جداسازهای لرزه‌ای ساختمان

در مقابل ایده‌ی طراحی و اجرای ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله، با توجه به آسیب‌های سازه‌ای و مشکلات بروز کرده برای ساکنان در طی زلزله‌ها، ایده‌ی طراحی سازه جداشده از پایه بر اساس کنترل نیروی زمین‌لرزه از طریق ممانعت از ورود آن به سازه بنا شده است. این ایده در سال‌های اخیر در موارد بسیاری در طراحی و اجرای سازه‌های مهم مورد استفاده قرار گرفته است. مطابق نتایج تحلیلی و آزمایشگاهی، سامانه‌های سازه‌ای مجهز به این فناوری پاسخ لرزه‌ای کمتری نسبت به سازه‌های معمول خواهند داشت. جداسازهای لرزه‌ای عبارت است از جداکردن کل یا بخشی از سازه از زمین یا قسمت‌های دیگر سازه بمنظور کاهش پاسخ لرزه‌ای آن بخش در زمان رویداد زلزله.

روش مرسوم طراحی لرزه‌ای سازه‌ها مبتنی بر افزایش ظرفیت سازه است. در این رویکرد طراحی لرزه‌ای، ایجاد ظرفیت باربری جانبی در سازه، با افزایش مقاومت و تامین شکل‌پذیری آن صورت می‌گیرد. در نتیجه اجرای این روش، ابعاد اعضای سازه‌ای و اتصالات افزایش یافته و در سازه، اعضای مهاربند جانبی همچون بادبند یا دیوار برشی یا سایر اعضای سخت‌کننده 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 می‌شود. علاوه بر آن، در روش‌های مرسوم طراحی، به دلیل تغییر شکل‌های غیرخطی در اعضای سازه‌ای و غیرسازه‌ای امکان بروز خرابی در این اعضا و وقوع آسیب در اجزای غیرسازه‌ای و تجهیزات داخل طبقه به دلیل وقوع تغییر مکان و شتاب‌های قابل توجه در طبقه وجود دارد. کنترل بروز آسیب در اثر زلزله به خصوص در تکان‌های نسبتاً شدید کار دشواری خواهد بود. بر اساس مشاهدات پس از رویداد زلزله‌های شدید، سازه‌های 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 ساختما‌ن‌های بلند، آسیب در اجزای غیر ساز‌ه‌ای و تجهیزات و احتمال قطع خدمات ارایه شده از شبکه‌های مختلف در شریان‌های حیاتی مانند تلفن، حمل و نقل، بیمارستان‌ها، برق و آب را به همراه دارد.

عملکرد جداسازهای لرزه‌ای

در جداسازهای لرزه‌ای کل یا بخشی از سازه برای کاهش پاسخ لرزه‌ای آن بخش در زمان زلزله از زمین یا قسمت‌های دیگر سازه جدا می‌شود. این کار با استفاده از جداساز‌هایی که بر اساس مشخصات دینامیکی سازه، اهداف عملکردی مورد نظر طراح و شرایط خطر لرزه‌ای ساختگاه، طراحی و ساخته شده‌اند صورت می‌گیرد. وظیفه‌ی اصلی این جداساز‌ها ایجاد فاصله بین دوره‌ی تناوب طبیعی سازه و محدوده‌ی دوره‌ی تناوب حاکم در ارتعاش زمین لرزه احتمالی در محل سازه‌ی مورد نظر است. علاوه بر این، انرژی ارتعاشی ناشی از زلزله نیز با کمک ساز و کارهای مختلفی جذب شده و از انتقال آن به سازه جلوگیری میشود. جداساز سامانه‌ای 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 مکان‌های نسبی جانبی در زمان تحریک زلزله از نظر اجرایی درست و امکان پذیر نیست. دو گروه اصلی از جداسازهای لرزه‌ای برای کنترل نیروی منتقل شده به روسازه در ساختما‌ن‌ها استفاده می‌شوند.

• ‌استفاده از جداسازهای لرزه‌ای لاستیکی برای افزایش دوره‌ی تناوب طبیعی سازه؛
• ‌استفاده از جداسازهای لرزه‌ای اصطکاکی و کنترل حداکثر نیروی منتقل شده به روسازه و استهلاک انرژی در محل جداساز.
• جداسازهای لرزه‌ای باید مقاومت لازم برای تحمل وزن سازه روی خود را داشته باشند. در عین حال جداسازهای لرزه‌ای لاستیکی باید در جهت افقی به اندازه‌ی کافی نرم باشند.

جداسازهای لرزه‌ای لاستیکی با ورقه‌های فولادی

جداساز‌های لاستیکی با ورقه‌های فولادی یکی از جداساز‌هایی هستند که نیاز به انتقال دوره‌ی تناوب طبیعی سازه و وظیفه‌ی جدا نمودن ارتعاش روسازه از بستر خود را برای مهندسان و طراحان برآورده می‌کنند. جداساز‌های لاستیکی با ورقه‌های فولادی از ورقه‌های نازک لاستیکی و فولادی که به ترتیب بر روی هم چیده شده و تحت فشار و حرارت  به شکل مجموع‌های متورق و یکپارچه در می‌آیند، تشکیل شده‌اند.

این جداساز‌ها که در ابتدا برای ایجاد انعطاف‌پذیری در پایه‌ی پل‌ها در زمان انبساط و انقباض آ نها استفاده شد، بعدها به منظور رفع مشکل ارتعاش ناشی از حرکت قطارهای زیرزمینی کارکرد مناسبی از خود نشان دادند.‌

انواع لاستیک مورد استفاده در جداساز های لاستیکی

لاستیک‌ها یا الاستومرها ترکیباتی از پلیمرها، فیلرها (پرکننده‌ها)، روغن، شتا‌ب‌دهنده‌ها، مواد ضد ازن، مواد دیرگیر و کندگیرکننده هستند که با هم مخلوط و توسط حرارت با هم ترکیب و ولکانیزه می‌شوند.

لاستیک‌هایی که بیش‌ترین کاربرد را در جداساز‌های لاستیکی دارند عبارتند از: لاستیک طبیعی، نئوپرن، بوتیل و نیتریل. همه‌ی 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 کرنش‌های زیاد سختی برشی لاستیک افزایش یافته و از تغییر مکان بی رویه به نحوی جلوگیری شود. البته این ویژگی را نباید به عنوان یک عامل ایمنی در برابر تغییر مکان های جانبی به هر مقدار در نظر گرفت.

نسبت میرایی به دست آمده از این جداساز‌ها بسیار کم و در محدوده‌ی ۲ تا ۴ درصد 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 میشود.

1. ‌سختی اولیه‌ی بیش‌تر؛
2. ‌تغییر شکل برشی کمتر.

استفاده از ورقه‌های 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 می‌نماید. این امر در کنار این مشکلات موجب افزایش هزینه‌ی ساخت و نصب آ نها میشود.

اخیرا روش‌هایی برای ساخت کم‌هزینه تر جداساز‌ها ارایه شده است. در یکی از این روش‌ها شبکه‌های الیافی جایگزین ورقه‌های فولادی شده و وزن این جداساز‌ها را به انداز‌ه‌ی قابل توجهی کاهش می‌دهند.

سختی افقی و قائم جداسازهای لرزه‌ای لاستیکی

در جداسازهای لاستیکی، مواد مصرفی برای تامین میرایی بر روی سختی جداساز اثر دارند. در زمان طراحی و ساخت باید به میزان مواد مصرفی و تاثیر آن‌ها توجه نمود. همچنین لازم است در زمان طراحی کنترل‌های لازم برای پرهیز از کمانش یا ناپایداری جداساز صورت پذیرد. جداساز‌های لرزه‌ای لاستیکی با ورقه‌های فولادی با استفاده‌ی مناسب از ویژگی‌های لاستیک، دارای سختی کم و قابلیت تغییر مکان زیاد در جهت افقی هستند. در حال حاضر این جداساز‌ها با سختی افقی حدود یک هزارم سختی عمودی خود هم تولید می‌شوند.

ساخت جداسازهای لرزه‌ای لاستیکی با ورقه‌های فولادی

جداسازهای لاستیکی با ورقه‌های فولادی به دو روش سرد و گرم ساخته می‌شوند. روش گرم در حال حاضر بیش‌تر از روش سرد مورد استفاده قرار می‌گیرد. در روش سرد ، ورقه‌های لاستیک با چسب به ورقه‌های فولاد چسبانده شده و برای خشک شدن کامل چسب در دمای معمولی یا دمای بالا (توسط تجهیزات گرمادهی) نگهداری می‌شوند. پس از خشک شدن چسب در بین لایه‌ها، مرحله‌ی دوم اجرا میشود. در مرحله‌ی دوم یک لایه‌ی لاستیک محافظ با چسب به دور جداساز چسبانده شده و دوباره فرایند خشک کردن این چسب انجام میشود.

لایه‌ی محافظ دوم به منظور حفظ ورقه‌های فولادی از دسترسی اکسیژن و سایر مواد خارجی و بروز خوردگی در فولاد است. در روش گرم، لاستیک پس از ترکیب مواد مختلف در حالی که هنوز به حالت نیمه مایع است، در بین ورقه‌های فولادی ریخته می‌شود. برای حفظ فاصله‌ی برابر بین ورقه‌های فولادی از پرچ، گو‌ه‌های فولادی یا پین‌هایی بین آن‌ها استفاده می‌شود. در این روش ورقه‌های فولادی از قبل با روشی مانند سند بلاست کاملا تمیز و آماده‌سازی شده و سطح آن‌ها چسب زده می‌شود. سپس مجموعه حرارت داده شده و تحت فشار قرار می‌گیرد تا لاستیک کاملا جوش خورده و چسب خشک شود. نتیجه‌ی این کار به دست آمدن قطعاتی بدون بخش‌های مجزا و کاملاً یکدست است که به کیفیت‌، طول عمر و عملکرد آ نها می‌افزاید.

رفتار جداسازهای لرزه‌ای در برابر بار جانبی و قائم

با تحت فشار قرار گرفتن جداساز لاستیکی، ورقه لاستیکی تمایل به تغییر شکل در جهت شعاعی و به سمت بیرون دارد. اما به دلیل ممانعت ورقه های فولادی قادر به این تغییر مکان نیست .  تنش فشاری در جداساز با توزیعی سهمی شکل دارای حداکثر مقدار خود در مرکز جداساز خواهد بود. این شرایط به دلیل اثر گیرداری ورقه‌های فولادی و ویژگی فیزیکی لاستیک (ضریب پواسن حدود ۰/۵) و در نتیجه‌ی آن‌ها بروز شرایط تنش فشاری سه محوری (فشار هیدرواستاتیکی) است. به این دلیل‌، وقتی جداساز تحت فشار قرار می‌گیرد، درصد الاستیسیته‌ی ظاهری جداساز، از درصد الاستیسیته‌ی ظاهری خود لاستیک بسیار بیش‌تر خواهد بود.

در زمان اعمال بار افقی به جداساز‌های لاستیکی با ورقه‌های فولادی، از آنجا که ورقه‌های فولادی تغییر شکل برشی ورقه‌های لاستیکی را محدود نمی‌کنند، تغییر شکل جداساز برابر با تغییر شکل برشی لاستیک شده و سختی افقی کمی را نشان می‌دهد. با بزرگ شدن تغییر شکل برشی، نیروی حاصل از تنش توزیع شده به سمت جداساز منتقل می‌شود اما تنش کششی به وجود آمده در سمت مخالف کوچک است. به دلیل اینکه در تغییر شکل‌های بزرگ هم در مرکز جداساز شرایط تنش فشاری سه محوری ادامه می‌یابد، علاوه بر حفظ قابلیت باربری میزان کاهش ارتفاع جداساز هم کمتر می‌شود. از این رو می‌توان گفت بخش مرکزی جداساز از نقطه نظر تحمل بار دارای اهمیت است.

عملکرد جداسازهای لرزه‌ای در برابر بارهای فشاری

در جداساز‌های لاستیکی با ورقه‌های فولادی با فرض یکسان بودن ارتفاع لایه‌ها، اگر ضخامت لایه‌های 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 رابطه‌ی خطی پیدا خواهند کرد. از سوی دیگر با ضخیم تر شدن ضخامت یک لایه‌ی لاستیک و کاهش ضریب شکل یک بعدی، سختی قائم کاهش یافته و جداسازقادر به کاهش اثر نیروها در جهت قائم میشود.

عملکرد جداسازهای لرزه‌ای در برابر بارهای کششی

این جداساز ها در مقابل نیروی کششی رفتاری دو خطی از خود نشان می‌دهند. 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 حفره‌هایی در بین لایه‌های لاستیک و فولاد پدید می‌آید. بروز این حفره‌ها موجب کاهش میزان سختی قائم در جهت فشاری تا حد ۵۰ درصد میزان اولیه می‌شود. از این رو تحت کشش قرار گرفتن این جداساز‌ها اثر منفی بر روی آن‌ها داشته و توصیه نمی‌شود. آزمایش‌های انجام شده هم حداکثر میزان قابل قبول تنش کششی بر روی این تجهیزات را در حد کمتر از ۱۰ تا ۲۰ کیلوگرم بر سانتی متر مربع نشان داده است.

عملکرد جداسازهای لرزه‌ای در برابر بارهای فشاری و برشی

جداسازها باید ضمن تحمل وزن سازه در شرایط عادی، با نشان دادن سختی کم و تغییر مکان قابل توجه در زمان زلزله، نیروی موثر زلزله بر سازه را کاهش دهند. در زمان زلزله با به وجود آمدن لنگر واژگونی در سازه و ارتعاش غیر یکنواخت پی، تنش‌های فشاری اضافی در جداساز به وجود می‌آید. در این حال لازم است تا به منظور حفظ باربری و پایداری جداساز‌ها، تحلیل، طراحی و ساخت این تجهیزات به گونه‌ای صورت پذیرد که تغییرات تنش فشاری تاثیری بر روی باربری نیروی برشی آ نها وارد نکند. برای این منظور انتخاب ابعاد و مصالح مناسب برای جداساز ضروری است.

افزایش تغییر شکل برشی جداساز باعث بروز پدیده‌ی سخت شدگی در رفتار نیرو – تغییر شکل جداساز می‌شود. اگرچه این پدیده ممکن است موجب کاهش تغییر شکل ایجاد شده در جداساز شود، اما در عین حال نیروی منتقل شده به سازه و در نتیجه پاسخ طبقات افزایش می‌یابد. از این رو مطلوب است تا در زمان طراحی، تغییر شکل طراحی جداساز در محدود‌ه‌ی خطی تعیین شود.

جداساز‌های لاستیکی با هسته‌ی سربی

این جداساز شامل یک هسته‌ی سربی است که در داخل جداساز لاستیکی محصور شده است. همان طور که ذکر شد، جداسازهای لاستیکی قادر به تامین میرایی زیاد و جذب انرژی مناسب نیستند. هسته‌ی سربی در جداساز‌های لاستیکی با تسلیم شدن در زمان ارتعاش، میزان میرایی را از حدود ۳ درصد میرایی بحرانی در جداساز‌های لاستیکی به چیزی در حدود بیش از ۱۰ درصد می‌افزاید. همچنین هسته‌ی سربی با تامین سختی اولیه‌ی کافی، سازه‌ی جداسازی شده را در برابر بارهای جانبی ضعیف مانند باد یا زلزله‌های خفیف مقاوم می‌کند.‌ دلیل انتخاب سرب برای این جداساز این است که فلز سرب دارای ساختمانی کریستالی است. ساختار کریستالی سرب با تغییر مکان تغییر می‌کند اما بلافاصله با برگشت تغییر مکان به حالت اولیه بازگشته و به این ترتیب تسلیم‌های متوالی تحت بارهای ارتعاشی دینامیکی جانبی باعث به وجود آمدن پدیده‌ی خستگی در آن نمی‌شود.

جداساز‌های اصطکاکی

در این نوع از جداسازی، روسازه اجازه می‌یابد تا در زمان رخداد زلزله‌های نسبتاً بزرگ بر روی جداساز بلغزد. سازه به محض تجاوز نیروی برشی در طبقه‌ی جداسازی شده از میزان نیروی اصطکاکی در نظر گرفته شده برای جداساز‌ها بر روی آن‌ها شروع به لغزش می‌کند و به این ترتیب از ارسال نیروهای لرزه‌ای بزرگ به سازه جلوگیری می‌شود. در این حال نیروی اصطکاکی به وجود آمده در جداساز‌ها در مقابل نیروی محرک زلزله عمل کرده و انرژی جنبشی را مستهلک می‌کند. در مواردی که از این نوع جداساز‌ها به تنهایی استفاده می‌شوند‌، سامانه‌ی جداسازی به محتوای فرکانس موجود در ارتعاش تحریک حساس نبوده و موجب تشدید مولفه‌های خاصی از آن نیز نمیشود. در این حالت شتاب موجود در طبقه‌ی جداسازی متناسب با ضریب اصطکاک در نظر گرفته برای جداساز‌ها خواهد بود. از این رو با کاهش ضریب اصطکاک می‌توان 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 جداساز‌ها از خود نشان داده‌اند. هر چند کاهش ضریب اصطکاک به هر میزان دلخواه به معنای افزایش تغییر مکان به وجود آمده در تراز جداسازی است.

جداساز‌های لاستیکی با میراگرهای فولادی در محل جداسازی برای ایجاد نیروی بازگرداننده در سامانه‌های مجهز به جداسازهای اصطکاکی، استفاده‌ی همزمان از جداسازهای لاستیکی پیشنهاد می‌شود. در این حالت نیروی بازگرداننده در سامانه توسط جداساز لاستیکی و فرایند استهلاک انرژی به کمک جداساز اصطکاکی تامین می‌شود. در زمان ایجاد مدل عددی برای رفتار سامانه‌ی مورد نظر باید به نحوه‌ی ترکیب این دو رفتار توجه شود.

جداساز‌های الاستیک اصطکاکی

این جداساز‌ها شامل چندین لایه‌ی اصطکاکی پوشیده شده با تفلون است که با هم و با یک هسته‌ی لاستیکی در تماس هستند. هسته‌ی مرکزی لاستیکی نیروی بازگرداننده را در مجموعه به وجود می‌آورد و اصطکاک بین صفحات باعث از بین رفتن انرژی ارتعاشی می‌شود.