جداسازی لرزه ای
در روش مقاوم سازی ساختمان با جداسازی لرزه ای ، سازه بر روی تکیه گاه هایی که قابلیت تغییرشکل جانبی زیادی دارند قرار می گیرد.در صورت وقوع زلزله ، عمده تغییرشکلها در تکیه گاه رخ داده و سازه مانند جسمی صلب با تغییرشکل های کوچکی ارتعاش میکند.نصب جداگر باعث افزایش زمان تناوب و میرایی سازه می گردد و بدین ترتیب به جای تقویت ظرفیت باربری سازه نیاز لرزه ای کاهش می یابد. به عبارت ساده تر به جای آن که نیروی زلزله وارد سازه شده و تمهیداتی برای مقابله با آن در نظر گرفته شود از ورود نیروی زلزله به سازه جلوگیری شده و نیروی زلزله در تراز جداساز میرا می شود. تدوین و انتشار دستورالعمل ها و ضوابط طراحی و اجرای جداسازی لرزه ای در ایران نشان می دهد تصمیم گیری و هدف گذاری بر استفاده از این تکنولوژی در کشور عزیزمان وجود دارد و در حال حاضر نیز سازه هایی با جداساز لرزه ای طراحی و اجرا گردیده است.
جداسازی لرزه ای چیست؟
جداسازی لرزه ای یکی از روش های کنترل ارتعاشات لرزه ای با جدا سازی سازه از زمین در ساختمان ها و پلها میباشد. در این روش بر خلاف روشهای مرسوم در مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای، که موجب افزایش سازه میشود، تمرکز بر روی کاهش پاسخ لرزه ای، و نیرو و شتاب ورودی زلزله به سازه است.
به عبارتی اصل جداسازی لرزه ای بر ایجاد انعطاف پذیری در پایه ساختمان در صفحه افقی مبتنی است و در عین حال از اجزای میراکننده برای محدود کردن دامنه حرکت ناشی از زلزله استفاده میکند. برپایی ساختمانها بر روی یک سیستم جداساز لرزه ای باعث جلوگیری از انتقال قسمت زیادی از حرکت افقی زمین به ساختمان می شود ( اثر زلزله را تا ۸۰ درصد کاهش میدهد) که این عمل منجر به کاهش شدید شتابهای طبقات و تغییرمکان های بین طبقه ای ( دریفت Drift ) می شود. این روش مستلزم نصب جداسازها در یکی از طبقات ساختمان (ترجیحاً تراز پی) می باشد. پس از نصب جداساز لرزه ای تغییر شکل جانبی در آن متمرکز شده و تغییر شکل نسبی طبقات بالای آن به شدت کاهش می یابد.
لازم به ذکر است که :
جداگرهای لرزه ای شامل کل ابعاد ساختمان می شود و نمی توان در بخشی از سازه آن ها را استفاده نمود زیرا این عمل باعث ایجاد تفاوت در جابجایی دو بخش ساختمان می گردند. دوره تناوب سازه هایی که در آن از جداگر استفاده شده است به دلیل کاربرد این جداگرها ۲ تا ۴ ثانیه تخمین زده می شود. همین طور در ساختمان هایی که بر روی خاک های خیلی ضعیف یا ساختمان خیلی بلند مرتبه می باشد و انعطاف پذیری ممکن است مقدور نباشد استفاده از جداگر می تواند بسیار سودمند باشد. در جدا سازی لرزه ای دوره تناوب اصلی سازه به کمک تجهیزاتی مطابق شکل زیر بین روسازه و بخش پایین دست آن قرار میگیرد، افزایش می یابد. از این رو ساز و کارهایی به منظور استهلاک انرژی در سامانه جداسازی تعبیه می گردد تا ضمن محدود نمودن تغییر مکان، شتاب سازه نیز کاهش یابد.
بنابراین لازم است یک سامانه جداسازی لرزه ای دارای قابلیتهای زیر باشد :
بتواند نیروهای قائم ناشی از وزن و پاسخ زلزله در زمان زلزله را تحمل کند. در جهت افقی انعطاف پذیری لازم را تأمین نماید. قابلیت جذب انرژی داشته باشد. این قابلیتها می تواند به طور همزمان در یک وسیله تأمین شود یا به کمک چند وسیله آن ها را برای سامانه جداسازی فراهم آورد. علاوه بر این طراح ممکن است برای محدود نمودن تغییر مکان جداسازها، در سامانه جداسازی لرزه ای، ضربه گیرهایی نیز پیش بینی نماید.
دو گروه اصلی از جداسازی لرزه ای که برای کنترل نیروی منتقل شده به روسازه در ساختمان ها استفاده می شوند :
１- استفاده از جداسازهای لاستیکی برای افزایش دوره تناوب طبیعی سازه ۲- استفاده از جداسازهای اصطکاکی و کنترل حداکثر نیروی منتقل شده به روسازه و استهلاک انرژی در محل جداساز جداسازها باید مقاومت لازم برای تحمل وزن سازه روی خود را داشته باشند. برای اطلاعات بیشتر به مقاله ای در این خصوص روی لینک روش های مقاوم سازی سازه های بتنی کلیک نمایید.
جداساز های اصطکاکی
در این نوع از جداسازی، روسازه این امکان را دارد تا در زمان رخداد زلزله های نسبتا بزرگ بر روی جداساز بلغزد. سازه به محض تجاوز نیروی برشی در طبقه ی جداسازی شده از میزان نیروی اصطکاکی در نظر گرفته شده برای جداساز ها بر روی آن ها شروع به لغزش می کند و به این ترتیب از ارسال نیروهای لرزه ای بزرگ به سازه جلوگیری می کند.
در این حال نیروی اصطکاکی به وجود آمده در جداساز ها در مقابل نیروی محرک زلزله عمل کرده و انرژی جنبشی را مستهلک می کند.
در مواردی که از این نوع جداساز ها به تنهایی استفاده شود، سامانه ی جداسازی به محتوای فرکانس موجود در ارتعاش تحریک حساس نبوده و موجب تشدید مولفه های خاصی از آن نیز نمی گردد. در این حالت شتاب موجود در طبقه ی جداسازی متناسب با ضریب اصطکاک در نظر گرفته برای جداساز ها خواهد بود.
از این رو با کاهش ضریب اصطکاک می توان شتاب اعمال شده به سازه در طی ارتعاش را کاهش داد.برای کاهش میزان اصطکاک موادی مانند تفلون و فولاد استیل کارایی قابل توجهی در این گونه جداساز ها از خود نشان داده اند.
هرچند کاهش ضریب اصطکاک به هر میزان دلخواه به معنای افزایش تغییر مکان به وجود آمده در تراز جداسازی است. خصوصیت دیگر این نوع جداسازی تناسب نیروی اعمالی از سامانه ی جداسازی با جرم سازه است. بنابراین مرکز جرم سازه با مرکز اعمال نیرو یکی خواهد بود و در نتیجه ی آن پیچش در سازه های غیرمتقارن به وجود نخواهد آمد.
انواع جداسازی لرزه ای :
به طور کلی جداسازهای لرزه ای را می توان به دو دسته ی جداسازهای لاستیکی و جداسازهای اصطکاکی تقسیم بندی کرد.
جداسازهای زیر از جداسازهای لاستیکی به شمار میروند :
- جداسازهای لاستیکی با ورقه های فولادی ( و میرایی کم )
- جداسازهای لاستیکی با میرایی زیاد
- جداسازهای لاستیکی با هسته ی سربی.
جداساز های لاستیکی با هسته ی سربی:
این جداساز شامل یک هسته ی سربی می باشد که در داخل جداساز لاستیکی محصور شده است. در واقع جداسازهای لاستیکی قادر به تامین میرایی زیاد و جذب انرژی مناسب نیستند.
هسته ی سربی در جداسازهای لاستیکی با تسلیم شدن در زمان ارتعاش، میزان میرایی را از حدود 3 درصد میرایی بحرانی در جداساز های لاستیکی به چیزی در حدود بیش از 10 درصد افزایش می دهد.
هسته ی سربی با تامین سختی اولیه ی کافی، سازه ی جداسازی شده را در برابر بارهای جانبی ضعیف مانند باد یا زلزله های خفیف مقاوم می کند.دلیل انتخاب سرب برای این جداساز آن است که فلز سرب دارای ساختمانی کریستالی می باشد.
ساختار کریستالی سرب با تغییر مکان تغییر می کند اما بلافاصله با برگشت تغییر مکان به حالت اولیه بازمی گردد و به این ترتیب تسلیم های متوالی تحت بارهای ارتعاشی دینامیکی جانبی باعث به وجود آمدن پدیده ی خستگی در آن نمی شود.
سرب تحت نیروی برشی در تنش های نسبتا پایین در حدود 8 تا 10 نیوتن بر میلیمتر مربع به حد تسلیم می رسد و بنابراین رفتار هیسترزیس پایداری نشان داده و میزان قابل توجهی از انرژی را در زمان رخداد زلزله های نسبتا بزرگ از بین خواهد برد.
رفتار هیسترزیس این جداساز ها را می توان به صورت دوخطی با سختی اولیه ای در حدود 9 تا 16 برابر سختی پس از تسلیم آن ها در نظر گرفت.بخش لاستیکی این تجهیزات مشابه جداسازهای لاستیکی با ورقه های فولادی است و وظیفه ی تامین نیروی بازگرداننده به مبدا را پس از پایان ارتعاش سازه به عهده دارد.
از جداسازهای اصطکاکی به طور عمده جداسازهای زیر در صنعت تولید می شوند :
- جداسازهای اصطکاکی
- جداسازهای الاستیک اصطکاکی
- جداسازهای اصطکاکی پاندولی
برای استفاده ی همزمان از قابلیت های جداسازهای لاستیکی و اصطکاکی، این دو سامانه در موارد زیر با هم ترکیب شده اند:
- ترکیب سری جداسازهای اصطکاکی و لاستیکی
- ترکیب موازی جداسازهای اصطکاکی و لاستیکی
عملکرد در برابر بارهای فشاری :
در جداساز های لاستیکی با ورقه های فولادی با فرض یکسان بودن ارتفاع لایه ها، اگر ضخامت لایه های لاستیک را کاهش داده و تعداد آن را افزایش دهیم (ضریب شکل یک بعدی بزر گتر) به سختی قائم جداساز افزوده و نیرو و تغییرشکل رابط هی خطی پیدا خواهند کرد. از سوی دیگر با ضخیم تر شدن ضخامت یک لایه ی لاستیک و کاهش ضریب شکل یک بعدی، سختی قائم کاهش یافته و جداساز قادر به کاهش اثر نیروها در جهت قائم می گردد.
عملکرد در برابر بارهای کششی :
جداسازهای لاستیکی با ورق های فولادی در مقابل نیروی کششی رفتاری دو خطی از خود نشان می دهند. سختی کششی این جداسازها به مراتب از سختی آنها در جهت فشاری کمتر است. با تداوم اعمال بار کششی در جداسازها لاستیک از فولاد جداشده و حفره هایی در بین لایه های لاستیک و فولاد پدید می آید. بروز این حفره ها موجب کاهش میزان سختی قائم در جهت فشاری تا حد ۵۰ درصد میزان اولیه میگردد. از این رو تحت کشش قرار گرفتن این جداسازها اثر منفی بر روی آنها داشته و توصیه نمی گردد. به عبارتی حداکثر میزان قابل قبول تنش کششی وارده ۱۰ تا ۲۰ کیلوگرم بر متر مکعب میباشد.
جداگرهای لاستیکی :
در جداگر های مفصل لاستیکی به علت این که لاستیک سختی پایین دارند مقاومت کمتری در مقابل نیروی کششی از خود نشان می دهد، همچنین جداگرهای دارای هسته سربی در کشش دارای محدودیت زیادی هستند. با وجود این که نوع جدید جداگرهای مفصل لغزشی که بتوانند مقداری در مقابل کشش مقاومت کنند به تازگی وارد بازار شده است.
در نتیجه در طراحی ساختمان غالباً قصد دارند تا کشش در مفصل ها به کمترین میزان ممکن برسد. جابجایی جداگرها بیشتر در طبقات بالا مشخص می شود، اما در ناحیه خطرپذیری زیاد توانایی زلزله برای جابجایی گاهی اوقات تا ۷۵ میلی متر و یا بیشتر می رسد به همین دلیل حذف هر مانعی در نزدیکی سازه که در زمان پاسخ لرزه ای سازه مانع حرکت رفت و برگشتی ( حرکت پاندولی ) شود ضروری است. مقاله ای را نیز تحت عنوان مقاوم سازی دیوارها و نمای ساختمان مطالعه نمایید.
نصب جداسازی لرزه ای :
محل نصب جداسازها در طراحی بسیار تعیین کننده است آن ها معمولاً نزدیک به پی ساختمان هستند ولی نمونه های از جداگر وجود دارد که در بالای ستون و زیر سقف های سنگین نصب می شود تا نیرو وارده به ستون را کاهش دهد. پی و جداگر، هر دو در یک تراز اجرا می گردد، اما بیشترین کاربرد آن ها در پی ساختمان و یا زیر پی ساختمان استفاده می شوند و بعضی دیگر پی اضافی در محل خود دارند.
انواع مختلف جداگر دارای اجزای با اندازه های مختلف هستند و لوازمی برای انتقال لنگر دارند. در جداگر مفصل لاستیکی، لنگرهای p-delta را به خود گرفته و نصف آن را به پایین و نصف آن را به بالا انتقال می دهد. در سیستم قدیمی آونگ اصطکاکی، تمام لنگرهایp-delta به بالا یا پایین انتقال پیدا می کند که این امر بستگی به جهت تقعر دارد چگونگی مقاومت در برابر لنگرها می تواند منجر به انتخاب نوع خاصی از جداگرها شود.
مزایای جداسازی لرزه ای عبارتست از :
- حفظ کاربری سازه در حین و پس از زلزله و تأمین سطح عملکرد بی وقفه (IO)
- کاهش نیروی زلزله وارد شده به سازه تا بیش از ۰¬۶%
- رساندن خسارات سازه ای و غیر سازه ای به صفر
- کاستن از حجم مصالح مورد نیاز برای ساخت و ساز تا بیش از ۲۰%
- کاهش ضرورت استفاده از سیستم های باربر جانبی چون مهاربند یا دیوار برشی
- قابلیت استفاده در سازه های موجود
