بخشی از مقاله
بررسی جداسازهای لرزه ای و نقش آنها در ایمنی پلها در برابر زلزله
چکیده
توانایی و مزایای جداگرهای لرزه ای بعنوان ابزار کنترل غیرفعال نیروهای زلزله که به طراحان اجازه می دهد نیروهای زلزله وارد بر پایه ها و کوله های پل را کاهش داده و یا متعادل کنند، به خوبی به اثبات رسیده است. با توجه به انواع خسارتهای وارد بر پلها در زلزله های گذشته که عمدتا بواسطه تخمین نادرست نیروهای زلزله می باشد، از این جداگرها میتوان به نحو مؤثری در بهسازی پلهای موجود و یا طراحی پلهای جدید واقع در نواحی لرزه خیز بهره برد. هدف از تحقیق حاضر، آشنایی با سیستم جداسازی لرزه ای، انواع جداگرها و کاربرد آنها در پلها برای کاهش اثرات نیروهای جانبی زلزله می باشد. جداگرها با تغییر طبیعت ارتعاشی پلها سطح نیروهای جانبی ناشی از زلزله را پائین آورده و با انحراف و جذب عمده انرژی ورودی زلزله، از اجزای زیر سازه پل محافظت مینمایند که به این توانایی مهم جداگرها در کسب ضریب مناسب حفاظت پایه، جز با طراحی دقیق آنها نمیتوان دست یافت. برای کاربرد بهینه جداسازی لرزه ای در پلهای جدید و نیز بهسازی پلهای موجود کشور در برابر زلزله، تحقیق به منظور بهبود ساخت و تولید جداگرهای چند لایه الاستومری مسلح شده با ورقهای فولادی و یا الیاف پلیمری برای کسب میرایی بالا توصیه می شود.
واژههای کلیدی: جداساز های لرزه ای، پل، دوره تناوب، مقاوم سازی، بهسازی لرزه ای .
-1 مقدمه
روش های مرسوم طراحی مقاوم در برابر زلزله برای پل ها افزایش مقاومت یا افزایش ظرفیت جذب انرژی اجزای آن است. این جذب انرژی در بردارنده خسارت بوده، در نتیجه روش طراحی مرسوم از فروپاشی پل جلوگیری می کند، ولی مانع وارد آمدن خسارت به پل نمی شود. یک روش مدرن برای طراحی پل ها در برابر زلزله استفاده از جداگر های لرزه ای می باشد. اگر چه بیش از دو دهه از کاربرد جداسازی لرزه ای در پل ها می گذرد، اما مطالعات بسیار زیادی در این زمینه صورت گرفته است که همگی کارایی آن ها را در پل ها تایید می نمایند. به طور کلی پل ها بستر مناسبی برای استفاده از سیستم های جداساز لرزه ای هستند زیرا:
- به علت نقش مهمی که پل ها پس از وقوع زلزله های بزرگ در عملیات امداد و نجات ایفا می کنند، لازم است که این سازه ها در مقابل حملات لرزه ای از سطح حفاظت بالاتری برخوردار باشند.
- استفاده از سیستم های جداساز و تلف کننده انرژی در پل ها باعث تمرکز خسارت ناشی از زلزله در محل سیستم های تکیه گاهی می شود و پایه ها و کوله ها در مقابل خسارات سازه ای محافظت می شوند.
- عمده جرم پل ها در تراز عرشه متمرکز شده است و معمولا لازم است که عرشه پل ها تحت حملات لرزه ای الاستیک خطی باقی بماند. جدا کردن عرشه از زیر سازه سبب حفاظت بیشتر عرشه نیز می گردد.
- جدا کردن عرشه از زیر سازه با استفاده از تکیه گاه های الاستومری به علت کاهش نیروهای منتقله به زیر سازه در اثر تغییر شکل های حرارتی عرشه از قدیم مرسوم می باشند. با ایجاد تغییرات اندک در سیستم های تکیه گاهی و درزهای انبساط میتوان با صرف هزینه بسیار اندک سیستم جداساز لرزه ای را در مورد پل ها به کار گرفت.
مفهوم اصلی جداسازی لرزه ای یکی افزایش دوره تناوب سازه و دیگری افزایش میرایی سازه یا هر دو با هم است. جداسازی لرزه ای روشی است که نیروهای لرزه ای را در محدوده ظرفیت ارتجاعی عضو نگه می دارد، در نتیجه از تغییر شکل های غیر کشسان جلوگیری کرده یا دست کم آن ها را کاهش می دهد.[1]
جداسازی لرزه ای به عنوان یک تکنولوژی قابل اعتماد برای کاهش خطرات ناشی از خسارات زلزله به پل ها در نظر گرفته شده است. در ژاپن و ایالات متحده آمریکا بیش از 200 پل طراحی و ساخته شده اند که مجهز به جداساز های لرزه ای می باشند. جداساز های لرزه ای به منظور تغییر دوره تناوب طبیعی ساختار پل به گونه ای عمل می کنند که محتوای فرکانسی و شتاب زلزله را تغییر داده و شتاب زلزله را کاهش می دهند. جداسازی لرزه ای با استفاده از آلیاژهای حافظه دار: در سال های اخیر تلاش های بسیاری شده که با استفاده از آلیاژهای حافظه دار در ساختار جداساز های لرزه ای به نحوی به بهبود عملکرد جداساز های لرزه ای کمک شود و خسارات ناشی از زلزله در پل ها کاهش یابد که موثر نیز بوده است.[2]
-2 انواع جداگرها
تاکنون دو گروه کلی جداگرهای لرزه ای ابداع و از آنها در پل ها استفاده شده است : جداگرهای الاستومری و جداگرهای اصطکاک. هریک از این دو گروه دارای انواع مختلف است که موارد استفاده از آنها با توجه به فناوری ساخت هر کشور و اهمیت پلها و نیاز عملکردی آنها، متفاوتند .بعضی از سیستم های جداگر رفتار صرفا نرم شونده دارند و رابطه نیرو - تغییر مکانتقریباً دوخطی از خود نشان می دهند ، مانند جداگرهای لاستیکی -سربی، پاندول اصطکاکی و یا سیستم های دوگانه شامل سطوح لغزش با فنرهای بازگرداننده. برای تحلیل غیر خطی این سیستم ها ، با استفاده از اجزای هیسترزیس می توان پا سخ آن را در همه محدوده های تغییرمکا نی، با دقت به دست آورد. از دیدگاه انرژی، اجزای هیسترزیس برای چنین جداگرهایی مناسبند، زیرا
مکانیزم استهلاک انرژی یا به صورت فرآیند ناشی از تسلیم سرب و یا اصطکاک کولمب ( لغزشی ) است وبه دقت با استهلاک انرژی حاصل از مدل جزء دو خطی مطابقت دارد . اما بعضی از جداگرها مانند لاستیک با میرایی زیاد خود رفتار نرم شونده - سخت شونده دارند . برای چنین سیستمهایی، مدل ساده دوخطی ، رابطه نیرو - تغییرمکان را در محدوده تغییرمکان های زیاد به درستی نشان نمی دهد. با توجه به استفاده از تکیه گاه ها ی نئوپرنی در پلهای موجود و امکان ساخت جداگرهای الا ستومری در کشور، استفاده از جداگرهای الاستومری، منطقی و عملی به نظر می رسد.[3]
جداگرهای الاستومری چندلایه ای مسلح شده توسط ورقهای فولادی :(ERB)
در این جداگرها، لاستیک طبیعی یا مصنوعی توسط ورق های فولادی مسلح می شود، به این صورت که صفحات فولادی و لاستیک یک در میان روی هم قرار م ی گیرند . کاربرد اولیه این جداگرها در روسازه پلها، البته به صورت ساده و ابتد ایی، برای تحمل تغییر شکل های ناشی از تغییرات درجه حرارت بوده است. این جداگرها به گونه ای طراحی می شوند که وزنهای بزرگ را تحمل میکنند، در حالی که در برابر جا بهجایی های افقی بزرگ ، مقاومت اندکی ازخود نشان میدهند .با تغییرات ساختاری این تکیه گاهها می توان ظرفیت باربری و انعطاف پذیری افقی و میرائی لازم برای جداسازی لرزه ای را تأمین کرد. چنین سیستمی عموماً دارای ظرفیت میرایی زیاد با میرایی ذاتی لاستیک و یا به وسیله سیستم های میرایی مکمل انعطاف پذیری افقی و سختی
قائم زیاد است معموﻻً دو صفحه انتهایی ضخیم فولادی و نیز تعدادی صفحات نازک فولادی داخلی دارد.[4 ,3]
شکل:1 تکیه گاه الاستومریک چند لایه لاستیکی با میرایی کم[4 , 3]
جداگرهای لاستیکی- سربی :(LRB)
جداگرهای لاستیکی با هسته سربی در سال 1975 در نیوزلند اختراع شده و به طور گسترده ای در نیوزلند و ژاپن و ایالات متحده مورد استفاده قرار گرفته اند. جداگرهای لاستیکی - سربی ، ازنوع جداگرهای لاستیکی شبیه به جداگرهای الاستومری چند لایه هستند، ولی یک یا چند هسته سربی دارند که به منظور اضافه کردن میرایی به این سیستم جد اگر در منافذی قرارگرفته اند .صفحات فولادی موجود در این جداگر، هسته سربی را وادار می کنند که در برش تغییر شکل بدهد. رفتار نیرو - تغییر مکان این جداگر تحت بارهای بهره برداری به صورت ارتجاعی بوده، ولی در هنگام زلزله، هسته سربی به صورت پلاستیک تغییر شکل می دهد .تسلیم و تغییر شکل پلاستیک هسته سربی نسبت میرایی سازه را افزایش می دهد .بنابراین جداگرهای با هسته سربی قادرند به طور همزمان بار قائم سازه را تحمل کرده، انعطاف پذیری افقی به همراه نیروی بازگرداننده و
نیز میرایی هیسترتیک مورد نیاز را تأمین کنند .قابلیت جذب انرژی توسط هسته سربی، جابهجاییهای افقی جداگر را کاهش می دهد.[5-3]
شکل:2 تکیه گاه لاستیکی -سربی[4 ,3]
-3 آ سیب پذیری لرزه ای پلها
انواع خسارتهای وارده به پلها در زلزله های گذشته یک یا ترکیبی از نقیصه های اشاره شده می باشند،که عبارتند از,1]
:[4
- زوال دهانه پلها ناشی از نشیمنگاه ناکافی در درزهای جابجائی
- بزرگنمایی جابجائی ها ناشی از اثرات خاک
- برخوردبین قابهای پل
- زوال ستونها
- زوال ناشی از عدم شکلپذیری و مقاومت خمشی
- کافی نبودن نیروهای طراحی
- مقاومت خمشی غیر قابل اعتماد ستونها
- شکلپذیری خمشی ناکافی
- قطع زود هنگام میلگردهای ستون
- زوال برشی ستون
- زوال اتصالات
- خسارتهای اجزای پلهای فلزی
- زوال پیه
