بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
جداسازی لرزه ای سازه ها با از استفاده از ستون های استخوانی شکل در طبقه اول با خصوصیات میرایی و بازگشت به حالت اولیه
چکیده یکی از راه های عملی کاهش همزمان تغییر مکان نبی طبقات و شتاب آنها استفاده از فلفه جداسازی لرزه ای می باشد. سیستم های جداسازی مختلفی در این زمینه از قبیل جدا گرهای الاستومری، سربی، آونگ اصطکاکی و ارونه، گهواره ای و ... مورد استفاده قرار گرفته است. بطور خاص در این مقاله با پیشنهاد یک سیستم سازه ای جدید با ستونهای استخوانی شکل در طبقه اول سازه، که دارای مکانیزم حرکت جم صلب (گهواره ای) و مکانیزم اصطکاکی - لغزشی (پاندول اصطکاکی) می باشد، جداسازی سازه مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در مکانیزم حرکت جسم صلب (گهواره ای)، سازه به صورت یک جم کاملا صلب در هنگام اعمال بار جانبی دچار چرخش و لغزش می شوند. در مکانیزم اصطکاکی - لغزشی (پاندول اصطکاکی) سازه می تواند در راستای بار جانبی اعسالی حرکت نساید. در اثر این حرکت و لغزش سطوح بر روی یکدیگر ، در سیستم جداگر نیروی اصطکاکی بوجود می آید که موجب میرایی انرژی زلزله می گردد.
کلمات کلیدی: جداسازی لرزه ای، حرکت گهواره ای، پاندول اصطکاکی، ستون استخوانی شکل، میرایی
1. مقدمه
یکی از راه های عملی کاهش همزمان تغییر مکان نسبی طبقات و شتاب آنها استفاده از فلسفه جداسازی
لرزه ای می باشد. در این روش سعی می گردد تا با نصب سیستمی که سازه و ملحقات آنرا از حرکات زمین جدا
می کند، طراحی مقاوم صورت پذیرد. در نتیجه فاکتورهای شکل پذیری و پریود ارتعاشی سازه در محدوده ی مطلوب قرار می گیود. لذا سیستم های جداسازی مختلفی در این زمینه از قبیل جدا گرهای الاستومری، سربی، آونگ اصطکاکی وارونه، گهواره ای مورد استفاده قرار گرفته است.
کاوایی ( 1891) و کالانتارینتز (1909) اولین کسانی بود ند که خصوصیات یک سیستم ایزولاسیون در پی سازه با استفاده از غلتک های استوانه ای و لایه ای از ماسه یا طلق را پیشنهاد نمودند. بررسی و مطالعات در خصوص جداگرهای ارتعاشی توسط لی و میدلند (1978)، کلی (1986)، اندرسون (1990) صورت گرفته است. استفاده از این سیستم ها از سال های 1974 تا 1985 در نیوزلند، آمریکا و ژاپن آغاز گردید [1-2].
در این مقاله یک سیستم پیشنهادی با ستونهای استخوانی شکل در طبقه اول سازه ، با رفتاری ترکیبی از حرکت گهواره ای و پاندول اصطکاکی ، معرفی خواهد شد. و تغییرات میرایی و بلند شوندگی در این سیستم با سیستم پاندولی ساده مقایسه می گردد.
2 فلسفه جداسازی لرزه ای و خصوصیات آن
سیستم های جداگرهای ارتعاشی اثر تخریبی زلزله را محدود می سازند، بطوریکه پایه ی انعطاف پذیر
سازه باعث جدا شدن آن از حرکات زمین می شود و در نتیجه شتاب پاسخ سازه کمتر از شتاب زمین می
باشد(شکل l). در ساختمان هایی که جداسازی ارتعاشی شده اند، نیروهای زلزله کمتر بوده ، بطوریکه کل سازه تقریبا بصورت یک جسم صلب حرکت کرده و تغییر شکلهای سازه کوچک می باشد.
شتاب اکثر زلزله ها معمولاً دارای زمان تناوب غالبی حدود 1/0تا 1 ثانیه می باشند و همانطور که در شکل (2) نشان داده شده است، حداکثر شدت آن در حدود 2/0 تا G/0 ثانیه می باشد. بنابراین چون امکان تشدید پاسخ سازه هایی که زمان تناوب طبیعی آنها در محدوده ی 1 / 0 تا 1 ثانیه است در مقابل زلزله وجود دارد، این سازه ها
در محدوده های تناوبی فرق آسیب پذیرترند. همهحتتر بر امتیاز جدا گرهای ارتعاشی .در این است که با انعطاف
پذیری زیاد خود زمان تناوب طبیعی سازه را افزایش می دهند. این پدیده موجب اجتناب از پدیده تشدید می
گردد و در نهایت پاسخ سازه کاهش یابد.
شکل (۲): (الف)مقایسه برش پایه برای یکت سازه ارتعانش کننده خطی، با جداسازی و بدون جداسازی (ب) کاهش شتاب پاسخ لرزه ای با افزایش زمان تناوب (ج) کاهش تغییر مکان با افزایش میرایی [4]
3۔ حرکت گهواره ای ROCKING)) و مکانیزم حرکت جسم صلب
در سیستم گهواره ای سازه همچون یک بلوک صلب روی پایه خود به سمت جلو و عقب نوسان می کند. و
نوسان کردن آن باعث بالا رفتن مرکز ثقل سازه می گردد، که مقداری از انرژی جنبشی ناشی از حرکت زلزله را به انرژی پتانسیل تبدیل می نماید. سازه هایی از قبیل دودکش های مرتفع ، مخازن مایعات دارای ارتفاع و مناره ها و ستونهای بلند لاغر در هنگام زلزله دارای حرکت گهواره ای می باشند. MILNE , PERRY ( 1881) اولین کسانی بودند که حرکت جسم صلب یک بلوک را مورد مطالعه قرار دادند. G.W. HOUSNER (1964) نتیجه گرفت ، پایداری یک ستون بلند لاغر که بتواند روی پایه خود نوسان کند به مراتب بیشتر از یک ستون کوتاه و عریض خواهد بود [2] Stephen Mahin (2008) د ر تحقیقات خود بیان میکند که در پلها نیز می توان از پایه های انعطاف پذیری که بتوانند بچرخند و با بالا آمدن پایه موجب شوند تا انرژی جنبشی زلزله به انرژی پتانسیل تبدیل شود، استفاده نمود [5] . در تحقیقات خود بر روی ستونهای بتنی با سطوح تخت و گرد شده در طبقه ی اول ساختمان که دارای اتصال مفصل در پایین و بالای آن میباشد، به این نتیجه رسیدند که شتاب جذب شده ی ناشی از زلزله کاهش می یابد.[ 6-7]
وقتی که یک بلوک روی یک سطح تحت اثر زلزله قرار می گیرد، اگر شدت ارتعاش به اندازه کافی بزرگ شود بلوک می تواند نوسان خود را بصورت شش نوع رفتار؛ 1- سکون 2- لغزش 3- چرخش به چرخش - لغزش
5 برش - انتقال 6- پرش - چرخش ، در صفحه آغاز نماید. اگر فرض شود که ستون در پایه های خود کاملا صلب و نسبت به محور Y متقارن باشد و ستون تنها قادر به چرخش و بلند شوندگی بر روی پایه های خود حول نقاط O و
1O باشد ، مرکز جرم ستون تحت ارتعاش از نقطه G به نقطه Q ) بطرف بالاتر حرکت می نماید و مقداری از انرژی جنبشی به انرژی پتانسیل تبدیل می گردد . که باعث بازگشت سازه به جای اولیه و پایداری آن می شود. البته باید توجه داشت که حداکثر زاویه ای که ستون می تواند دارای چرخش باشید و پایداری خود برای بازگشت به حالت اولیه را حفظ نماید به اندازه ی (زاویه واژگونی) می باشد. همانگونه که از شکل (4) مشاهده می گردد، هرگاه ستون به اندازه بچرخد، نیروهای مقاوم در برابر آن لنگر حاصل از ممان اینرسی چرخشی ستون و لنگر حاصل از وزن ستون نسبت به نقطه O می باشد. که در واقع همان نیروی تامین کننده پایداری دینامیکی و بازگرداننده ستون به حالت اولیه می باشد. پریود نوسان ستون وابسته به نسبت می باشد. هرگاه این نسبت به سمت یک میل کند، پریود زیاد می شود و هرگاه این نسبت به سمت صفر میل کند پریود کاهش می یابد...
شکل (4) : حرکت کهواره ایي ستون (ROCKING COLUMN) در حالت بدلون لغزشونه و پر ش [1]
4 پاندول اصطکاکی و مکانیزم اصطکاکی - لغزشی
سیستم جداسازی لرزه ای پاندول اصطکاکی یک سیستم لغزشی است که بر اثر نیروی اعمالی جانبی با
جابجایی خود انرژی زلزله را کاهش می دهد و سبب جلوگیری از انتقال آن به سازه می گردد. همچنین این سیستم ها بر اثر نیروی اصطکاک بین سطوح لغزش موجب میرایی قابل ملاحظه ای می گردند. ساده ترین نوع این سیستم FP می باشد که از یک سطح مقعر و یک لغزنده کروی تشکیل شده است (شکل ت). اما به علت آنکه جابجایی های زیادی را ایجاد می کند، نمی تواند در طراحی مهندسی مطلوب خصوصا در نزدیکی گسل ها بکار گرفته شود. لذا در طی سالیان گذشته انواع دیگری از این سیستم های پاندول اصطکاکی از قبیل پاندول اصطکاکی با فرکانس متغیر (VFPT)، سیستم (FPS)، پاندول اصطکاکی چندگانه (MFPS)، تکامل یافته و بصورت کاربردی در طراحی هایی مهندسی مورد استفاده قرار گرفته است. این سیستم ها در هنگام زلزله پریود طبیعی سختی و میرایی را بطور پیوسته تغییر می دهند و در سطوح عملکردی متفاوتی ایفای نقش می نمایند.
شکل (5) سیستم آونگک اصطکاکی وارونه ساده در سازه ها [1]
سیستم پاندول اصطکاکی (FPS) با سطح لغزش مقعر و لغزندهای بندبند توسط ZayaS در سال 1987 مطرح گردید. به منظور تأثیر بیشتر FPS و کاهش ابعاد آن، سیستم پاندول اصطکاکی چندگانه (MFPS) و سیستم پاندول اصطکاکی با انحنای متغیر (VCFPS)، در سال 2003 توسط Tsai مطرح گردید [3-9]. تحقیقات در موررد رفتار و مشخصات جدا سازه های MFPS توسط Fenz و COnStuntinOUS و Mahin و Moragn و Tsai در سال های 2008 تا 2010 ادامه یافته است[10-12].
1.4.پارامترهای طراحی در پاندول اصطکاکی
اولین گام در طراحی پاندول های اصطکاکی، یافتن حداکثر جابجایی که متحمل میشود، اسست. و این به عنوان مهمترین پارامتر در تعیین ابعاد جداساز می باشد. جابجایی های جداساز به طور عمده متأثر از سه پارامتر می باشد: 1- پریود سازه جداسازی شده 2 نیروی محوری در جداسازهاW) 3 - سطح تحریک زلزله .
توصیه می شود که پریود سازه جداسازی شده هدفteff به گونه ای انتخاب گردد که:
پریود پاندول اصطکاکی (وابسته به شعاع انحناء سطح مقعر )، سختی مؤثر keffو میرایی موثرBeff توسط روابط زیر بدست می آید.
در این روابط w نیروی محوری جداساز ، R شعاع انحناء پاندول ، . tپریود سازه با پایه های ثابت، B میرایی موثر ، D جابجایی جداساز ، تغییر مکان قائم و U ضریب اصطکاک است. در تکیه گاه های لغزشی با سطح لغزش کروی، شعاع انحناء ثابت است بنابراین نیروی باز گرداننده تکیه گاه به صورت خطی تغییر می کند. [1]
5. سیستم استخوانی شکل با عملکرد مرکب اصطکاکی - لغزشی و گهواره ای
سیستم پیشنهادی در این تحقیق یک نوع سیستم ایزولاسیون - میراگر لرزه ای سناسب برای ساختمان های کم
طبقه می باشد. که با توجه به هندسه ی خاص خود در طبقه اول سازه دارای ترکیبی از حرکت گهواره ای و پاندول اصطکاکی می باشد. این سیستم تحت تحریک زمین رفتاری را از خود نشان می دهد که، پریود و میرایی سازه را افزایش داده و باعث کاهش شتاب و جابجایی طبقات بالاتر در سازه می گردد. در این سیستم همانند شکل (7) ، از ستونهای دوسر انحناء دار در طبقه اول ساختمان استفاده شده و قسمت فوقانی ساختمان روی این ستونها متکی میباشد(همانند
