پکیج طراحی و اجرای جداسازهای لرزه ای

توضیحات

پکیج طراحی و اجرای جداسازهای لرزه ای

جداسازی لرزه ای عبارت است از جداکردن کل یا بخشی از سازه از زمین یا قسمت های دیگر سازه بمنظور کاهش پاسخ لرزه ای آن بخش در زمان رویداد زلزله.
روش مرسوم طراحی لرزه ای سازه ها مبتنی بر افزایش ظرفیت سازه است. در این رویکرد طراحی لرزه ای، ایجاد ظرفیت باربری جانبی در سازه، با افزایش مقاومت و تامین شکل پذیری آن صورت میگیرد. در نتیجه اجرای این روش، ابعاد اعضای سازه ای و اتصالات افزایش یافته و در سازه، اعضای مهاربند جانبی همچون بادبند یا دیوار برشی یا سایر اعضای سخت کننده در نظر گرفته میشود.

افزایش سختی سازه که جذب نیروی بیشتر ناشی از زلزله را به دنبال داشته و سبب افزایش ابعاد اعضای سازهای به منظور تامین مقاومت میشود، موجب کاهش ارزش اقتصادی پروژه میگردد.

علاوه بر آن، در روش های مرسوم طراحی، به دلیل تغییر شکل های غیرخطی در اعضای سازه ای و غیر سازه ای امکان بروز خرابی در این اعضا و وقوع آسیب در اجزای غیرسازه ای و تجهیزات داخل طبقه به دلیل وقوع تغییر مکان و شتاب های قابل توجه در طبقه وجود دارد. کنترل بروز آسیب در اثر زلزله به خصوص در تکانه ای نسبتا شدید کار دشواری خواهد بود. بر اساس مشاهدات پس از رویداد زلزله های شدید، سازه های ساخته شده بر اساس روشهای مرسوم طراحی و ساخت، مقادیر شتاب قابل توجهی را در طبقات تجربه میکنند که این امر در نهایت سلب آرامش از ساکنان ساختمان های بلند، آسیب در اجزای غیر سازه ای و تجهیزات و احتمال قطع خدمات ارایه شده از شبکه های مختلف در شریانهای حیاتی مانند تلفن، حمل و نقل، بیمارستان ها، برق و آب را به همراه دارد.
بنابراین برای دست های از سازه ها مانند بیمارستان ها، ساختمان های دارای ارزش هنری، پلهای مهم، نیروگاه های برق، موزه ها، ساختمان هایی که آسیب در آنها تهدیدی برای محیط زیست خواهد بود و سازه های مهمی که در مناطق با احتمال وقوع زلزله های شدید قرار دارند، روش طراحی بر اساس شکل پذیری ممکن است مناسب ترین روش نباشد. علاوه بر این با افزایش سطح نیازهای شهری

هزینه های قابل توجهی صرف ایجاد شریان های حیاتی و سازه های موجود خواهد شد. این امر نیاز به پیشبینی تمهیدات لازم برای ارتقای سطح ایمنی این بناها در برابر رویداد احتمالی زلزله را به همراه دارد.
با پیشرفت دانش فنی و تجربه ی زلزله های شدید، به مرور تغییراتی در آییننامههای طراحی سازهها به وجود آمده و ضمن تغییر در فلسفهی طراحی سازهها، فناوریهایی همچون کنترل لرزهای غیرفعال سازه ها به کار گرفته شده است. جداسازی لرزه ای نیز، با هدف کاستن آسیب لرزهای در طراحی و ساخت سازه های با اهمیت زیاد پیشنهاد میگردد. با استفاده از این روش، رفتار دینامیکی سازه در حد
امکان، در محدوده ی از قبل پیشبینی شده قرار گرفته و میزان آسیبهای لرزهای به اجزای سازهای و غیر سازهای کاهش مییابد. پیشرفت دانش فنی و تغییرات یاد شده در ضوابط و معیارهای طراحی و ارزیابی سازه ها باعث شده تا بسیاری از سازه های موجود طی ارزیابی های مجدد در حاشیه ی “ناامن” قرار گیرند. روش جداسازی لرزه ای در زمینه ی مقاومسازی و بهسازی لرزه ای سازه های موجود نیز
قابل کاربرد است. این روش با توجه به آزادی عملی که در اختیار طراحان و مجریان قرار میدهد در بسیاری از پروژه های بهسازی لرزه ای نیز مورد توجه قرار گرفته است. در این حال نحوه ی اجرای عملیات بهسازی لرزه ای و نصب جداسازها نیاز به برنامهریزی و دقت کافی دارد.
برای ساختمان های ذیل، مطالعه برای انتخاب گزینه ی جداسازی لرزهای به طور خاص بر اساس عملکرد و اهمیت توصیه میگردد:
1- ساختمان های با اهمیت بالا: ساختمان هایی که عملکرد آنها در وضعیت بحرانی پس از زلزله مهم است، مانند
2- ساختمان های امدادرسانی و بیمارستانی؛
3- ساختمانهای دارای ارزش تاریخی و هنری به عنوان یک گزینه در بهسازی لرزه ای
4- بخشهای اصلی از شریانهای حیاتی همچون پلهای مهم یا نیروگاه ها؛
5- واحدهای تولیدی دارای تجهیزات یا محصولات گران قیمت یا راهبردی؛
6- ساختمان هایی که آسیب احتمالی در آنها، تهدیدی جدی برای محیط زیست تلقی گردد.

جداسازی لرزه ای
در مقابل ایده ی طراحی و اجرای ساختمان های مقاوم در برابر زلزله، با توجه به آسیبهای سازهای و مشکلات بروز کرده برای ساکنان در طی زلزله ها، ایده ی طراحی سازه جداشده از پایه بر اساس کنترل نیروی زمین لرزه از طریق ممانعت از ورود آن به سازه بنا شده است. این ایده در سالهای اخیر در موارد بسیاری در طراحی و اجرای سازه های مهم مورد استفاده قرار گرفته است.

مطابق نتایج تحلیلی و آزمایشگاهی، سامانه های سازه ای مجهز به این فناوری پاسخ لرزه ای کمتری نسبت به سازه های معمول خواهند داشت .

طراح باید توجه داشته باشد که کاهش شتاب با توجه به رفتار نیرو- تغییر مکان جداسازها انجام میپذیرد و نیاز به کاهش شتاب ممکن است منتهی به سامانهی جداسازی با سختی کمی گردد که این خود احتمال بوجود آمدن تغییر مکان های قابل توجه در طی زلزله را افزایش میدهد. از اینرو ساز و کارهایی به منظور استهلاک انرژی در سامانه ی جداسازی تعبیه میگردد تا ضمن محدود نمودن تغییر
مکان، شتاب سازه نیز کاهش یابد. این میرایی همچنین پدیدهی تشدید پاسخ ناشی از وجود مولفههای با دورهی تناوب بالا در حرکت زمین را کاهش میدهد. اما در عین حال باید توجه نمود که در برداشتن میرایی زیاد در سامانه ی جداساز خود موجب افزایش نیروی منتقل شده به سازه میگردد و باید از سوی طراح مورد توجه قرار گیرد.
بنابراین لازم است یک سامانه ی جداسازی دارای قابلیت های زیر باشد:
1-بتواند نیروهای قائم ناشی از وزن و پاسخ زلزله در زمان زلزله را تحمل کند؛
2-در جهت افقی انعطاف پذیری لازم را تامین نماید؛
3-قابلیت جذب انرژی داشته باشد.
این قابلیت ها میتواند به طور همزمان در یک وسیله تامین شود یا به کمک چند وسیله آنها را برای سامانه ی جداسازی فراهم آورد. علاوه بر این طراح ممکن است برای محدود نمودن تغییر مکان جداسازها، در سامانه ی جداسازی لرزه ای، ضربه گیرهایی نیز پیشبینی نماید.
همانطور که در بخشهای بعد اشاره خواهد شد، با توجه به این تغییر مکان، فاصله ی آزاد مشخصی باید در اطراف سازه در نظر گرفته شود تا حرکت طبقه ی جداسازی شده به سهولت امکانپذیر گردد.
تجهیزات جداسازی لرزهای عبارتند از:
– تکیه گاه ها و جداسازها؛
– میراگرها.
در کنار این اجزا، ممکن است امکانات دیگری برای فراهم سازی قابلیت جابجایی در تراز جداسازی ایجاد گردد. جداسازها و میراگرها ممکن است همگی در یک تراز افقی قرار گیرند یا با توجه به ماهیت، هدف جداسازی یا وضعیت معماری سازه در ترازهای مختلفی نصب گردند.

عملکرد
در جداسازی لرزه ای کل یا بخشی از سازه برای کاهش پاسخ لرزه ای آن بخش در زمان زلزله از زمین یا قسمت های دیگر سازه جدا میشود. این کار با استفاده از جداسازهایی که بر اساس مشخصات دینامیکی سازه، اهداف عملکردی مورد نظر طراح و شرایط خطر لرزه ای ساختگاه، طراحی و ساخته شدهاند صورت میگیرد. وظیفه ی اصلی این جداسازها ایجاد فاصله بین دوره ی تناوب طبیعی سازه و
محدوده ی دوره ی تناوب حاکم در ارتعاش زمین لرزه احتمالی در محل سازه ی مورد نظر است. علاوه بر این، انرژی ارتعاشی ناشی از زلزله نیز با کمک سازوکارهای مختلفی جذب شده و از انتقال آن به سازه جلوگیری میگردد. جداساز سامانه ای است که سازه روی خود را از بخش زیرین خود جدا میکند. برای اینکه در زمان بروز زلزله هیچ نیرویی به سازه منتقل نشود، لازم است این سامانه، سازه را به حالت شناور درآورد. این امر با توجه به نیاز به کنترل تغییر مکان های نسبی جانبی در زمان تحریک زلزله از نظر اجرایی درست و امکان پذیر نیست. دو گروه اصلی از جداسازهای لرزه ای برای کنترل نیروی منتقل شده به روسازه در ساختمان ها استفاده میشوند:
الف- استفاده از جداسازهای لاستیکی برای افزایش دورهی تناوب طبیعی سازه؛
ب- 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. در عین حال جداسازهای لاستیکی باید در جهت افقی به اندازه ی کافی نرم باشند.
در زمان طراحی توجه به این نکته ضروری است که با نرمتر شدن جداسازها، تغییر مکان نسبی بین زمین و سازه افزایش مییابد. به این ترتیب تغییر مکان نسبی تراز جداسازی و پاسخ شتاب سازه همواره با هم نسبت عکس دارند. در این شرایط با انتخاب سازوکار استهلاک انرژی مناسب در سامانه ی جداسازی لرزه ای میتوان هم به کاهش مورد نیاز در شتاب مجموعه دست پیدا کرد و هم میزان تغییر مکان نسبی ذکر شده را در محدوده ی مورد نظر طراحی نگاه داشت. به این ترتیب، از جداسازها، قابلیت تحمل بار، تغییر مکان های زیاد و بازگشت به محل اولیه پس از پایان یافتن زلزله انتظار میرود.
در جداسازهای اصطکاکی ضریب اصطکاک مناسب عامل کنترل نیروی انتقالی به روسازه و همچنین کنترل تغییر مکان جانبی سازه خواهد بود.
از سوی دیگر این نوع جداسازها ممکن است باعث انتقال ارتعاشات با فرکانس های نسبتا زیاد به سازه گردند. از این رو استفاده از این تجهیزات در جداسازی سازه هایی که ابزار دقیق و حساس به ارتعاش در فرکانس های بالا در آنها نصب خواهد شد باید با مطالعه ی دقیق صورت پذیرد. مسایل اقتصادی، اجرایی و دوام این تجهیزات در زمان طراحی و ساخت آنها باید مورد توجه قرار گیرد. جداسازی موفق یک سازه خاص، مستلزم انتخاب، طراحی و ساخت سامانه ی جداسازی مناسب برای آن است. علاوه بر تامین انعطافپذیری جانبی کافی و میرایی مناسب، همانطور که قبلا نیز ذکر شد سامانه ی جداسازی باید قادر باشد تا پس از اتمام ارتعاش زلزله به وضعیت اولیه ی خود بازگردد. این سامانه ها باید سختی قائم زیادی برای جلوگیری از تاب خوردن و حرکت گهواره ای سازه و سختی اولیه ی کافی برای جلوگیری از حرکت های ناخواسته ی ناشی از وزش باد و لرزهه ای با دامنهه ای کم داشته باشند.

انواع جداسازهای لرزهای
به طور کلی جداسازهای لرزه ای را میتوان 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
از جداسازهای اصطکاکی به طور عمده جداسازهای زیر در صنعت تولید میشوند:
– 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.
-جداسازهای لاستیکی با ورقه های فولادی
جداسازهای لاستیکی با ورقه های فولادی یکی از جداسازهایی هستند که نیاز به انتقال دوره ی تناوب طبیعی سازه و وظیفه ی جدا نمودن ارتعاش روسازه از بستر خود را برای مهندسان و طراحان برآورده میکنند. جداسازهای لاستیکی با ورقه های فولادی از ورقه های نازک لاستیکی و فولادی که به ترتیب بر روی هم چیده شده و تحت فشار و حرارت به شکل مجموعه ای متورق و یکپارچه در میاند تشکیل شده اند این جداسازها که در ابتدا برای ایجاد انعطافپذیری در پایه ی پلها در زمان انبساط و انقباض آنها استفاده شد، بعدها به منظور رفع مشکل ارتعاش ناشی از حرکت قطارهای زیرزمینی کارکرد مناسبی از خود نشان دادند.

انواع لاستیک مورد استفاده در جداسازهای لاستیکی
لاستیک ها یا الاستومرها ترکیباتی از پلیمرها، فیلرها (پرکنندهها) ، روغن، شتابدهنده ها، مواد ضد ازن، مواد دیرگیر و کندگیرکننده هستند که با هم مخلوط و توسط حرارت با هم ترکیب و مکانیزه میشوند.
لاستیک هایی که بیشترین کاربرد را در جداسازهای لاستیکی دارند عبارتند از: لاستیک طبیعی، نئوپرن، بوتیل و نیتریل. همه ی این لاستیکها تحت بارگذاری، فرآیند “کریستالی شدن کرنشی” را از خود نشان میدهند. این ویژگی بروز ترک در لاستیک را محدود کرده همچنین باعث میشود تا در کرنش های زیاد سختی برشی لاستیک افزایش یافته و از تغییر مکان بیرویه به نحوی جلوگیری گردد. البته
این ویژگی را نباید به عنوان یک عامل ایمنی در برابر تغییرمکانهای جانبی به هر مقدار در نظر گرفت.
توجه به این امر ضروری است که همهی لاستیک ها ویژگی کریستالی شدن را ندارند. به عنوان مثال لاستیک استایرن بوتادین (SBR) دارای ویژگی کریستالی شدن کرنشی نیست و نباید به عنوان لاستیک در جداسازها استفاده شود. مشخصات مکانیکی لاستیک طبیعی مانند مقاومت در مقابل پارگی، مقاومت و خستگی در تغییر مکان های زیاد، خزش و خصوصیات آن در دمای پایین، از بیشتر
لاستیک های مصنوعی که برای ساخت جداسازهای لرزهای مورد استفاده قرار میگیرند بهتر است. بنابراین لاستیک طبیعی و پس از آن نئوپرن بیشتر از هرگونه لاستیک دیگری در ساخت این امکانات مورد استفاده قرار میگیرند. لاستیک های بوتیل برای استفاده در دمای پایین و لاستیک های نیتریل برای موارد محدودی در سازه های دریایی استفاده شده اند.
نسبت میرایی به دست آمده از این جداسازها بسیار کم و در محدوده ی 2تا 4درصد میرایی بحرانی است. از این رو طراح در زمان به کارگیری این نوع جداساز باید به کمک ساز و کاری دیگر استهلاک انرژی مورد نیاز را تامین نماید. به منظور دستیابی به عملکرد بهتر این جداسازها اغلب مواد پرکننده به لاستیک اضافه میشود. رفتار نیرو- تغییرمکان این جداسازها به مقدار زیادی بستگی به نوع و میزان مادهی پرکننده در آنها دارد. این مواد پرکننده موجب بهبود عملکرد در موارد زیر میگردد:
1-میرایی بیشتر؛
2-سختی اولیه ی بیشتر؛
3-تغییر شکل برشی کمتر.
میرایی قابل دسترسی توسط این روش به حدود 10تا 20درصد میرایی بحرانی میرسد. مواد پرکننده ی مختلفی برای این منظور مورد استفاده قرار گرفته اند که از آن جمله میتوان به اکسیدهای فلزی، رس و سلولز اشاره نمود. اما ماده ی پرکننده ای که بیش از همه مورد استفاده قرار گرفته دوده است. 
استفاده از ورقه های فولاد سبب افزایش سختی قائم این جداسازها میشود. اما از سوی دیگر سبب افزایش وزن آنها شده و کار ساخت، حمل و نصب را دشوار می نماید. این امر در کنار این مشکلات موجب افزایش هزینه ی ساخت و نصب آنها میگردد.
اخیرا روشهایی برای ساخت کم هزینه تر جداسازها ارایه شده است. در یکی از این روشها شبکه های الیافی جایگزین ورقه های فولادی شده و وزن این جداسازها را به اندازه ی قابل توجهی کاهش میدهند. در کاربردهای مهندسی، لاستیک ها معمولا با میزان سفتی مشخص میشوند. سفتی با بعضی از خصوصیات فیزیکی مهم لاستیک مانند مدول برشی و مدول فشاری آن ارتباط دارد. یک واحد برای اندازه گیری این ویژگی درجه ی سفتی بین المللی (IRHD ) است که برای لاستیک ولکانیزه بین 20تا 100تغییر میکند. به عنوان مثال مقدار IRHDبرای مداد پاک کن 30و برای لاستیک اتومبیل در حدود 60است. لاستیک های مورد استفاده برای جداسازهای مورد نظر در این مجموعه دارای IRHDدر حدود 50تا 60هستند.

جداگرهای لرزه ای روشی برای محافظت ساختمان ها در برابر خسارت های ناشی از زلزله می باشد و این عمل با محدود ساختن اثر تخریبی زلزله و نه مقاومت سازه در برابر زلزله انجام می پذیرد. با استفاده از روش های معمول طرح لرزه ای، سازه ای طرح می شود که مقاومت، شکل پذیری و ظزفیت جذب انرژی کافی برای تحمل نیرو های ناشی از زلزله را دارد، در این نوع طراحی ها حداکثر شتاب سازه اغلب بیش تر از حداکثر شتاب زمین است.، در صورتی که جداگرهای ارتعاشی اثر تخریبی زلزله را محدود می کنند به طوری که پایه انعطاف پذیر سازه باعث جدا شدن آن از حرکات زمین می شود و درنتیجه شتاب پاسخ سازه کم تر از شتاب زمین می شود.

سازه ها بطور کلی برای جداسازی لرزه ای مناسب هستند اگر شرایط زیر را دارا باشند

1. سازه دو طبقه یا بیشتر باشد
2. سایت اجازه جابجایی پایه در حدود 8 اینچ را بدهد.
3. بار جانبی بصورت باد و سایر بارهای غیر زلزله کمتر از 10 % وزن ساختمان باشند.

امروزه جداسازی پایه 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.

انواع جداگرهای لرزه ای

جداگرهای لرزه ای دارای انواع مختلفی هستند که بسته به محل و نوع کاربرد مورد انتظار از انواع جداگرهای لرزه ای استفاده میشود. در ادامه به بررسی انواع سیستم های جداگرهای لرزه ای و نحوه کار آن ها می پردازیم.

جداگرهای لغزشی

جداگرهای الاستومریک

از جداگرهای الاستومریک در انواع سیستم های سازه ای از قبیل پل، ساختمان ها و … استفاده می شود. این جداگرهای لرزه ای شامل ورق های فولادی است که این ورق ها با استفاده از پلاستیک در کنار هم مگه داشته شده اند و عملکرد یکپارچه ای از خود بروز می دهند.

جداگرهای الاستومریک به دو دسته کلی زیر تقسیم بندی میشوند:

• جداسازهای لرزه ای با میرایی کم
• جداسازهای لرزه ای با میرایی زیاد

جداگرهای لاستیکی با هسته سربی

جداگرهای لاستیکی با هسته سربی شامل هسته سربی است که در داخل جداگرهای لرزه ای لاستیکی محصور شده است. وجود هسته سربی در داخل این جداگرهای لرزه ای باعث افزایش قابل توجه میرایی شده است و در نتیجه جذب انرژی نیز بیشتر خواهد بود. استفاده از سرب به خاطر مشخصاتش سبب افزایش اتلاف انرژی بیشتر و نیاز به نیروی بیشتری را برای به ارتعاش در آوردن سازه فراهم می‌کند که باعث می‌شود سازه در برابر بادهای شدید و ارتعاشات ضعیف (مانند زلزله های خفیف و ارتعاشات ناشی از عبور وسایل نقلیه و مترو و…) شروع به ارتعاش نکند.

جداگر های الاستومری با هسته سربی از نظر خصوصیات مکانیکی با توجه به ساختار و خاصیت مواد تشکیل دهنده آن بدین شکل است که قابلیت تحمل بسیار زیادی در برابر نیروهای وارده به صورت عمودی و در جهت محور Yرا داراست (سختی بسیار زیاد در جهت Y) در حالی که در جهت افقی مقاومت کمی داشته و بسیار نرم عمل میکند (سختی کم در جهت X)  و در نتیحه آن در جهت افقی دارای شکل پذیری زیادی می باشد (در جهت افقی می توانند تا 45 درجه تغییر مکان بین دو سطح بالا و پایین داشته باشند.)که ماحصل آن مستهلک کردن و کاهش چشمگیر انتقال نیروهای وارده از بستر به سازه اصلی می باشد.

جداگرهای آونگی اصطکاکی

جداگرهای آونگی اصطکاکی به وسیله هندسه خاص خود، عمل لغزش و نیروی بازگرداننده را فراهم میکند. این جداگرهای لرزه ای  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.