جداساز لرزه ای و انواع آن

جداساز لرزه ای و انواع آن

این مقاله برگرفته از ” پایان نامه تحلیل وارزیابی قابهای مهاربندی همگرا با جداساز لرزه ای و بدون جداساز لرزه ای ” میباشد .

جهت دریافت کل محتوای پایان نامه مذکور به صورت فایل Word به انتهای مطلب مراجعه فرمایید

مقدمه :

مبحث جداگر پایه بسیار ساده می باشد.

سیستم جداگر پایه ، ساختمان یا سازه را با قرار دادن عنصر سازه ای که دارای سختی افقی بسیار کم می باشد بین سازه و پی ، سازه را از روی زمین جدا کرده و آن را از حرکت افقی زمین لرزه جدا می نماید.

این کار سبب خواهد شد تا فرکانس اصلی نوسان سازه به مقداری به مراتب کمتر از فرکانس طبیعی نوسان ساختمان مشابه با پایه گیردار و فرکانس حاکم بر نوسان زمین برسد.

اولین مد دینامیکی سازه ای ایزوله شده شامل تغییر مکان، فقط در سطح جداگر پایه می باشد و سازه فوقانی صلب باقی خواهد ماند.

مدهای بالاتر که در آن تغییر شکل در سازه های فوقانی رخ می دهد بر مد اول و در نتیجه ی آن بر حرکت زمین متعامد می باشند.

این مدها در حرکت هیچ گونه مشارکتی ندارند لذا انرژی زیاد زمین در این فرکانس های بالا نخواهد توانست از زمین به سازه منتقل گردد.

سیستم جداگر انرژی زلزله را به هیچ وجه جذب نمی نماید بلکه بواسطه ی سیستم دینامیکی موجود تغییر مکان سازه در سطح جداگر را افزایش میدهد و این کار متأثّر از میزان میرائی نمی باشد اما وجود میرائی به جهت متوقف کردن نوسانِ محتمل هم فرکانس با فرکانس جداگر مفید میباشد.

تکنولوژی جداگر پایه هم اکنون یک تکنولوژی تکامل یافته است که در بسیاری از کشورها مورد استفاده قرار گرفته و تعداد زیادی از سیستم های قابل قبول جداگر پایه نیز وجود دارد.

با این وجود به نظر می رسد که این مبحث به طور جدی مورد توجه مخترعین قرار گرفته و تعداد زیادی از سیستم های جداگر پایه هر ساله طرح و ثبت میشوند.

تعدادی از این سیستمهای نوین جهت کاربردهای عملی تکمیل شده و برخی دیگر نیز این راه را نمی پیمایند ولی هر ساله تعداد زیادی از این سیستم ها مراحل تکامل را طی می نمایند که در مورد هر یک توضیح داده خواهد شد.

مفهوم جداسازی لرزه ای :

به طور کلی جدا کننده های لرزه ای به سیستم هایی اطلاق می شوند که بتوانند سازه مورد نظر را از حرکات زمین مجزا نمایند.

اساسا با جدا کردن کامل سازه و قرار دادن آن روی تعدادی غلتک بدون اصطکاک می توان از انتقال حرکات افقی زلزله به سازه جلوگیری نمود.

اما در این حالت هیچ کنترلی روی حرکات افقی سازه به صورت جسم صلب در اثر نیروهای جانبی کوچک نظیر باد وجود ندارد.

به عبارت دیگر تمام مکانیزمهای پیشنهاد شده و به کار رفته جهت جدایشگرهای لرزه ای به سازه منتقل می گردد.

اساس این روش کاهش پاسخ ها به وسیله افزایش زمان تناوب و میرایی در سازه است.

بنابراین هدف از جداسازی کاهش موثر شتاب و تغییر مکان سازه می باشد.

شکل (زیر) رفتار یک سازه جدا شده را در مقایسه با سیستم معمولی نشان می دهد .

سازه فوقانی هر دو سیستم کاملا مشابه می باشند و هر دو تحت اثر زلزله مشابه قرار گرفته اند .

مقایسه عملکرد سازه های معمولی (الف) و سازه های جداسازی شده (ب) دربرابر زلزله

همانگونه که از شکل ملاحظه می گردد، با انتقال حرکات زمین به سازه فوقانی ،اینرسی پیچیده ای در اعضای سازه ای به وجود می آید.

در نتیجه شتاب زلزله در طبقات فوقانی تشدید شده و باعث شکست اعضای پایین می گردد.

در یک سیستم جدا کننده لرزه ای که در شکل(- ب) نشان داده شده است، در واقع قسمت عمده تغییر مکان جانبی در تراز جدا کننده اتفاق می افتد و شتاب منتقل شده به طبقات فوقانی و تغییر مکان نسبی بین طبقات به میزان قابل ملاحظه ای کاهش می یابد و به این ترتیب می توان از شکست اعضای سازه ای وغیر سازه ای در اثر نیروهای زلزله به طور همزمان جلوگیری نمود لذا به طور کلی با افزایش دوره تناوب ساختمان، انعطاف پذیری افزایش یافته و جابجائیها هم زیاد می شود.

حضور عناصر مستهلک کننده نیز باعث کاهش نیروهای وارده می شوند و هر چقدراین استهلاک بیشتر باشد طیف بازتاب شتاب سازه نرمترخواهد بود و در واقع حساسیت سازه نسبت به تغییرات شتاب زمین کمتر می شود (نمودارزیر )

اصول طراحی جداسازی برای زلزله

انواع جداساز لرزه ای

جداسازهای الاستومری

تکیه گاه لاستیکی طبیعی برای اولین بار در سال ۱۹۶۹ جهت محافظت از ساختمان مدرسه هایی در skopje مورد استفاده قرار گرفت.

تکیه گاه فوق از تعدادی بلوک لاستیکی و بدون صفحات فلزی تشکیل شده است که تحت اثر وزن سازه چیزی در حدود ۲۵ % متراکم می گردد.

تکیه گاه دارای سختی قائمی است که این سختی قائم ضریب کوچکی از سختی افقی می باشد و لاستیک ها نیز نسبتاً بدون میرایی هستند.

این سیستم ایزولاسیون در مرکز مطالعات مهندسی زلزله (EERC) بر روی میز لرزان مورد آزمایش قرار گرفته است.

از جمله مشخصات این نوع از سیستم های ایزولاسیون :

۱- حرکت افقی به شدت به حرکت نوسانی همبسته است لذا حرکت افقی زمین موجب بوجود آمدن شتاب قائم درمد نوسانی می گردد.

۲- همچنین سیستم فوق دارای بلوک هایی از جنس شیشه های فومی (foam-glass blocks) در طرفین تکیه گاه لاستیکی می باشد تا همچون یک فیوز عمل کرده و در برابر حرکت جانبی ناشی از باد ، حرکت زنده درون سازه و زلزله ی خفیف مقاومت نماید.زمانی که این ساختمان تکمیل گردید ساختمانهای دیگری نیز در حال ساخته شدن بر روی تکیه گاه لاستیکی طبیعی بودند ولی آنها از صفحات مسّلح فولادی در تکیهگاه لاستیکی خود استفاده نمودند.

این امر سبب کاهش بیرون زدگی جانبی تکیه گاه لاستیکی و افزایش سختی قائم تکیه گاه گردید.

صفحات داخلی فولادی که به صورت لایه های فولادی می باشند سبب افزایش سختی قائم در حدود صدها برابر سختی افقی می گردد .

این نوع از تکیه گاه الاستومریک متشکل از چندین لایه، جهت ایزولاسیون لرزهای بلوکهای آپارتمانی ، بیمارستانها و سالنهای نمایش که در مجاورت خطوط راه آهن و یا قطار زیر زمینی می باشند، نیز استفاده میشود.

در سال ۱۹۷۵ آقای Derham و همکارانش پیشنهاد نمودند که از این روش می توان جهت حفاظت ساختمانها در برابر زلزله استفاده نمود و از آن زمان تحقیقات تئوریک و آزمایشگاهی شدیدی توسط (EERC) جهت توسعه و گسترش این روش شروع شد

سیستم های جداساز لرزه ای لغزشی (اصطکاکی) :

سیستم اصطکاکی خالص ساده ترین و اولیه ترین سیستم مورد استفاده میباشد .

سیستم مذکور اولین بار در سال ۱۹۰۹ توسط آقای دکتر Calantarients)  ) مطرح گردید .

وی در طرح خود پیشنهاد نمود که سازه را با استفاده از لایه ای از تالک از سطح زمین جدا نمایند.

همانطور که مشاهده می شود آقایCalantarients) ) به خوبی به این موضوع پی برده بود که سیستم ایزولاسیون با فراهم آوردن امکان حرکت سازه نسبت به زمین در پایه ، از میزان شتاب منتقلّه به سازه خواهد کاست .

سیستم ایزولاسیون لرزه ای اولین بار و پس از زلزله ی سهمگین ( Messimo-reggio ) در سال ۱۹۰۸ ، که منجر به کشته شدن ۱۶۰۰۰۰ نفر در اثر ویران شدن ساختمان های غیر مسلّح بنایی – که در آن زمان متداول بوده شد ، به عنوان یک استراتژی مطرح گردید .

پس از آن کمیته ای مامور تدوین تمهیداتی جهت ساخت ساختمان های جدید با ایمنی بالا و هزینهی مناسب گردید.

این کمیته به دو راه حل برای طراحی ساختمان های مقاوم رسید :

اولین راه حل ایزوله نمودن ساختمان از زمین با استفاده از لایه ای از ماسه بین سازه و پی و یا قرار دادن گوی هایی در زیر ستون ها جهت ایجاد آزادی حرکت افقی برای سازه را پیشنهاد میکرد ؛ دومین راه حل طراحی ساختمان پاگیردار با اعمال محدودیت در ارتفاع سازه و اعمال مقرراتی در زمینهی بارهای جانبی را مورد نظر قرار میداد.

در آخر راه حل دوم توصیه و از سیستم ایزولاسیون لغزشی صرف نظر گردید .

بعد ها تعداد قابل توجهی مباحث تئوریک بر روی دینامیکِ سازه هایِ دارایِ جداگرِ لغزشی تحت اثر حرکت ورودی هارمونیک و یا زلزله ی حقیقی صورت گرفت و مشاهده گردید که بر خلاف آنچه که معمولاً در نگاه اول احساس می شود مبنی بر اینکه اصطکاک سبب کاهش پاسخ خواهد شد ، پاسخ سازه ی دارای جداگر لغزشی میتواند بزرگتر از پاسخ مدل سازهی پاگیردار مشابه باشد ؛ چراکه در این شرایط یک مدل یک درجهی آزادی ، دارای فرکانسِ نوسانِ هارمونیکِ فرعیِ ناشی ار لغزش خواهد بود .

فرض اصطکاک کولمب که در این مباحث تئوریک مورد استفاده قرار دارد از نظر بیان رفتار واقعی سیستم چندان دقیق نمیباشد .

مصالح متداول در ساخت سیستم های لغزشی شاملPolytetrafluoroethylene  توپر یا تو خالی بر روی فولاد ضد زنگ میباشند ؛ مشخصات اصطکاکی سیستم مذکور وابسته به حرارت ، سرعت حرکت سطح تماس ، درجهی ساییدگی و میزان تمیزی سطح می باشد.

اجزای اصلی سیستم های جداساز لرزه ای :

سه جزء اصلی در هر سیستم عملی جداساز لرزه ای وجود دارد. اینها عبارتند از:

۱) یک پایه انعطاف پذیر به طوری که زمان تناوب ارتعاش کل سیستم به قدر کافی برای کاهش پاسخ نیرو طولانی شود.

۲) یک میراگر یا مستهلک کننده انرژی به طوری که خیز نسبی بین ساختمان و زمین را بتوان تا تراز عملی طرح کنترل کرد.

۳) وسیله ای برای تأمین صلبیت تحت ترازهای بار (بهره برداری) کم از قبیل باد و زلزله های خفیف.