جدا سازه های لرزه ای

جداسازهای لرزه ای :

جداسازهای لرزه ای از روش های نوین مقاوم سازی سازه در برابر زلزله است.و در این مقاله از سری مقالات علمی شهر نوین عمران ومعماری قصد داریم در مورد آن صحبت کنیم. از مهمترین مسائلی که در طراحی سازه ها همواره ذهن مهندسان سازه را به خود مشغول ساخته، طراحی سازه ها به گونه ای است که در مقابل بارهای جانبی مقاومت بیشتری را از خود نشان دهند. برای رسیدن به این هدف، تا کنون روشهای بسیاری برای مقاوم ساختن سازه ها دربرابر زلزله ابداع شده است. نصب اعضای مهاربندی در قابها، قاب های خمشی، دیوارهای برشی و یا ترکیبی از آنها، به دلیل سهولت و سادگی اجرا، رواج بیشتری داشته است. اکثر این روش ها براین فرض استوار هستند که نیروی ناشی از زلزله میان عناصر باربر نیروهای جانبی که برای این منظور در سازه تعبیه شده است، توزیع و توسط آنها تحمل میگردد. در اینگونه روشها سازه به طور کامل تحت تأثیر نیروی زلزله قرار میگیرد و کلیه عناصر در تحمل نیروی وارده سهیم میباشند.
روش دیگری که از اوایل قرن گذشته مطرح شد، روش جداسازهای لرزه ای پایه (Base Isolation) سازه ها میباشد که به عنوان یک روش غیر فعال (Passive Control) پاسخ سازه ها در برابر زمین لرزه مطرح می باشد.

جداسازهای لرزه ای پایه (base isolators) وسایلی هستند که در زیر سازه ها قرار می‌گیرند و آنها را از اثرات ویرانگر ناشی از نیروی جانبی زلزله ، یا نوسانات ناشی از حرکت قطارها جدا می‌کنند. جداسازی لرزه‌ای ابزاری با سابقه در طراحی سازه ها است که به وسیله آن می‌توان سازه یا بخشی از آن یا حتی اجزای داخلی قرار گرفته در سازه را از اثرات مخرب شتاب زمین جداسازی نمود. یکی از اهداف جداسازهای لرزه ای منحرف ساختن بسامد اصلی سازه از بسامدهای غالب زلزله و بسامد اصلی روسازه گیردار است. هدف دیگر از یک سیستم جداساز فراهم نمودن وسیله های اضافی برای میراسازی در نتیجه کاستن از شتاب منتقل شده به سازه است. دیدگاه اصلی در این روش جداساختن سازه از زمین(عموماً در جهت افقی) به منظور کاهش انتقال تحریک زلزله به سازه است. گستره‌ای از جداسازها شامل تکیه گاه های الاستومری (با و بدون هسته سربی)، تکیه گاه‌های اصطکاکی/لغزشی و تکیه گاه‌های غلتکی در بیست سال گذشته در کشورهایی مانند ایالات متحده، ژاپن، انگلستان، ایتالیا، نیوزیلند و غیره برای طراحی ضد لرزه ای ساختمانهای جدید زیادی به کار گرفته شده است.
امروزه جداسازهای لرزه ای فناوری توسعه یافته ای است که در بسیاری از کشورها برای کاهش خسارت ناشی از زلزله های بزرگ در سازه ها، به کار میرود. روشهای ساخت و ساز متداول میتوانند باعث بوجود آمدن شتاب های کف بسیار بالایی در ساختمان های سخت و جابجایی های بین طبقه ای بزرگ در ساختمان های انعطاف پذیر شوند. این دو عامل موجب عدم اطمینان از امنیت اجزای سازه و محتویات آن میشوند.
با قراردادن ساختمان برروی یک سیستم جداساز، از انتقال یافتن میزان زیادی از حرکات افقی زمین به سازه جلوگیری میشود. این عمل باعث کاهش قابل ملاحظه ای در شتاب های کف و جابجایی های بین طبقات میشود و بدین وسیله از محتویات ساختمان و اجزای آن محافظت خواهد شد. مزیت دیگر جداسازی لرزه ای افزایش پریود اصلی ارتعاش سازه و انتقال آن به نواحی کم انرژی تر زلزله درطیف پاسخ میباشد. در اثر این عمل، نیروهای ارتجاعی کاهش قابل ملاحظه ای پیدا میکنند.

جداسازهای لرزه ای الاستومری
جداسازهای لرزه ای لاستیکی طبیعی و مصنوعی با میرایی کم
جداسازهای لرزه ای با هسته سربی
جداسازهای لرزه ای لاستیکی طبیعی با میرایی بالا
جداسازهای لرزه ای الاستومری تقویت شده با الیاف
جداسازهای لرزه ای  برمبنای لغزش
سیستم جداسازهای لرزه ای اصطکاک خالص
جداسازهای لرزه ای با پایه های اصطکاکی پس جهنده
جداسازهای لرزه ای  آونگی اصطکاکی

نشیمن های لاستیک طبیعی، نخستین بار در سال ۱۹۷۹ برای حفاظت لرزهای ساختمان مدرسه پستالوزی در شهر اسکوپیه یوگوسلاوی سابق به کار رفتند. این نشیمن ها، بلوک های لاستیکی بزرگی بودند که بر خلاف نمونه های امروزی، سختی قائم نشیمن ها فقط چند برابر سختی افقی بوده و لاستیک مورد استفاده نسبتاً فاقد میرایی است. ویژگی این نوع از سیستم های جداسازهای لرزه ای این است که حرکت افقی به یک حرکت گهواره ای می پیوندد و بنابراین یک حرکت کاملاً افقی زمین سبب بوجود آمدن شتاب های قائم در مود گهواره ای میگردد. این سیستمها شامل بلوک هایی از جنس شیشه اسفنجی در هر دو قسمت نشیمن های لاستیکی بوده که به عنوان فیوزهایی برای جلوگیری از حرکت ساختمان در اثر باد، ترددهای داخلی ساختمان یا زمین لرزه های با شدت کم به کار میروند.

در ژاپن، نشیمن های لاستیک طبیعی و مصنوعی با میرایی کم به صورت گستردهای به همراه ابزارهای میراگر اضافی مانند میراگرهای لزج، میله های فولادی، میله های سربی، وسایل اصطکاکی و غیره به کار میروند. این جداسازهای لرزه ای شامل دو صفحه ضخیم فولادی در بالا و پائین و صفحات نازک فولادی متعددی می باشند. صفحات فولادی از انبساط جانبی لاستیک جلوگیری کرده و سختی قائم را به مقدار زیادی افزایش میدهند، اما هیچ تأثیری بر سختی افقی سیستم که به وسیله مدول برشی پائین الاستومر کنترل میشود، نخواهند داشت. رفتار ماده در برش تا کرنش هایی بیش از ۱۰۰% کاملاً خطی بوده و میرایی آن در حدود ۲ تا۳ درصد مقدار بحرانی می باشد.
از مزایای این نوع نشیمن های لایه ای الاستومری با میرایی پایین میتوان به ساخت آسان و سادگی مدلسازی آنها اشاره نمود. شایان ذکر است پاسخ مکانیکی این نوع نشیمن ها به اثر دما، تاریخچه و پیرشدگی بستگی ندارد. تنها عیب این نشیمن ها آن است که معمولاً به یک سیستم میراگر مکمل (اضافی) نیاز دارند.

نشیمن های با هسته سربی در سال ۱۹۷۵ درنیوزلند اختراع شده و به طورگستردهای در نیوزلند، ژاپن و ایالات متحده مورد استفاده قرار گرفته اند. این نشیمن ها، نشیمن های لاستیکی لایه لایه ای مشابه نشیمن های لاستیکی با میرایی پائین بوده اما دارای یک یا چند هسته سربی هستند که در سوراخ هایی قرار گرفته اند. صفحات فولادی به کار رفته در این سیستم سبب تغییر شکل هسته سربی در برش می شوند. این هسته های سربی تا تنش جاری شدن در حدود (۱۵۰۰psi) 10Mpa تغییر شکل فیزیکی داده و سبب ایجاد یک پاسخ دو خطی در نشیمن میشوند.

درسال ۱۹۸۲، شرکت انگلیسی مؤسسه تحقیقات سازندگان مالزیایی لاستیک، یک ترکیب لاستیک طبیعی ابداع کرد که میرایی ذاتی آن به حدی بود که نیاز به استفاده از اجزای میراگر اضافی را از بین برد. میرایی این ترکیب لاستیکی از افزودن بلوک های کربنی بسیار ریز، روغن ها یا رزین ها و سایر پرکننده های ویژه حاصل می شود. میرایی را میتوان در کرنش برشی معادل۱۰۰% به ۱۰% تا ۲۰% رساند که حد پائین آن (۱۰%) مربوط به میرایی با سختی پائین با مدول برشی در حدود MPa34/0 (psi50) و حد بالایی در حدود MPa40/1(psi200) میباشد

ماده حاصله در کرنش های برشی کمتراز ۲۰% غیرخطی بوده و با سختی و میرایی بالاتر مشخص میشود که موجب به حدقل رسیدن پاسخ، تحت بار باد و بارگذاری های لرزهای با شدت پایین می شود. در محدوده کرنش های برشی بین ۲۰% تا ۱۲۰%، مقدار مدول برشی پائین و ثابت است. در کرنش های بالا، به دلیل فرآیند کریستالیزه شدن کرنش در لاستیک مقدار این مدول افزایش مییابد که به همراه آن استهلاک انرژی نیز افزایش می یابد. از این افزایش سختی و میرایی درکرنش های بالا می توان برای تولید سیستمی استفاده کرد که برای بارهای ورودی کوچک، سخت و برای ورودی هایی در محدوده طرح، نسبتاً خطی و انعطاف پذیر باشد و تحت سطوح پیش بینی نشده ورودی که بیشتراز مقادیر طرح هستند، تغییر مکان را محدود کند.

ایده اساسی کاربرد الیاف به جای صفحات فولادی برای تقویت جداسازهای لرزه ای الاستومری از آنجا آغاز شد که کاربرد جداکننده های تقویت شده با صفحات فولادی برای ساختمان های مسکونی بسیار سنگین و گران تمام می شود، بطوریکه یک جداسازهای لرزه ای به تنهایی میتواند وزنی معادل ۱ تن یا بیشتر داشته باشد.
دریک جداسازهای لرزه ای لاستیکی عمده وزن آن ناشی از صفحات تقویت کننده فولادی است که به منظور افزایش سختی قائم جداساز در آن بهکار می رود. راه حلی که هم وزن و هم قیمت جداکننده ها را کاهش دهد، جایگزین کردن الیاف پلیمری به جای صفحات فولادی میباشد. در این روش پیشرفته و جدید از الیاف با سختی زیاد و مقاومت بالا استفاده می شود. از مزایای مهم این سیستم چسبندگی و پیوستگی الیاف با الاستومر است. کاهش وزن جداکننده با کاربرد الیاف به جای صفحات فولادی، هیچ تأثیری در میزان سختی الاستیک جداسازهای لرزه ای ندارد.

کِلی مطالعاتی برروی جداسازهای لرزه ای الاستومری تقویت شده با الیاف انجام داده است. او به کمک روش های تحلیلی خواص مکانیکی جداسازهای الاستومری چند لایه را که به جای صفحات فولادی با الیاف مسلح شده بودند، مورد مطالعه قرار داده است. در ایران نیز کوکبی و بهرامیان به منظور بررسی خواص و ویژگی های جداسازهای الاستومری تقویت شده با الیاف مطالعاتی در این زمینه انجام داده اند.

نخستین و ساده ترین جداساز پیشنهاد شده، یک سیستم لغزنده خالص بوده است. این سیستم در سال ۱۹۰۹ به وسیله یک پزشک انگلیسی به نام کالانتارینتز پیشنهاد شده است. او پیشنهاد کرد که ساختمان به وسیله یک لایه تالک، از پی جدا شود. همان طور که در این شکل معلوم است، کالانتارینتز به خوبی دریافته بود که سیستم جداساز، شتاب های وارده به ساختمان جداسازی شده را به ازای تغییر مکانهای نسبی بین ساختمان و پی کاهش میدهد.

متداولترین مصالحی که برای نشیمن های لغزنده به کار میروند، پلی تترافلوئواتیلن (PTFE یا تفلون) توخالی یا توپر بر روی فولاد ضد زنگ میباشد. ویژگی های اصطکاکی این سیستم به دما، سرعت حرکت سطح مشترک، میزان سائیدگی و تمیزی سطح بستگی دارد. کارهای آزمایشی زیادی برروی این جنبه های رفتار مکانیکی اجزای لغزنده انجام شده که مرور کامل این آزمایش ها در مقاله کمپل و کانگ موجود است.

با وجود ضعف در عملکرد سازه های بنایی در زلزله های گذشته ساخت آنها به علت هزینه های کم همچنان بخصوص در روستاها متداول است. از این جهت فعالیت های زیادی با هدف اصلاح عملکرد آنها در برابر زلزله انجام گرفته که از جمله آنها ارائه سیستم P-F می باشد. از این سیستم بیشتر در سازه های بنایی و سنتی، برای بهبود عملکرد آنها در برابر زلزله استفاده میشود. در این روش با استفاده از مصالح دانه ای مانند شن و ماسه یا پودر گرافیت یا مواد دانه ای که توسط کارخانجات ساخته می شود مانند دلرین که نوعی پلیمر از جنس پلاستیک حرارتی است و دارای مقاومت باربری MPa36 است و یا ورقه هایی از جنس وینیل و یا حتی آسفالت با درصد اختلاط ویژه بصورت لایه لغزنده در زیر دیوارهای باربر و یا ستون های آجری استفاده می شود

سیستمهای جداسازهای لرزه ای R-FBI اولین بار توسط پروفسور مستقل از دانشگاه یوتا معرفی شد. این نوع جداکننده ترکیبی از لایه های لغزشی همراه با هسته لاستیکی است. در طراحی نشیمن های جداسازی پایه ای اصطکاکی پس جهنده سعی شده که با استفاده از سطوح مشترک لغزنده متعدد در یک نشیمن، مشکل ضریب اصطکاک بالای تفلون بر روی فولاد ضد زنگ در سرعت های بالا حل شود. بنابراین سرعت بین بالا و پایین نشیمن بر تعداد لایه ها تقسیم شده و در نتیجه سرعت هر لایه آنقدر کوچک میشود که ضریب اصطکاک پائینی حاصل شود. علاوه بر المان های لغزنده، هسته مرکزی که از جنس لاستیک است، بار قائمی را حمل نکرده اما یک نیروی بازگرداننده در سیستم ایجاد میکند. آزمایش های صورت گرفته برروی این سیستم نشان میدهند که هسته لاستیکی مانع از تمرکز تغییر مکان در یک سطح مشترک خاص نمیشود، لذا برای رفع این مشکل از یک میله فولادی مرکزی در داخل هسته لاستیکی استفاده شده تا توزیع تغییر مکان بین لایه ها را بهبود بخشد.

درسال ۱۹۸۶ زایاز یک جداسازهای لرزه ای بسیار مؤثر را معرفی و به نام خود ثبت کرد. این جداکننده سیستم آونگ اصطکاکی نام گرفت. این سیستم به وسیله هندسه خاص خود، عمل لغزش و نیروی بازگرداننده را فراهم میکند. جداسازهای لرزه ای  FPS دارای یک قسمت لغزنده مفصلی است که در تماس با سطح کروی است، با موادی با اصطکاک کم پوشانده شده است. سطح دیگر این لغزنده نیز کروی بوده و با لایه ای از فولاد ضد زنگ پوشانده شده است. این سطح در یک شیار کروی که آن هم از ترکیباتی با اصطکاک کم پوشانده شده است قرار میگیرد. با حرکت قسمت لغزنده روی سطح کروی، جرم موجود از روی آن بلند شده که این امر سبب ایجاد نیروی بازگرداننده در سیستم می شود. اصطکاک بین سطح لغزنده مفصلی و سطح کروی نیز سبب ایجاد میرایی در جداسازها میشود. سختی مؤثر جداساز و دوره تناوب سازه جداسازی شده به وسیله شعاع انحنای سطح محدب کنترل میشود.