بخشی از مقاله
انواع جداسازهای لرزه ای پایه در بهسازی لرزه ای سازهها
چکیده
جداساز سامانه ای است که سازهی روی خود را از بخش زیرین خود جدا میکند. هدف اصلی در این روش، کاهش مقدار نیروها و انرژیی است که در اثر زلزله به سازه منتقل میشود. این هدف با نصب سازه بر روی لایههای جداکننده که شکل پذیری افقی زیاد دارند انجام میگیرد. برای اینکه در زمان بروز زلزله هیچ نیرویی به سازه منتقل نشود، لازم است این سامانه، سازه را به حالت شناور درآورد. جداسازی لرزه ای پی، که با به کار بردن وسایل جداساز با سختی افقی کم در بین سازه و پی انجام میشود، سازه را از مؤلفههای افقی حرکات لرزه ای زمین جدا میسازد و باعث کاهش قابل توجه نیروها و انرژی زلزله منتقل شده به سازه میگردد
واژههای کلیدی: جداساز لرزه ای، بهسازی، دوره تناوب، پریود.
-1 مقدمه
در عرض 30 سال، جداسازی لرزه ای از یک مفهوم ریاضی به کاربرد گسترده در عمل تبدیل شده است.[1] جداسازی لرزه ای یک فناوری مهم برای کنترل و کاهش خطر پذیری به ویژه در سازهها و تاسیسات مهم و حیاتی است، که هنگام بروز زلزله باید عملکرد مطلوبی داشته باشند و بدون وقفه عملیاتی، قابل استفاده باشند. علی رغم آنکه ایده جداسازی لرزه ای به زمانهای قدیم بر میگردد و در ایران به نحوی در ساخت منارجنبان اصفهان نیز به کار رفته، ولی در دهههای اخیر این فناوری در قالب امروزه خود، پیشرفت قابل توجهی نموده است و روز به روز در بین مهندسین حرفه ای جایگاه خود را به عنوان یک راه حل قابل اعتماد برای مقاوم سازی و افزایش ضریب ایمنی سازه باز نموده است .[2]
جداسازی پایه یکی از روشهای خیلی موثر و اقتصادی در دسته غیرفعال میباشد که موجب کاهش انرژی حاصل از زلزله در رو سازه میشود بدون اینکه خسارتی به آن وارد کند .[3] در این روش، سازه بر روی تکیه گاههایی که قابلیت تغییر شکل جانبی زیادی دارند، قرار میگیرد. در صورت وقوع زلزله، عمده تغییر شکلها در تکیهگاه رخ داده و سازه مانند جسمی صلب با تغییر شکلهای کوچکی ارتعاش میکند.[4]
جداسازی لرزه ای، یک روش طراحی لرزه ای مقاوم است که به جای افزایش ظرفیت لرزه ای سازهها، بر مبنای مفهوم کاهش نیاز لرزه ای قرار دارد. استفاده صحیح از این فناوری سبب بهبود رفتار سازهها شده و رفتار سازه در حین زمین لرزههای
بزرگ، عمدتاً در محدوده ارتجاعی باقی میماند .[2]
جداسازی لرزه ای پی، که با به کار بردن وسایل جداساز با سختی افقی کم در بین سازه و پی انجام میشود، سازه را از مؤلفههای افقی حرکات لرزه ای زمین جدا میسازد و باعث کاهش قابل توجه نیروها و انرژی زلزله منتقل شده به سازه میگردد.[5]
-2 تاریخچه ساخت جداسازهای لرزه ای
در اوت سال 1909، دکتر ج. ا . کلانتارینتز1 در انگلستان با ارسال نامه ای به رئیس موسسه زلزله شناسی شیلی در سانتیاگو، روش نوینی را برای ساخت بناهای مقاوم در برابر زلزله معرفی کرد. مطابق نظر وی، ساختمانهایی که به این صورت ساخته میشوند میتوانند با ایمنی کامل در مناطق لرزه خیز به کار گرفته شوند، چرا که به دلیل وجود درزهای آزاد روغن کاری شده، شدت زمین لرزه اهمیت خود را از دست میدهد . کلانتارینتز در نامه دیگری که برای اداره ثبت اختراعات انگلستان فرستاد، ادعا کرد که ساختمانهایی که بر روی این درزهای آزاد و لایه ای از ماسه نرم، میکا یا تا لک ساخته شوند، به هنگام وقوع زمین لرزه، لغزیده و سبب کاهش نیروی لرزه ای وارده به سازه میشوند. پیشنهاد این شخص، نمونه اولیه ای از یک فلسفه طراحی مقاوم لرزه ای است که بعداً به جداسازی پایه یا جداسازی لرزه ای معروف شد.
همچنین پیش از آن در سال 1885، جان مایلن2 استاد انگلیسی مهندسی معدن در دانشگاه توکیو نمونه ای از یک ساختمان جداسازی شده با »گوی های چدنی و شمع هایی با لبه های گرد« ساخته بود که در فاز اول تحقیقاتش از عملکرد ساختمان در برابر باد ناراضی بود؛ اما در سال 1886 با اصلاح ابعاد و تعداد ساچمههای چدنی، توانست طرح خود را برابر زمین لرزه واقعی موفق بداند .[2]
بررسیها نشان داده است که مقبره کوروش3 قدیمیترین بنای جهان است که در دوره هخامنشی با ایده ای بسیار نزدیک به تفکر جداسازی لرزه ای احداث شده است .[6]
شکل :1 مقبره کوروش، قدیمیترین سازه جداسازی شده در جهان .[6]
-3 مفهوم جداسازی لرزه ای
مفهوم جداسازی لرزهای به عنوان یک ابزار محافظتی در برابر زلزله، به بیش از 100 سال قبل باز میگردد.[7] جداسازی لرزه ای عبارت است از جدا کردن کل یا بخشی از سازه از زمین یا قسمتهای دیگر سازه به منظور کاهش پاسخ لرزه ای آن بخش در زمان رویداد زلزله.
روش مرسوم طراحی لرزه ای سازهها مبتنی بر افزایش ظرفیت سازه است. در این رویکرد طراحی لرزه ای، ایجاد ظرفیت باربری جانبی در سازه، با افزایش مقاومت و تأمین شکل پذیری آن صورت میگیرد. در نتیجه اجرای این روش، ابعاد اعضای سازه ای و اتصالات افزایش یافته و در سازه، اعضای مهار بند جانبی همچون بادبند یا دیوار برشی یا سایر اعضای سخت کننده در نظر گرفته میشود .[8]
افزایش سختی سازه که جذب نیروی بیشتر ناشی از زلزله را به دنبال داشته و سبب افزایش ابعاد اعضای سازه ای به منظور تأمین مقاومت میشود، موجب کاهش ارزش اقتصادی پروژه میگردد. علاوه بر آن، در روشهای مرسوم طراحی، به
دلیل تغییر شکلهای غیرخطی در اعضای سازه ای و غیر سازه ای امکان بروز خرابی در این اعضا و وقوع آسیب در اجزای غیر سازه ای و تجهیزات داخل طبقه به دلیل وقوع تغییر مکان و شتابهای قابل توجه در طبقه وجود دارد .[8]
بنابراین سیستمهای جداگر، روشی برای محافظت ساختمانها در برابر خسارات ناشی از زلزله بوده و این عمل با محدود ساختن اثر تخریبی زلزله و نه مقاوم کردن سازه در مقابل زلزله انجام میپذیرد. جداگرهای ارتعاشی اثر تخریبی زلزله را محدود میسازند، به طوری که پایه انعطاف پذیر سازه باعث جدا شدن آن از حرکات زمین میشود و در نتیجه شتاب پاسخ سازه کمتر از شتاب زمین میباشد. نیروهایی که به سازهی جدا شده وارد میشود، را میتوان با وسایل میراگر که باعث اتلاف انرژی ناشی از زلزله میشوند، کاهش داد .[9]
شکل :2 مقایسه تغییر مکان در دو حالت جداسازی شده و پایه ثابت .[10]
-4 جداساز لرزه ای در بهسازی نوین
بهسازی لرزه ای سازهها شامل افزایش ظرفیت سازه به لحاظ سختی و مقاومت، افزایش قابلیت جذب انرژی و کاهش نیاز لرزه ای با استفاده از روشهایی مانند جداسازی سازه از پی، کاهش جرم سازه و سیستمهای اتلاف کننده انرژی میباشد .[11]
بهسازی ساختمانهای موجود در برابر زلزله با روشهایی متفاوت از روشهای مقاوم سازی سنتی صورت میگیرد . امروزه استفاده از سیستمهای شکل پذیر یا میراگرهای انرژی رشد شایانی داشتهاند. این سیستمها سبب میشوند عملیات اجرایی بهسازی از نظر حجم و زمان به حداقل برسد و علاوه بر کاهش هزینههای اجرایی، سبب می شوند لطمه کمتری به روند بهره برداری از ساختمان وارد شود .[12]
عمل جداسازی پایه از نظر بهسازی در برابر زلزله، یک سیستم سازه ای انعطاف پذیر و مناسب را به وجود می آورد. سیستمهای جداساز لرزه ای از گوناگونی زیادی برخوردارند؛ ولی پایه و اساس همگی آنها بر دو نوع سیستمهای لغزشی و لاستیکی استوار است، که هر کدام به منظور جداسازی از حرکت زمین در ساختمانها و پلها مورد استفاده قرار میگیرند.[13]
فلسفه و هدف بهسازی لرزه ای با استفاده از سیستمهای جداساز لرزه ایمستقیماً به هدف کارفرما و انتظارات او از عملکرد ساختمان بهسازی شده بستگی دارد. به همین دلیل اهداف بهسازی از پروژه ای به پروژه دیگر میتواند متفاوت باشد. پنج مورد از مواردی که انگیزه اصلی کارفرمایان در انتخاب سیستم های جداساز لرزه ای جهت بهسازی ساختمانهای موجود محسوب میشوند به شرح زیر میباشند: [14]
(1 قابلیت عملکرد: مراکزی که در هنگام زلزله و بعد از آن بایستی به فعالیت خود ادامه دهند (مانند مراکز کامپیوتری، مالی و ...).
(2 حفظ محتویات: لوازم مهم و ارزشمندی که بایستی از خسارات ناشی از ارتعاشات زلزله محافظت شوند ( مانند آثار تاریخی و هنری).
(3 حفظ سرمایه: جلوگیری از ضررهای اقتصادی ناشی از خسارات زلزله.
(4 حفظ آثار باستانی: جلوگیری از تخریب یا ایجاد خسارت در ساختمانهای تاریخی.
5( طرح اقتصادی: برخی از ساختمانها به قدری پیچیده هستند که جداسازی لرزه ای به عنوان یک روش اقتصادی برای بهسازی لرزه ای آنها میتواند در نظر گرفته شود.
-4 مشخصات فنی سیستمهای جداساز
-1-4 اجزای اصلی سیستمهای جداساز
در هر سیستم عملی برای جداسازی پایه، سه جزء اصلی را میتوان مشاهده کرد که هر یک وظیفه ای خاص در عملکرد سازه در برابر نیروها و تغییر شکلهای ناشی از زمین لرزه دارند. این اجزاء عبارتاند از: [15]
الف) تکیه گاه انعطاف پذیر در برابر تغییر شکلهای جانبی، به نحوی که زمان تناوب ارتعاش کل سیستم را به مقدار کافی طولانی کند تا باعث کاهش مقادیر نیروهای پاسخ شود.
ب) میراگر یا اتلاف کننده انرژی، به نحوی که بتوان تغییر شکلهای نسبی بین ساختمان و زمین را در حد معینی کنترل
کرد.
ج) ابزاری برای تأمین سختی جانبی کافی تحت اثر بارهای کم، نظیر باد و زلزلههای کوچک.
-2-4 قابلیتهای سیستم جداساز
لازم است که یک سامانهی جداسازی دارای قابلیتهای زیر باشد:
(1 بتواند نیروهای قائم ناشی از وزن و پاسخ زلزله در زمان زلزله را تحمل کند؛ (2 در جهت افقی انعطاف پذیری لازم را تأمین نماید؛ (3 قابلیت جذب انرژی داشته باشد.
این قابلیتها میتواند به طور هم زمان در یک وسیله تأمین شود یا به کمک چند وسیله آنها را برای سامانهی جداسازی فراهم آورد. علاوه بر این طراح ممکن است برای محدود نمودن تغییر مکان جداسازها، در سامانهی جداسازی لرزه ای، ضربه گیرهایی نیز پیش بینی نماید .[8]
مهمترین و اصلیترین تاثیر جداگرهای لرزه ای افزایش طول پریود سازه و در نتیجه کاهش نیروی زلزله القاء شده به سازه ناشی از مود اول است. دومین تأثیر عامل جداگرهای لرزه ای وجود میرایی در جداگرهای لرزه ای سبب تسهیل در اتلاف انرژی در سازه گردیده و در نتیجه پاسخهای مربوطه به سازه را کاهش خواهد داد .[16]
-3-4 مکانیزم سیستم جداساز
سیستم جداساز انرژی زمین لرزه را جذب نمیکند، بلکه آن را با استفاده از ویژگیهای رفتار دینامیکی سیستم منحرف میسازد. این اثر ارتباطی به میرایی سیستم ندارد؛ اما برای جلوگیری از وقوع پدیدهی تشدید احتمالی در محدودهی فرکانسی برابر فرکانس ارتعاشی سیستم جداساز، مقدار مشخصی میرایی، مفید و ضروری میباشد .[2]
سیستم جداساز، با سختی افقی پایینی که بین سازه و پی ایجاد میکند، ساختمان یا سازه را از مؤلفههای افقی حرکت زمین جدا میسازد. این عمل سیستمی را به وجود میآورد که فرکانس پایهی آن بسیار پایین تر از فرکانسهای غالب زمین لرزه و نیز فرکانس پایهی همان ساختمان با اتصال گیردار میباشد .[2]
در سیستمهای جداسازی شده، قسمت عمده حرکات لرزه ای زمین در تراز جداگرهای لرزه ای جذب شده و در نتیجه حرکات لرزه ای منتقل شده به سازه فوقانی به میزان قابل توجهی کاهش مییابد. اساس این روش کاهش پاسخها به وسیله افزایش زمان تناوب و میرایی سازه میباشد .[17]
مکانیزم عمل سیستم جداساز از دو قسمت اصلی تشکیل میشود: [18] بخش اول؛ افزایش زمان تناوب اصلی سازه برای دور کردن از تشدید شتاب مطلق، بخش دوم؛ عامل تولید میرایی اضافی ایجاد شده برای استهلاک انرژی زلزله.
همان طور که شکل 3 نشان میدهد، هر کدام از دو تأثیر فوق میتوانند باعث کاهش نیروی جانبی ناشی از زلزله شوند.
شکل :3 اثر افزایش انعطاف پذیری بر سازه: (a) با افزایش زمان تناوب و میرایی شتاب پاسخ لرزه ای کم میشود، (b)
افزایش زمان تناوب تغییر مکان کلی سازه جداسازی شده را افزایش میدهد، اما افزایش میرایی تا حد زیادی این موضوع را جبران میکند .[9]
-5 انواع سیستمهای جداساز لرزه ای پایه
امروزه، جداسازی لرزه ای فناوری توسعه یافته ای است که در بسیاری از کشورها به کار میرود و تعداد زیادی سیستمهای جداساز لرزه ای قابل قبول وجود دارند که مبانی ساخت آن ها به خوبی شناخته شده است. به هر حال به نظر میرسد که این مفهوم، جاذبه اجتناب ناپذیری برای مخترعین داشته و هر ساله سیستمهای نوین و مختلفی از جداسازها پیشنهاد شده و به ثبت میرسند .[2]
سیستمهای جداسازی لرزه ای از تنوع بسیار زیادی برخوردار میباشند، ولی پایه و اساس همگی آنها بر دو سیستم کلی استوار است:
(1 سیستمهای الاستومر (لاستیکی)؛ که ماده اولیه آن لاستیک طبیعی یا نئوپرن است. (2 سیستمهای لغزشی؛ که سطح لغزنده از جنس تفلون و فولاد ضد زنگ میباشد.
که هر کدام به منظور جداسازی از حرکتهای زمین در ساختمانها و پلها مورد استفاده قرار گرفتهاند [2] و .[13]
-1-5 سیستمهای الاستومر (لاستیکی)
نشیمن لاستیک طبیعی، نخستین بار در سال 1969 برای حفاظت لرزه ای ساختمان مدرسه ابتدایی پستالوزی 1 در اسکوپیه (مقدونیه) به کار رفت. این نشیمنها، بلوکهای لاستیکی بزرگی میباشند که یرخلاف نمونههای امروزی، فاقد صفحات فولادی تقویت کننده بوده و در اثر وزن ساختمان، حدود %25 فشرده می شوند (شکل .(7-3 سختی قائم نشیمنها فقط چند برابر سختی افقی بوده و لاستیک مورد استفاده تقریباً فاقد میرایی است. در هر دو سمت نشیمنهای لاستیکی بلوکهایی از جنس شیشه اسفنجی (فوم) قرار داده میشود که جهت جلوگیری از حرکت ساختمان در اثر باد، ترددهای داخلی ساختمان یا زمین لرزههای با شدت کم میباشد .[4]
ویژگی این سیستمهای جداساز، ارتباط و جفت شدن (درگیری) شدید حرکت افقی آنها، با حرکت گهواره ای2 بوده و بنابراینحتی در اثر یک حرکت زمین کاملاً افقی شتابهای قائم در مورد گهواره ای نیز القا میگردد .[2]
شکل :4 تغییر شکل قائم جداگر لاستیکی خالص .[4]
امروزه تکیه گاههای لاستیکی به صورت چند لایه ساخته میشوند که کاربرد اصلی آنها در پایه سازههای ابنیه ای، صنعتی و قسمت روسازه پلها است. این تکیه گاه ها در مقابل تغییر شکلهای افقی بزرگ، مقاومت کمی از خود نشان میدهند. همچنین دوران را تعدیل نموده و توانایی تحمل وزنهای بزرگ را دارا هستند. این بالشتکها کاربرد وسیعی در جداسازی ناشی از انبساط حرارتی و ارتعاشات دارند، مقدار میرایی را در این گونه جداگرها میتوان توسط عوامل جداگانه ای افزایش داد. در مدلهای امروزی نشیمنهای لاستیکی چند لایه الاستومری از ورقههای لاستیک و صفحات تقویت کننده نازک فولادی ساخته شدهاند که این صفحات با استفاده از ولکانیزاسیون1 یا پخت لاستیک با ورقههای نازک فولادی تهیه میشوند.[9]
در سال 1969 اولین مورد استفاده از جداساز لاستیکی، برای محافظت ساختمانها در برابر زمین لرزه، در ساختمان مدرسه ابتدایی پستالوزی در اسکوپیه (مقدونیه) میباشد. مدرسه پستالوزی یک ساختمان سه طبقه بتنی است که به وسیله مهندسین سوئیسی طراحی و ساخته شده و با سیستمی معروف به جداسازی پایه کامل سه بعدی سوئیسی2 جداسازی شده است. بلوکهای لاستیکی مورد استفاده در این مدرسه در شکل (8- 3) نشان داده شده است. برخلاف نمونههای جدید امروزی، بدون هر گونه تقویت بوده و در نتیجه، به دلیل وزن ساختمان دارای انبساط جانبی3 زیادی میباشند .[2]
شکل :(8-3) ساختمان مدرسه پستالوزی اسکوپیه (مقدونیه)، نمایی از جداساز لاستیکی قدیمی LDRB و جداساز جایگزین شده جدید .[19]
انواع جداسازهای الاستومر عبارتاند از:
(1 نشیمنهای لاستیکی با ورقههای فولادی و میرایی کم (LDRB)؛ (2 نشیمنهای لاستیکی با هسته سربی (LRB)؛
(3 نشیمنهای لاستیکی با میرایی زیاد (HDRB)؛
(4 نشیمنهای لاستیکی مسلح با الیاف (F-REI)؛
(5 نشیمنهای لاستیکی مسلح به حلقههای فلزی .(SR-REI)
-1-1-5 نشیمنهای لاستیکی با ورقههای فولادی و میرایی کم 1(LDRB)
درهام2 و همکارانش (سال 1975 )، پیشنهاد کردند که قرار دادن صفحات فولادی در بین لاستیک و انجام عمل ولکانیزاسیون، موجب میشود که سختی قائم صدها برابر سختی افقی تأمین گردد، که با این ایده از انبساط جانبی در بالشتک جلوگیری شد .[2]
نشیمنهای لاستیکی با ورقههای فولادی یکی از جداسازهایی هستند که نیاز به انتقال دورهی تناوب طبیعی سازه و وظیفهی جدا نمودن ارتعاش روسازه از بستر خود را برای مهندسان و طراحان برآورده میکنند. این جداسازها، از ورقههای نازک لاستیکی و فولادی که به ترتیب بر روی هم چیده شده و تحت فشار و حرارت به شکل مجموعه ای متورق و یکپارچه در میآیند، تشکیل شدهاند. ورقهای فولادی مسلح کننده، از انبساط جانبی لاستیک جلوگیری کرده و سختی قائم را به مقدار زیادی افزایش میدهند؛ اما هیچ تأثیری بر سختی افقی سیستم که به وسیله مدول برشی الاستومر کنترل می شود، ندارند. رفتار ماده در برش تا کرنشهای بیش از %100کاملاً خطی بوده و میرایی آن در حدود 2 تا 3 درصد مقدار بحرانی میباشد [2] و .[8]
شکل :(10-3) نشیمن لاستیکی طبیعی و مصنوعی با میرایی کم؛ منحنی نیروی برشی- تغییر مکان جداساز .[20]
در مرکز این جداسازها اغلب سوراخی وجود دارد. از نظر قابلیت باربری این جداسازها، وجود این سوراخ ممکن است نقطهی ضعفی به شمار آید، اما وجود آن به نحوهی ساخت این وسایل بر میگردد. در زمان ساخت با دادن حرارت از داخل این سوراخ، به توزیع حرارت در مجموعهی جداساز کمک کرده و کیفیت محصول را از این طریق بالا میبرند. به ویژه در مواردی که قطر خارجی این جداسازها زیاد میشود، اعمال حرارت تنها از خارج آن کافی نیست .[8]
برج مرکزی پارک شهر سوگینامی3 در استان توکیو (ژاپن)، یک ساختمان مسکونی با ارتفاع 87/4 متر 28) طبقه) است و اولین ساختمان جداسازی شده مرتفع در ژاپن میباشد. در سال 2000 برای جداسازی این ساختمان از 30 عدد جداساز لاستیکی با میرایی کم و 99 عدد میراگر استفاده شده است.[19]
