تعریف، عملکرد و انواع جداساز لرزه ای
در این پست ابتدا به تعریف جداساز لرزه ای می پردازیم، سپس انواع آن را بر می شماریم و به بررسی عملکرد آنها می پردازیم.
تعریف جداساز لرزه ای
جداسازی لرزه اي عبارت است از جداكردن كل يا بخشي از سازه از زمين يا قسمت هاي ديگر سازه بمنظور كاهش پاسخ لرزه اي آن بخش در زمان رويداد زلزله.
روش مرسوم طراحي لرزه اي سازه ها مبتني بر افزايش ظرفيت سازه است.
در اين رويكرد طراحي لرزه اي، ايجاد ظرفيت باربري جانبي در سازه، با افزايش مقاومت و تامين شكل پذيري آن صورت ميگيرد.
در نتيجه اجراي اين روش، ابعاد اعضاي سازه اي و اتصالات افزايش يافته و در سازه، اعضاي مهاربند جانبي همچون بادبند يا ديوار برشي يا ساير اعضاي سخت كننده در نظر گرفته مي شود.
شکل 1 : رفتار سازه الف) بدون سامانه جداساز لرزه ای و استفاده از شکل پذیری ب) به همراه سامانه جداساز لرزه ای
براي ساختمان های زير، مطالعه برای انتخاب گزينه ي جداسازي لرزه اي به طور خاص بر اساس عملكرد و اهميت توصيه ميگردد:
- ساختمانهاي با اهميت بالا: ساختمانهايي كه عملكرد آ نها در وضعيت بحراني پس از زلزله مهم است، مانند ساختمان هاي امدادرساني و بيمارستاني
- ساختمان هاي داراي ارزش تاريخي و هنري (به عنوان يك گزينه در بهسازي لرزه اي)
- بخش هاي اصلي از شريان هاي حياتي همچون پل هاي مهم يا نيروگاه ها
- واحدهاي توليدي داراي تجهيزات يا محصولات گران قيمت يا راهبردي
- ساختمان هايي كه آسيب احتمالي در آنها، تهديدي جدي براي محيط زيست تلقي گردد.
عملکرد جداساز لرزه ای
در جداسازی لرزه ای كل يا بخشی از سازه برای كاهش پاسخ لرزه ای آن بخش در زمان زلزله از زمين يا قسمت هاي ديگر سازه جدا مي شود.
اين كار با استفاده از جداساز هايي كه بر اساس مشخصات ديناميكي سازه، اهداف عملكردي مورد نظر طراح و شرايط خطر لرزه اي ساختگاه، طراحي و ساخته شده اند صورت مي گيرد.
وظيفه ي اصلي اين جداساز ها ايجاد فاصله بين دوره ی تناوب طبيعي سازه و محدوده ی دوره ی تناوب حاكم در ارتعاش زمين لرزه احتمالي در محل سازه ی مورد نظر است.
علاوه بر اين، انرژی ارتعاشي ناشي از زلزله نيز با كمك ساز و كارهاي مختلفي جذب شده و از انتقال آن به سازه جلوگيری مي گردد.
جداساز لرزه ای سامانه ای است كه سازه روی خود را از بخش زيرين خود جدا مي كند.
براي اينكه در زمان بروز زلزله هيچ نيرويي به سازه منتقل نشود، لازم است اين سامانه، سازه را به حالت شناور درآورد.
اين امر با توجه به نياز به كنترل تغيير مكان های نسبي جانبي در زمان تحريك زلزله از نظر اجرايي درست و امكان پذير نيست.
در جداسازي لرزه اي دوره ي تناوب اصلي سازه به كمك تجهيزاتي كه مطابق شكل زیر بين روسازه و بخش پايين دست آن قرار می گیرد افزایش می یابد.
شکل 2 : تراز جداسازی و اجزای آن
انواع جداساز لرزه ای
به طور كلي جداسازهای لرزه ای را مي توان به دو دسته ي جداسازهای لاستيكي و جداسازهای اصطكاكی تقسيم بندی كرد.
جداسازهاي زير از جداسازهای لاستيكي به شمار مي روند:
- جداسازهاي لاستيكي با ورقه های فولادی (ميرايي كم)
- جداسازهاي لاستيكي با ميرايي زياد
- جداسازهای لاستيكي با هسته سربی
از جداسازهاي اصطكاكي به طور عمده جداسازهای زير در صنعت توليد مي شوند:
- جداسازهاي اصطكاكي
- جداساز هاي الاستيك اصطكاكي
- جداساز هاي اصطكاكي پاندولي
براي استفاده همزمان از قابليت هاي جداساز های لاستيكي و اصطكاكي، اين دو سامانه در موارد زير با هم تركيب شده اند:
- تركيب سری جداسازهای اصطكاكي و لاستيكي
- تركيب موازي جداسازهاي اصطكاكي و لاستيكي
جداساز های لاستيكي با ورقه های فولادی
جداسازهاي لاستيكي با ورقه هاي فولادی، يكي از جداسازهايي هستند كه نياز به انتقال دوره ی تناوب طبيعي سازه و وظيفه ی جدا نمودن ارتعاش روسازه از بستر خود را براي مهندسان و طراحان برآورده مي كنند.
جداسازهای لاستيكي با ورقه هاي فولادي همان طور كه در شکل زیر نشان داده شده است از ورقه هاي نازك لاستيكي و فولادي كه به ترتيب بر روي هم چيده شده و تحت فشار و حرارت به شكل مجموع های متورق و يكپارچه در مي آيند تشكيل شده اند.
اين جداسازها كه در ابتدا براي ايجاد انعطاف پذيري در پايه ي پل ها در زمان انبساط و انقباض آنها استفاده شد، بعدها به منظور رفع مشكل ارتعاش ناشي از حركت قطارهاي زيرزميني كاركرد مناسبي از خود نشان دادند.
شکل 3 : جداساز لرزه ای لاستیکی با ورقه های فولادی
جداساز های لاستيكی با هسته ی سربی
اين جداساز شامل يك هسته ي سربي است كه در داخل جداساز لاستيكي محصور شده است.
جداسازهاي لاستيكي قادر به تامين ميرايي زياد و جذب انرژي مناسب نيستند.
هسته ي سربي در جداسازهاي لاستيكي با تسليم شدن در زمان ارتعاش، ميزان ميرايي را از حدود 3 درصد ميرايي بحراني در جداساز هاي لاستيكي به چيزي در حدود بيش از 10 درصد مي افزايد.
همچنين هسته ي سربي با تامين سختي اوليه ي كافي، سازه ي جداسازي شده را در برابر بارهای جانبي ضعيف مانند باد يا زلزله هاي خفيف مقاوم مي كند.
دليل انتخاب سرب براي اين جداساز اين است كه فلز سرب دارای ساختماني كريستالي است.
ساختار كريستالي سرب با تغيير مكان تغيير مي كند اما بلافاصله با برگشت تغيير مكان به حالت اوليه بازگشته و به اين ترتيب تسليم هاي متوالي تحت بارهاي ارتعاشي ديناميكي جانبي باعث به وجود آمدن پديده ي خستگي در آن نمي شود.
سرب تحت نيروي برشي در تنش هاي نسبتا پايين در حدود 8 تا 10 نيوتن بر ميليمتر مربع به حد تسليم مي رسد و بنابراين رفتار هيسترزيس پايداري نشان داده و ميزان قابل توجهي از انرژي را در زمان رخداد زلزله های نسبتا بزرگ از بين مي برد.
رفتار هيسترزيس اين جداساز ها را مي توان به صورت دوخطي با سختي اوليه اي در حدود 9 تا 16 برابر سختي پس از تسليم آن ها در نظر گرفت.
بخش لاستيكي اين تجهيزات مشابه جداسازهای لاستيكي با ورقه هاي فولادی است و وظيفه ي تامين نيروی بازگرداننده به مبدا را پس از پايان ارتعاش سازه به عهده دارد.
شکل 4 : جداساز لرزه ای لاستیکی با هسته سربی
جداساز های اصطكاكی
در اين نوع از جداسازی، روسازه اجازه مي يابد تا در زمان رخداد زلزله های نسبتا بزرگ بر روي جداساز بلغزد.
سازه به محض تجاوز نيروي برشي در طبقه ی جداسازی شده از ميزان نيروي اصطكاكي در نظر گرفته شده براي جداساز ها بر روي آن ها شروع به لغزش مي كند و به اين ترتيب از ارسال نيروهای لرزه اي بزرگ به سازه جلوگيري مي شود.
در اين حال نيروی اصطكاكي به وجود آمده در جداساز ها در مقابل نيروي محرك زلزله عمل كرده و انرژي جنبشي را مستهلك مي كند.
در مواردي كه از اين نوع جداساز ها به تنهايي استفاده مي شوند، سامانه ی جداسازي به محتواي فركانس موجود در ارتعاش تحريك حساس نبوده و موجب تشديد مولفه هاي خاصي از آن نيز نمي گردد.
در اين حالت شتاب موجود در طبقه ي جداسازي متناسب با ضريب اصطكاك در نظر گرفته براي جداساز ها خواهد بود.
از اين رو با كاهش ضريب اصطكاك مي توان شتاب اعمال شده به سازه در طي ارتعاش را كاهش داد.
براي كاهش ميزان اصطكاك موادي مانند تفلون و فولاد استيل كارايي قابل توجهي در اين گونه جداساز ها از خود نشان داده اند.
هرچند كاهش ضريب اصطكاك به هر ميزان دلخواه به معناي افزايش تغيير مكان به وجود آمده در تراز جداسازي است.
خصوصيت ديگر اين نوع جداسازي تناسب نيروي اعمالي از سامانه ي جداسازي با جرم سازه است. بنابراين مركز جرم سازه با مركز اعمال نيرو يكي خواهد بود و در نتيجه ي آن پيچش در سازه هاي غيرمتقارن به وجود نخواهد آمد.
يك نكته قابل توجه در اين گونه سامانه هاي جداسازي، نبود نيروي بازگرداننده در آنها است.
اين امر ممكن است موجب شود تا سازه پس از اتمام لرزه به محل اوليه ي خود باز نگردد.
علاوه بر اين طراح بايد در طي طراحي به موارد زير در طول دوره ي ساخت و نگهداري سامانه نيز توجه كافي داشته باشد:
- امكان جوش خوردن سطح تماس جداسازها در طول زمان
- وقوع يخ زدگي
- بروز خوردگي
- از بين رفتن سطح كم اصطكاك اين تجهيزات
به طور خلاصه شرايط اين جداساز ها در طول زمان و در شرايط محيطي متغير، بايد مورد توجه قرار گيرد.
از اين رو بازديدهاي منظم و دوره اي بايد به منظور كنترل وضعيت اين جداساز ها انجام پذيرد.
در زمان كاربرد اين سامانه بايد در مورد ميزان دقيق ضريب اصطكاك در آن، تغييرات آن در زمان حركت و عوامل موثر بر آن به كمك آزمايش هاي مورد تاييد كارفرما اطمينان يافت.
نبود نيروي بازگرداننده در اين روش جداسازي، امكان بروز اشكال در عملكرد مطلوب آن را به همراه دارد.
به اين منظور لازم است طراح در زمان طراحي و به كمك تحليل هاي دقيق به همراه آزمايش های لازم بر روي تجهيزات سامانه و با در نظر گرفتن رفتار غيرخطي اين نوع سامانه، از عملكرد آن اطمينان يافته و در صورت نياز تمهيدات مناسب براي احتراز از وقوع اشكالات احتمالي پيش بيني نمايد.
جداسازهای اصطكاكی پاندولی
نيروي بازگرداننده در اين جداساز ها توسط جاذبه ي زمين و وزن سازه تامين مي شود.
بخش داخلي اين جداساز از يك سطح مقعر فولاد استيل تشكيل شده است كه يك قطعه ی فولادي با مقاومت زياد و اصطكاك كم بر روي آن حركت مي كند.
شکل 2 : جداسازهای اصطکاکی پاندولی
شعاع انحنای اين جداساز دوره ي تناوب سامانه ي جداسازي را مشخص مي كند. بنابراين در صورتي كه وزن سازه تغيير كند يا با ميزان برآورد شده متفاوت باشد، دوره ی تناوب تغييري نخواهد كرد.
شکل 5 : جداسازی لرزه ای اصطکاکی پاندولی
جداساز لرزه ای لاستيكي با ميراگرهاي فولادي در محل جداسازی
براي ايجاد نيروی بازگرداننده در سامانه هاي مجهز به جداسازهاي اصطكاكي، استفاده ي همزمان از جداسازهاي لاستيكي پيشنهاد مي شود.
در اين حالت نيروي بازگرداننده در سامانه توسط جداساز لاستيكي و فرايند استهلاك انرژي به كمك جداساز اصطكاكي تامين مي گردد.
در زمان ايجاد مدل عددي براي رفتار سامانه ی مورد نظر بايد به نحوه ی تركيب اين دو رفتار توجه گردد.
جداساز لرزه ای الاستيك اصطكاكی
اين جداساز ها شامل چندين لايه ی اصطكاكي پوشيده شده با تفلون است كه با هم و با يك هسته ی لاستيكي در تماس هستند.
هسته ي مركزی لاستيكي نيروي بازگرداننده را در مجموعه به وجود مي آورد و اصطكاك بين صفحات باعث از بين رفتن انرژي ارتعاشي مي گردد.
منبع : پرتال جامع مهندسی عمران – ucivil.ir
