بخشی از مقاله
خلاصه
سیستمهاي سازه هاي جدا شده از پایه به عنوان یک روش نوین در صنعت ساختمان و پلسازي و یک تکنیک ساده براي محافظت اجزاء سازه اي و غیر سازه اي در برابر نیروهاي مخرب زلزله شناخته شده اند. براي پیش بینی رفتار ابزارهاي جداسازي نظیر بالشتکهاي لاستیکی معمولا تئوري هرینگس استفاده میشود.
بر پایه این تئوري، مشخصات مکانیکی یک بالشتک لاستیکی تعیین و ارائه میشود. محققان زیادي تاکنون مدلهاي غیر خطی و مکانیکی براي این بالشتکها بر پایه تئوري هرینگس ارائه نموده اند ولی در تمام تحقیقات تئوري و عملی تاثیر در نظر گرفتن چرخش در صفحات انتهایی بالشتک نادیده گرفته شده و تمام تحقیقات گذشته با شرایط مرزي یکسانی انجام شده اند. در این تحقیق، ضمن بسط تئوري هرینگس، یک مدل تحلیلی از بالشتکهاي لاستیکی با توجه به چرخش اولیه در صفحات انتهایی به عنوان شرایط مرزي جدید ارائه گردیده است.
نتایج این تحقیق بروشنی نشان دهنده تاثیر بسزاي در نظر گرفتن این شرایط مرزي جدید در تغییرات مشخصات مکانیکی بالشتکهاي لاستیکی میباشد.
1. مقدمه
براي مقابله با نیروهاي مخرب زلزله در سازه ها، دو استراتژي و روش طراحی معمول است: روش اول مبتنی بر استفاده از سیستم هاي مقاوم جهت مقابله با بارهاي جانبی نظیر قابهاي خمشی، بادبند، دیوار برشی و ... میباشد.
در این سازه ها، اعضاي سازه اي و اتصالات بایستی داراي سختی، مقاومت و شکل پذیري کافی جهت مقابله با نیروهاي ناشی از زلزله باشند. از آنجاییکه سختی و شکل پذیري با هم رابطه معکوس دارند، یکی از مسائل مهم پیش روي مهندسان در این سازه ها، متعادل کردن و فراهم کردن همزمان سختی و شکل پذیري است.
روش دوم که یک روش نوین در طراحی سازه ها بوده و روش جداسازي از پایه نام گذاري شده است، بجاي افزایش ظرفیت سازه در برابر نیروهاي ناشی از زلزله، از رسیدن این نیروها به سازه جلوگیري می کند یا آنها را به طور چشمگیري کاهش میدهد.
در این سازه ها، با تعبیه یک لایه انعطاف پذیر، از انتقال مولفه افقی نیروي زلزله به سازه جلوگیري میشود. همچنین در این سازه ها سختی و شکل پذیري بطور همزمان تامین میگردد. اساس این روش کاهش پاسخ هاي سازه به وسیله افزایش زمان تناوب و میرائی آن میباشد. با استفاده از این روش می توان تغییر شکل عناصر سازه اي را در محدوده الاستیک نگاه داشت که این مساله به سطح ایمنی سازه به گونه چشمگیري خواهد افزود.
استفاده از روش سازه هاي جداسازي شده از قرنها پیش مورد توجه مهندسان بوده است. بطوریکه بررسیها روي سازههاي پاسارگاد نشان میدهد که مهندسان هخامنشی بیش از دو هزار و پانصد سال پیش در زیر سازههاي این مجموعه دو پی میساختهاند تا بتوانند ضربه هاي ناشی از زلزله و لغزش را بگیرند و سازهها در هنگام زلزله در این منطقه زلزله خیز، آسیبی نبینند.
سازه هاي این مجموعه به عنوان اولین و قدیمیترین سازه هاي اجرا شده به روش جداسازي شده از پایه شناخته میشوند. در دهههاي اخیر کارائی و موثر بودن این روش بوسیله تحقیقات متعدد و نیز با کاربرد آن در پروژههاي واقعی به اثبات رسیده است. همچنین سازه هاي قدیمی قابل توجهی تاکنون با این روش بهسازي و مقاوم سازي شده اند. در شکل 1 پاسخ سازه جدا سازي شده از پایه و یک سازه معمولی در حین زمین لرزه نشان داده شده است. همانگونه که در این شکل مشاهده میشود، در یک سازه جدا سازي شده،
تغییر شکل در لایه انعطاف پذیر متمرکز شده و این لایه ضمن جذب مولفه افقی نیروي زلزله، باعث میگردد که سازه اصلی بصورت تقریبا صلب تغییر مکان داشته باشد. بدلیل ماهیت پاسخ این سازه ها، تخریب عناصر غیر سازه اي در حین زلزله قوي - Major Earthquake - به حداقل رسیده و بهره برداري از این سازه ها بلافاصله پس از زلزله امکان پذیر میباشد. لذا از سازه هاي جدا شده از پایه - Base-Isolated Structures - در ساخت سازه هاي حساس نظیر مراکز آتش نشانی، بیمارستانها، موزه ها و نیروگاه هاي هسته اي استفاده میشود. از کشورهاي ژاپن، آمریکا و نیوزلند به عنوان کشورهاي پیشرو در این سیستم میتوان نام برد.
شکل :1 مقایسه پاسخ یک سازه معمولی و سازه جداسازي شده حین زلزله
یکی از پرکاربردترین ابزارهاي جداسازي در سازه هاي جدا شده از پایه، بالشتکهاي لاستیکی - Laminated Rubber Bearings - میباشد که از ترکیب لایه هاي لاستیک طبیعی یا مصنوعی با ورقهاي فولادي نازك تشکیل شده اند. در حالیکه این بالشتکها به لحاظ شکل داراي سختی عمودي بسیار زیاد جهت تحمل بارهاي قائم میباشند ولی بدلیل اینکه در جهت افقی سختی ناچیزي دارند در هنگام زلزله براحتی در جهت جانبی شروع به حرکت میکنند. از مزایاي این ابزارها میتوان به در دسترس بودن و تولید آسان، مقاومت در برابر شرایط جوي و قابل اعتماد بودن اشاره کرد.
با توجه به تغییر شکل زیاد بالشتکهاي لاستیکی در هنگام زلزله و نتیجتا اثرات شدید نیروهاي شدید ناشی از خروج مرکز - - P-، این ابزارها بایستی در برابر ناپایداري و تحلیل رفتن محافظت شوند زیرا هرگونه نقصان در کاربري این ابزارها خسارات جدي را براي سازه اصلی در بر خواهد داشت. لازم به ذکز است که ناپایداري این ابزارها تحت شکست کلی یا موضعی بالشتک در اثر پدیده کمانش، پارگی اتصال بین لاستیک و فولاد و همچنین جاري شدن ورقهاي فولادي اتفاق میافتد. از اینرو ارزیابی کارایی بالشتکهاي لاستیکی در شرایط بهره برداري و شرایط مرزي مختلف و تحت حداکثر تغییر مکانهاي افقی ابزار، یکی از گامهاي مهم و نیازهاي اساسی در تحلیل و طراحی بالشتکهاي لاستیکی و نتیجتا سازه جدا شده از پایه میباشد
یکی از اولین تحقیقات روي این بالشتکها به عنوان یک ستون همگن و ایزوتروپ و یک ارتفاع معادل لایه هاي لاستیک و ورقهاي فولادي را شامل میشد توسط هرینگس [8] انجام شده است. بوسیله تئوري هرینگس، تاثیر خروج از مرکز - P-∆ - روي تغییرات سختی افقی بالشتک تحت یک نیروي فشاري ثابت و تغییر مکان جانبی نشان داده شده است. تحقیقات گذشته نشان داده است که این تئوري صحت قابل قبولی در مقایسه با آزمایش عملی دارد. همچنین از تئوري هرینگس براي بررسی معیارهاي پایداري بالشتکهاي لاستیکی استفاده شده است.
مطابق توضیحات فوق، محققان زیادي بصورت تئوري و عملی با استفاده از تئوري هرینگس روي رفتار و پاسخ بالشتکهاي لاستیکی تحقیق کرده اند. لذا تمام این محققان شرایط مرزي یکسانی را در نظر گرفته اند. بنابراین معادله حرکت و چرخش بالشتک مطابق تئوري هرینگس با توجه به شرایط مرزي زیر بدست آمده است:
در این تحقیق، براي بسط دادن تئوري موجود و درك بهتر رفتار ابزارهاي جدا سازي لرزه اي، معادلات حرکت و چرخش بالشتکها با توجه به شرایط مرزي جدید فرمولبندي شده اند. شرایط مرزي جدید بصورت چرخش اولیه قابل اندازه گیري در صفحات بالا و پایین بالشتک فرض شده است. بنابراین در این تحقیق سه شرط مرزي بشرح زیر در نظر گرفته شده است:
.i چرخش مساوي در صفحات پایین و بالاي بالشتک [y - 0 - =0, θ1=θ2=variable ]
.ii چرخش فقط در صفحه بالایی بالشتک θ1= 0, θ2=variable ] [y - 0 - =0,
.iii چرخش فقط در صفحه پایین بالشتک θ1=variable, θ2=0 ] [y - 0 - =0,
مطابق شرایط مرزي فوق الذکر، تغییرات تغییر مکان جانبی و چرخش داخلی بالشتک لاستیکی حاصل شده است. همچنین تغییرات سختی جانبی، لنگر خشی داخلی و نیروي برشی داخلی ارائه شده است.
2. معادلات حاکم
بر طبق شکل 2 که تغییر شکل یک بالشتک لاستیکی را تحت نیروي محوري و نیروي جانبی نشان میدهد، صفحه پایین بالشتک در مقابل حرکت جانبی و عمودي مقید شده در حالیکه صفحه بالایی در جهت عمودي و افقی آزادي حرکت دارد. همچنین صفحات بالایی و پایینی بالشتک تحت چرخش قابل اندازه گیري و ثابت θ1, θ2 واقع شده اند.
شکل :2 بارگذاري و تغییر شکل یک بالشتک لاستیکی - a - کل بالشتک - b - مقطع بالشتک
مدل تغییر شکل یافته با دو متغیر مستقل شامل y - x - تغییر مکان جانبی و θ - x - چرخش در صفحه عمود بر محور x قابل تعیین است. همانگونه که در شکل 2 - a - نشان داده شده، x محور عمودي در ستون بالشتک میباشد. تغییر شکل برشی کلی - γ - ، اختلاف بین چرخش محور افقی - x - - y - x و چرخش عمود بر سطح برش θ - x - تعریف میشود. شکل 2 - b - نیروهاي داخلی و خارجی بالشتک در حالت تغییر شکل یافته را نشان میدهد.
همانگونه که در شکل 2 - b - نمایش داده شده، وقتی که صفحه بالایی بالشتک تحت نیروي ثابت فشاري - P - و یک نیروي متغیر افقی - V - واقع میشود، در سطح مقطع بالشتک نیروهاي داخلی لنگر خمشی - M - x - - و نیروي برشی - V - x - - ایجاد میشود. معادلات حاکم بر لنگر خمشی - M - x - - و نیروي برشی - V - x - - بصورت زیر بیان میشوند:
در معادلات فوق، E مدول الاستیسیته یانگ، G مدول برشی، Is ممان اینرشی مقطع و As سطح برشی بالشتک لاستیکی میباشند. پارامترهاي EIs و GAs به عنوان مشخصات مکانیکی یک بالشتک لاستیکی، در بخش بعد توضیح داده خواهند شد. در حالتیکه چرخشهاي θ - x - , θ1 و θ2 را به اندازه کافی کوچک فرض کنیم، معادلات تعادل لنگر خمشی و نیروي برشی با توجه به معادلات - 1 - و - 2 - بصورت زیر تعریف میشوند
