشته است؛ وقفه تقریباً 100 ساله در ساخت و ساز، که احتمالاً ناشی از درگیری‌های آن زمان بود، یک ضرورت ژئوتکنیکی بود که از فروریختن برج تحت وزن خودش، حتی قبل از تکمیل شدن، جلوگیری کرد.

امروزه آینده برج امن‌تر از هر زمان دیگری به نظر می‌رسد. اقدامات موفق پایدارسازی که بین سال‌های 1990 تا 2001 انجام شد، به ویژه با استفاده از تکنیک نوآورانه استخراج خاک از زیر بخش شمالی پی، کجی برج را از 5.5 درجه به حدود 3.99 درجه کاهش داد و آن را در برابر خطر فروریختن گرانشی ایمن ساخت. با تثبیت کجی برج و درک کامل راز مقاومت لرزه‌ای آن، مهندسان اکنون خوش‌بین هستند که این شگفتی معماری برای "صدها و شاید هزاران سال" دیگر پابرجا خواهد ماند. داستان برج پیزا گواهی است بر این که چگونه در مهندسی، و شاید در زندگی، ضعف‌های ظاهری می‌توانند نقاط قوت عمیقی را در خود پنهان کنند. این برج به عنوان یادمانی از تعامل پیچیده و اغلب غیرقابل پیش‌بینی میان جاه‌طلبی انسان، حوادث تاریخی و نیروهای بنیادین جهان طبیعت ایستاده است.