به گزارش آماج، منارجنبان اصفهان یکی از شگفت‌انگیزترین بناهای تاریخی ایران است؛ سازه‌ای آجری که با حرکت دادن یکی از مناره‌های آن، مناره دیگر نیز به لرزش درمی‌آید. این پدیده در نگاه نخست عجیب به نظر می‌رسد، اما پژوهش‌های مهندسی نشان می‌دهند که انتقال ارتعاش میان دو مناره از طریق سازه مشترک زیرین و تحت تأثیر ویژگی‌های دینامیکی ساختمان اتفاق می‌افتد.
راز این بنای تاریخی را باید در ترکیبی از تشدید یا رزونانس، ویژگی‌های ارتعاشی مناره‌ها، اتصالات سازه‌ای و تغییرشکل بخش بام جست‌وجو کرد. بررسی‌های علمی نشان داده‌اند که بخش مهمی از حرکت مشاهده‌شده، نه فقط به انعطاف مناره‌ها، بلکه به رفتار ایوان و ساختار مشترکی مربوط است که آن‌ها را به یکدیگر متصل می‌کند.
منارجنبان اصفهان؛ بنایی تاریخی با دو مناره متحرک
منارجنبان در محدوده کارلادان و در غرب اصفهان قرار دارد. هسته تاریخی این مجموعه به دوره ایلخانی بازمی‌گردد و آرامگاه عمو عبدالله، از عارفان سده هشتم هجری، را در خود جای داده است. دو مناره مشهور بنا احتمالاً در دوره‌ای متأخر به ایوان آن اضافه شده‌اند و برخی پژوهشگران زمان ساخت آن‌ها را به دوره صفوی نسبت می‌دهند.
ایوان آجری بنا حدود ۱۰ متر ارتفاع دارد و دو مناره آن تقریباً ۷٫۵ متر از سطح بام بالاتر رفته‌اند. فاصله محور دو مناره حدود ۹٫۲ متر است. قطر مناره‌ها در بخش پایینی نزدیک به ۱٫۴ متر است و به سمت بالا کاهش می‌یابد. ضخامت دیواره آجری آن‌ها نیز حدود ۲۰ سانتی‌متر گزارش شده است. هر مناره پلکانی مارپیچ دارد که امکان دسترسی به بخش بالایی را فراهم می‌کند.
این ویژگی‌ها از نظر مهندسی اهمیت زیادی دارند؛ زیرا ارتفاع، جرم، ضخامت دیواره‌ها و نحوه اتصال مناره‌ها به ایوان، بر چگونگی واکنش سازه به نیروهای جانبی اثر می‌گذارند.
آیا سازه آجری می‌تواند انعطاف‌پذیر باشد؟
یکی از برداشت‌های اشتباه درباره منارجنبان این است که آجر و ملات به دلیل سختی زیاد نمی‌توانند حرکت کنند. در واقع، مصالح بنایی نیز تحت تأثیر نیرو دچار تغییرشکل می‌شوند؛ هرچند میزان شکل‌پذیری آن‌ها در مقایسه با مصالحی مانند فولاد کمتر است.
یک سازه آجری می‌تواند در محدوده مشخصی تغییرشکل‌های کوچک را تجربه کند و پس از برداشته شدن نیرو تا حدی به وضعیت اولیه بازگردد. البته این ظرفیت محدود است و وارد شدن نیروهای بیش از حد می‌تواند باعث ترک‌خوردگی یا آسیب دائمی شود.
در بررسی‌های سازه‌ای منارجنبان، به وجود کلاف‌های افقی چوبی در بخش‌های بالایی و پایینی مناره‌ها اشاره شده است. چوب در مقایسه با مصالح بنایی رفتار متفاوتی در برابر تغییرشکل دارد و می‌تواند در عملکرد مجموعه نقش داشته باشد. همچنین در محل اتصال مناره‌ها به بخش‌هایی از بام، فاصله‌هایی در حدود پنج سانتی‌متر گزارش شده است که ممکن است امکان حرکت نسبی برخی اجزای سازه را فراهم کند.
با این حال، مشخص نیست همه این ویژگی‌ها با هدف ایجاد حرکت طراحی شده باشند یا رفتار لرزشی بنا حاصل ترکیب شکل هندسی، مصالح و اتصالات آن باشد. برای پاسخ دقیق‌تر، پژوهشگران به اندازه‌گیری مستقیم ارتعاشات سازه روی آورده‌اند.
تشدید یا رزونانس؛ عامل مهم در لرزش مناره‌ها
برای درک بهتر عملکرد منارجنبان، می‌توان دو آونگ را تصور کرد که به یک تکیه‌گاه مشترک و انعطاف‌پذیر متصل شده‌اند. اگر یکی از آونگ‌ها به حرکت درآید، بخشی از انرژی حرکتی آن از طریق تکیه‌گاه به آونگ دیگر منتقل می‌شود. در صورتی که ویژگی‌های ارتعاشی دو آونگ به یکدیگر نزدیک باشد، این انتقال می‌تواند مؤثرتر اتفاق بیفتد.
رفتاری مشابه در منارجنبان دیده می‌شود. دو مناره از طریق ایوان و بام به یکدیگر متصل هستند. بنابراین، وقتی یکی از آن‌ها به حرکت درمی‌آید، نیرو و تغییرشکل ایجادشده در سازه مشترک می‌تواند مناره دوم را نیز به نوسان وادار کند.
یکی از مفاهیم مهم برای توضیح این اتفاق، «تشدید» یا رزونانس است. تقریباً هر سازه‌ای فرکانس‌های طبیعی مشخصی دارد؛ یعنی در صورت تحریک شدن با آهنگی نزدیک به این فرکانس‌ها، تمایل بیشتری به نوسان نشان می‌دهد.
این پدیده را می‌توان با تاب‌بازی مقایسه کرد. اگر تاب در زمان مناسب و هماهنگ با حرکت طبیعی آن هل داده شود، دامنه نوسان افزایش می‌یابد. در منارجنبان نیز وارد کردن نیروی متناوب و هماهنگ با ویژگی‌های ارتعاشی سازه می‌تواند حرکت مناره را تقویت کند.
آزمایش مهندسی منارجنبان با هشت شتاب‌سنج
در پژوهشی با عنوان بررسی سازوکار ارتعاش بنای تاریخی منارجنبان، نقدعلی حسین‌زاده و مینا حسین‌زاده با انجام آزمایش‌های میدانی و مدل‌سازی مهندسی تلاش کردند نحوه حرکت این سازه را توضیح دهند. نتایج این تحقیق در کنفرانس جهانی مهندسی زلزله در سال ۲۰۱۲ ارائه شد.
پژوهشگران برای ثبت دقیق حرکت بنا، هشت شتاب‌سنج را در نقاط مختلف مناره‌ها و ساختمان نصب کردند. سپس در چند آزمایش جداگانه، نیروی متناوبی به قسمت بالایی یکی از مناره‌ها وارد کردند و واکنش بخش‌های مختلف سازه را اندازه گرفتند.
در هر آزمایش، ابتدا حدود ۲۰ ثانیه نوسان اجباری ثبت شد. پس از توقف اعمال نیرو نیز لرزش آزاد سازه برای حدود ۱۵ ثانیه دیگر اندازه‌گیری شد. بررسی این مرحله اهمیت زیادی داشت؛ زیرا پس از قطع نیروی خارجی، سازه همچنان برای مدتی به نوسان ادامه می‌دهد و سپس حرکت آن به‌تدریج کاهش می‌یابد. از این طریق می‌توان ویژگی‌هایی مانند فرکانس طبیعی و میزان میرایی سازه را بررسی کرد.
نتایج اندازه‌گیری‌ها چه چیزی را نشان داد؟
یکی از حالت‌های اصلی نوسان مجموعه، فرکانسی در حدود دو هرتز داشت؛ به این معنا که سازه تقریباً دو نوسان در هر ثانیه انجام می‌داد. در یکی از آزمایش‌ها، نوک مناره‌ای که به آن نیرو وارد شده بود، حدود پنج سانتی‌متر در هر طرف موقعیت تعادل جابه‌جا شد؛ بنابراین فاصله میان دو نقطه انتهایی حرکت به حدود ۱۰ سانتی‌متر رسید.
در همان زمان، مناره دوم نیز به حرکت درآمد، اما دامنه نوسان آن کمتر بود. اندازه‌گیری‌ها نشان دادند که دامنه حرکت نوک مناره دوم به حدود ۳۵ درصد دامنه حرکت مناره اول می‌رسد. این موضوع نشان می‌دهد که ارتعاش از طریق ساختار مشترک منتقل می‌شود، اما شدت حرکت در دو مناره یکسان نیست.
پژوهشگران همچنین دریافتند که فرکانس‌های طبیعی دو مناره کاملاً برابر نیستند و در یکی از حالت‌های اندازه‌گیری‌شده حدود چهار درصد اختلاف دارند. این تفاوت، در کنار میرایی ناشی از مصالح و اتصالات، بر میزان انتقال ارتعاش میان دو مناره اثر می‌گذارد.
نقش بام و ایوان در لرزش منارجنبان بیشتر از تصور اولیه است
یکی از مهم‌ترین بخش‌های پژوهش، مدل‌سازی رفتار سازه بود. در نگاه ساده می‌توان هر مناره را ستونی مستقل در نظر گرفت که با وارد شدن نیروی جانبی، خم می‌شود و نوک آن جابه‌جا می‌شود. اما منارجنبان از دو مناره مستقل تشکیل نشده است؛ هر دو روی بام یک ایوان آجری قرار دارند و بخش زیرین نیز در برابر نیرو تغییرشکل می‌دهد.
به همین دلیل، پژوهشگران مدلی ساختند که در آن دو مناره با یک عضو افقی به یکدیگر متصل بودند؛ ساختاری شبیه چارچوبی به شکل حرف U. مقایسه نتایج این مدل با مدل ساده‌تر نشان داد که تغییرشکل بام نقش قابل‌توجهی در حرکت افقی نوک مناره‌ها دارد.
بر اساس مدل‌سازی انجام‌شده، حدود ۸۰ درصد جابه‌جایی افقی نوک مناره‌ها به تغییرشکل خمشی بخش بام مربوط بود و حدود ۲۰ درصد به تغییرشکل جانبی خود مناره‌ها نسبت داده شد.
این نتیجه نشان می‌دهد که برای فهمیدن رفتار منارجنبان نمی‌توان فقط به دو برج آجری توجه کرد. ایوان و بام نیز بخش مهمی از سامانه ارتعاشی بنا هستند و حرکت آن‌ها در انتقال نیرو میان دو مناره نقش دارد. البته نسبت ۸۰ به ۲۰ حاصل یک مدل مهندسی با فرض‌های مشخص است و نباید آن را در تمام شرایط، یک نسبت ثابت و تغییرناپذیر دانست.
آیا منارجنبان یک سازه ضدزلزله است؟
برخی ویژگی‌های ارتعاشی منارجنبان باعث شده است که گاهی از این بنا به‌عنوان نمونه‌ای قدیمی از فناوری‌های ضدزلزله یاد شود. در مهندسی سازه‌های مدرن، سامانه‌هایی مانند میراگر جرمی تنظیم‌شده وجود دارند که با ایجاد حرکت کنترل‌شده در یک جرم کمکی، می‌توانند پاسخ سازه به برخی نیروهای دینامیکی را کاهش دهند.
با این حال، شباهت یک پدیده فیزیکی به فناوری‌های امروزی به معنای یکسان بودن هدف طراحی نیست. لرزش منارجنبان به‌تنهایی ثابت نمی‌کند که معماران گذشته این بنا را با هدف مقابله با زلزله ساخته‌اند. افزون بر این، تشدید اگر به‌درستی کنترل نشود، ممکن است دامنه حرکت را افزایش دهد و به سازه آسیب برساند.
از سوی دیگر، وارد کردن مکرر نیروهای نامناسب به مناره‌ها می‌تواند برای یک بنای تاریخی خطرناک باشد. آجر، ملات و اتصالات قدیمی در گذر زمان فرسوده می‌شوند و ظرفیت محدودی برای تحمل تغییرشکل دارند. بنابراین، لرزش منارجنبان نباید بهانه‌ای برای آزمایش‌های خودسرانه یا وارد کردن فشار بیش از حد به این اثر تاریخی باشد.
راز منارجنبان؛ ترکیب علم سازه و معماری تاریخی
منارجنبان نمونه‌ای جذاب از ارتباط میان معماری تاریخی و دانش مهندسی است. آنچه در نگاه نخست به‌صورت حرکت هم‌زمان دو مناره دیده می‌شود، در واقع نتیجه تعامل میان ویژگی‌های ارتعاشی مناره‌ها، انتقال نیرو از طریق سازه مشترک، تغییرشکل بام و پدیده تشدید است.
پژوهش‌های مهندسی درباره این بنا همچنان ادامه دارد. مطالعه‌ای در سال ۲۰۲۳ نیز با استفاده از معادلات حرکت و مدل‌سازی عددی نشان داد که رفتارهای مشابه، بسته به عواملی مانند جرم، سختی، میرایی و هندسه مناره‌ها، می‌توانند در سازه‌های دیگر نیز رخ دهند.
شگفتی منارجنبان در این نیست که قوانین فیزیک را نقض می‌کند؛ بلکه در این است که بنایی چندصدساله با مصالحی مانند آجر، چوب و ملات، رفتار دینامیکی پیچیده‌ای از خود نشان می‌دهد که برای شناخت دقیق آن هنوز به اندازه‌گیری و محاسبات مهندسی نیاز است.
این بنا یادآور آن است که آثار تاریخی تنها یادگارهایی از گذشته نیستند؛ آن‌ها می‌توانند موضوع پژوهش‌های علمی امروز باشند و اطلاعات ارزشمندی درباره رفتار مصالح، انتقال ارتعاش و مهندسی سازه در اختیار محققان قرار دهند. برای آشنایی با دیگر شگفتی‌های تاریخی و معماری ایران، گزارش‌های آماج را دنبال کنید.
