بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
جداساز هاي لرزه اي و بررسی تحلیل استاتیکی و دینامیکی آنها
چکیده
در سال هاي اخیر احداث ساختمان هاي بلند به ویژه در شهرهاي بزرگ، که با مشکل کمبود فضاي لازم براي ساخت مسکن مواجه اند مورد توجه بسیاري از دولت ها قرار گرفته است. از آنجایی که ایران از لحاظ لرزه خیزي در یکی از فعال ترین مناطق جهان قرار دارد، لزوم کنترل لرزه اي سازه ها اجتناب ناپذیراست. کنترل ارتعاشات مقوله جدیدي در روند بهسازي سازه ها و طراحی ساختمان هاي مقاوم در برابر بارهاي دینامیکی است. این تفکر باعث کنترل پاسخ تحت بارهاي دینامیکی شده است. یکی از روش هاي کنترل لرزه اي استفاده از جداساز ها لرزه اي یا پایه اي می باشد.
واژههاي کلیدي: جدا ساز لرزه اي، تحلیل استاتیکی، تحلیل دینامیکی، کنترل غیر فعال
-1 مقدمه
در طی یک زلزله ارتعاشات زمین مقدار زیادي انرژي به سازه تحمیل می کند، این انرژي ورودي به صورت جنبشی و پتانسیل در سازه پدیدار گشته وسبب می شود سازه با دامنه متناسب با انرژي ورودي به آن نوسان کند. این انرژي باید به طریقی جذب یا مستهلک شود. کنترل ارتعاشات مقوله جدیدي در روند بهسازي سازه ها وطراحی ساختمان هاي مقاوم در برابر بارهاي دینامیکی است.[1] این تفکر باعث کنترل پاسخ تحت بارهاي دینامیکی شده است. با گسترش روش هاي کنترل در سازه باید دنبال روش هایی بود که با توجه به امکانات موجود در کشور به سادگی قابل اجرا بوده واز سوي دیگر تولید وکاربرد آن براي ساختمان هاي متعارف از هر نظر اقتصادي باشد.
در سال هاي اخیر طبقه بندي هاي مختلفی به منظور جداسازي تکنیک هاي کنترل ارتعاشات در سازه ها صورت گرفته است.
طبقه بندي روش هاي کنترل بر اساس دینامیک سازه ها (طبقه بندي مبتنی بر تغییر و تنظیم خواص دینامیکی و میرایی سیستم)
و طبقه بندي بر اساس نحوه عملکرد سیستم از این دست می باشند.
یکی از روش هاي کاربردي کنترل لرزه اي از استفاده از جداساز هاي لرزه اي می باشد.
-2 جداساز لرزه اي
با توجه به زلزله هاي اخیر در کشور و غیر مقاوم بودن بخشی از ساختمان هاي موجود کشور و با توجه به اهمیت زیاد مسئله مقاوم سازي ساختمان ها در مقابل نیروهاي لرزه اي ، دانشمندان و مهندسان درصدد برآمدند که روش جدید و مفیدي براي کاهش ارتعاشات سازه ارائه دهند، یکی از این روش ها استفاده از جداسازهاي لرزه اي یا ایزیلاتورها است.
بر اساس نوشته هاي باقیمانده از قدیم اولین سیستم ایزولاسیون زلزله اي توسط کاوایی در سال 1891 بعد از زلزله نوبی پیشنهاد شد سازه پیشنهاد شده او داراي فونداسیون یکپارچه بود و روي چندین ردیف غلتک متعامد در جهات اصلی ساختمان قرار گرفته است. بعد از زلزله بزرگ کانتو در سال 1923 انواع اختراعات براي سیستم هاي ایزولاسیون زلزله اي در ژاپن پذیرفته شدند. به عنوان مثال می توان از سیستم ستون دوبل به وسیله ناکامورا در سال 1927 و یا سیستم تکیه گاه غلتکی به وسیله اوکا در سال 1928 نام برد سیستم پیشنهادي وي در سال 1934 در ساختمان بانک فودو به کاررفت.[9]
مفهوم جداسازي لرزه اي به معناي جداکردن سازه از زمین به نحوي که از صدمات لرزه بر روي سازه جلوگیري نماید، می باشد این سیستم ها کهمعمولاً در شالوده نصب می شوند، بخشی از انرژي ورودي زلزله را منعکس کرده و بخش دیگري از این انرژي زلزله را قبل از اینکه به سازه انتقال پیدا کند جذب می کنند در نتیجه سازه افزایش پریود داده و انرژي کمتري به سازه وارد می شود و شتاب وارده به سازه کمتر شده وباعث بقاي بیشتر آن می شود.ر وش جداسازي لرزه اي در حال حاضر بسته به حساسیت سازه در اکثرکشورها استفاده می شود. در این روش، حفاظت وکنترل سازه که براساس دینامیک سازه و مبتنی ب تغییر خواص دینامیکی سیستم استوار است..[1] و [2] و [7]
در سازه هاي مجهز به جداساز لرزه اي هنگامی که زلزله رخ می دهد سازه به جاي اینکه مانند یک حجم صلب با نیروي زلزله مقابله کند در ارتعاشات زلزله همراه می شود و نیروي زلزله را جذب می کند و سازه میرایی هایی که زلزله به سازه می دهد را در درون خود خنثی می کند و این همان میراکردن سازه است. به این سازه ها، سازه هاي دینامیکی نیز گفته می شود، که امروزه شمار این سازه ها رو به فزونی است.
شکل:(1) شماي کلی جدا ساز پایه اي
استفاده از سیستم هاي جداساز پایه اي، ایزولاسیون پی ها، به منظور کاهش اثر زلزله بر ساختمان ها و پل ها گسترش زیادي یافته است مزایاي سازه هاي جدا سازي شده به قرار زیر است:[8]
- تغییر مکان طبقات و تغییر مکان نسبی طبقات (Drift) کاهش می یابد.
- کاهش قابل ملاحظه اي در شتاب طبقات به وجود می آید.
- خسارات سازه اي و غیر سازه اي در هنگام زلزله کاهش می یابد.
- ازمشکلات معماري در سازه کم می شود.
- ممان واژگونی سازه نیز کاسته می شود.
اساس این سیستم ایجاد یک لایه با سختی جانبی کم بین سازه فوقانی و زمین است، که باعث می شود پریود سازه به مراتب بزرگتر از پریود طبیعی اش شده و متفاوت با پریود غالب از زلزله باشد که در نتیجه شتاب وارده به سازه کم شده وسازه نیروي کمتري را تحمل میکند و تغییر مکان هایش کاهش می یابد. جداسازهاي پایه اي برخی از خواص دینامیکی سازه مثل پریود و میرایی را تغییر داده وبا افزایش پریود سازه شتاب سازه در اثر حرکات زمین کاهش می یابد و در نتیجه تغییر شکل ها به طور محسوس افت پیدا می کند. اگر چه جداسازهاي پایه اي در زلزله هاي با پریود بلند و سازهاي ساخته شده بر روي خاك نرم عملکرد مناسبی ندارند اما این سیستم با انعطاف جانبی وتغییر پریود اصلی سازه از رزنانس سازه جلوگیري می کند. استفاده از جداسازهاي با انعطاف پذیري بالا بر هم کنش سازه- خاك کم خواهد بود در نتیجه نقش خاك در پاسخ سازه قابل توجه نخواهد بود.[3]
از انواع متداول جداسازهاي لرزهاي می توان به سیستم هاي ثقلی، جک هیدرولیکی، فنري، لاستیکی-سربی و آونگ اصطکاکی اشاره کرد جداساز لرزه اي بر این قاعده کلی استواراند تا خسارات ناشی از حرکات زمین به سازه منتقل نشود و با جداکردن سازه از حرکت زمین سطح پاسخ سازه به مقدار قابل توجهی نسبت به سازه با پایه گیردار کاهش می یابد.
نمونه اي که بیانگر استفاده جداگرهاي لرزه اي که صنعت ساختمان باشد، ترمینال فرودگاه بین المللی سان فرانسیسکو است که در سال 2000 عملیات ساخت آن به پایان رسید. این ساختمان به گونه اي طراحی شده است که بتواند در صورت وقوع زلزله با بزرگی 8 ریشترناشی از گسل سن آندریاس با فاصله مرکزي 3 مایل نسبت به سازه عملکرد خود را حفظ کرده و سطح کاربري خود را از دست ندهد. براي دسترسی به این مقصود طراحان تصمیم گرفتند که زیر سازه را توسط جداگرهاي لرزه اي تقویت کرده و سیستم سازه اي را قاب خمثی همراه اتصالات خمشی جوشی و مهاربندهاي همگرا و واگرا به صورت ترکیبی در نظر بگیرند. در سیستم جداگر لرزه اي این سازه، یک نشیمن از چدن که سطح آن از سطح کروي فولاد ضدزنگ و لغزنده جداگانه شکل گرفته است، ساخته شده است وبه کمک این جداگر لرزه اي، پریود سازه به 3 sec افزایش یافته است.[4]
-3 آنالیز و مدلسازي جداساز لرزه اي
براي طراحی سازه هاي داراي جداسازي لرزه اي می توان از آیین نامه هاي مختلف استفاده کرد. در ایران دستورالعمل طراحی ساختمان هاي داراي جداساز لرزه اي براساس ضوابط آیین نامه 2800 و مباحث مقررات ملی ساختمان تدوین شده است. البته از آیین نامه هاي معتبر دیگر همچون UBC نیز می توان استفاده نمود. روش ها و محدودیت هاي طراحی سازه هاي جداشده از پی باید با توجه به پهنه بندي خطر نسبی زلزله، مشخصات ساختگاه، شتاب قائم و اهمیت ساختمان پیکربندي سامانه سازه اي و ارتفاع ساختمان مطابق استاندارد 2800 تعیین شود.
ضریب اهمیت براي تمامی سازه هاي جداسازي از پی بدون توجه به گروه بندي ساختمان ها بر حسب اهمیت برابر 1 فرض می شود. هر سازه براساس مشخصات سازه مطابق بند 8-1 استاندارد 2800 به دو نوع منظم و نامنظم تقسیم می شود. اثرات زلزله موثر بر سازه را می توان با استفاده از روش تحلیل استاتیکی و یا روش تحلیل دینامیکی محاسبه کرد که هر دو نوع آنها ذکر خواهد شد.[6]
-1-3روش تحلیل استاتیکی
روش تحلیل استاتیکی در صورت برقراري شرایط زیر قابل استفاده است: -1فاصله سازه از تمامی گسل هاي فعال بیش از 10 کیلومتر باشد. -2ساز بر روي زمین نوع I وII یا III قرار گرفته باشد.
-3سازه بالاتر از تراز جداسازي داراي حداکثر 4 طبقه یا 20m ارتفاع باشد. -4زمان تناوب موثر سازه جداسازي شده، TM ، حداکثر 3 ثانیه باشد.
-5زمان متناوب موثر سازه جداسازي شده ، TD ، بیش از 3 برابر زمان تناوب روسازه با فرض تکیه گاه صلب که مطابق بند
6-3-2 استاندارد 2800 محاسبه می شود باشد. -6روسازه بر اساس استاندارد 2800 منظم باشد.
هر سازه ایزوله شده بایستی براي تحمل حداقل تغییرمکان ها و نیروهاي زلزله اي مشخص در آیین نامه طرح شود. حداقل تغییر مکان ها و نیروهاي جانبی حاصل از زلزله در سازه هاي جداسازي شده از پی براساس ویژگی هاي تغییر شکل سامانه جداساز تعیین می شود.
حداقل تغییر مکان هاي جانبی
تغییر مکان طرح
سامانه جداسازي به نحوي طراحی و ساخته می شود که بتواند حداقل تغییر مکان هاي جانبی راکه در هر یک از جهات اصلی افقی محاسبه شده است را تحمل کند.
که در رابطه فوق DD، تغییر مکان طرح می باشد و A شتاب زمین و S نیز از مشخصات زمین است. TS نیز پارامتر مربوط به طیف طرح ارتجاعی می باشد که از آیین نامه 2800 استخراج می شود.
BD ضریب میرایی موثر سامانه جداساز در تغییر مکان طرح متناظر با BD می باشد که در جدول مشخص می شود.
