Articles

(ترجمه و گردآوری توسط تیم تحقیق و توسعه شرکت بهساز اندیشان تهران)

جداساز یا جداگر‌های لرزه‌ای تجهیزات کنترل لرزه ای هستند که در جداسازی سازه و یا طبقاتی از سازه از زمین به منظور کاهش نیروی لرزه‌ای وارده در زمان رخداد زلزله استفاده می گردد. جداسازهای لرزه‌ای جایگزین اتصال صلب ساختمان به تکیه‌گاه آن یعنی فونداسیون می‌شوند. جداگر‌های لرزه‌ای اتصالی انعطاف پذیر و کماکان مقاوم را در برابر زلزله بوجود می آورند که باعث تمرکز جابه‌جایی ساختمان در تراز جداسازی شده و در عوض از جابجایی طبقات سازه در زلزله کاسته میگردد و باعث عدم وارد شدن تغییر شکل و نیروی زیاد به المانهای سازه‌ای و اجرای غیر سازه‌ای می شوند. این امر به ارتقای عملکرد لرزه‌ای سازه و کاهش فوق العاده خسارت در سازه منجر می‌شوند و به همان نسبت نیز ساکنین و تجهیزات داخل ساختمان نیز به مراتب سطح بالاتری از ایمنی در مقابل زلزله را تجربه می‌کنند.

جا به جایی سازه جداسازی شده و سازه سنتی بدون جداساز

در صورت وقوع زلزله، با عدم جابه‌جایی زیاد سازه و در عوض ایجاد تغییر شکل عمده در لایه ی نرم ایجاد شده توسط جداگر ها، عمده تغییر شکلها در تکیه‌گاه رخ می دهد و سازه مانند جسم صلب با تغییر شکلهای کوچکی ارتعاش می کند. نصب جداگر در سازه های کوتاه با افزایش پریود کلی ساختمان باعث کاهش نیروی وارده و برش پایه سازه و همچنین شتاب وارده در زلزله می شود. به عبارت ساده‌تر لایه نرم موجود ( جداساز ) با تغییر شکل زیاد خود عملا نیروی چندانی را به سازه ی روی خود وارد نمی نماید و به جای آنکه نیروی زلزله وارد سازه شده و تمهیداتی برای آن درنظر گرفته شود، در این حالت از ورود نیروی زلزله به سازه جلوگیری شده و نیروی زلزله در تراز جداساز میرا می شود. 

پاسخ لرزه‌ای سازه جداسازی شده و سازه سنتی بدون جداساز

در تصویر بالا میزان شتاب و دریفت هر طبقه در سازه جداسازی شده و سازه سنتی بدون جداسازی تحت زلزله EL-CENTRO نشان داده شده است. با جداسازی سازه در تراز فونداسیون، شتاب ناشی از زلزله در طبقه اول از cm/sec²ا254 به cm/sec²ا153 کاهش پیدا کرده است که در حدود 40 درصد کاهش می باشد و دریفت طبقه اول از cmا0.287 به cmا0.049 کاهش یافته است که در حدود 80 درصد کاهش می‌باشد که تغییر قابل ملاحظه‌ای است. این کاهش شتاب و جا‌به‌جایی در طبقه آخر به ترتیب به 85 درصد و 84 درصد میرسد که بسیار قابل توجه می‌باشد.
همانگونه که در طیف طرح استاندارد (مطابق آیین نامه 2800) نیز مشخص است، افزایش پریود سازه‌های کوتاه، از حدودا زیر یک ثانیه به بالای 2 یا 3 ثانیه سبب کاهش نیروی طیفی وارد به سازه می گردد.

طيف استاندارد به استناد استاندارد 2800 ویرایش چهارم

برای مثال در طیف استاندارد نشان داده شده برای زمین نوع III در پهنه با خطر نسبی زیاد، در پریود 0.5 ثانیه شتاب مبنای طرح cm/sec²ا808.5 می باشد در حالیکه در پریود 2 ثانیه به cm/sec²ا264.6 کاهش می یابد که موید توضیحات داده شده است.

جداسازی برای سازه‌های بلند که دارای پریود زیادی می‌باشند نیز امکان‌پذیر است و کماکان دارای اثرات مثبت در کاهش شتاب و جا‌به‌جایی خواهد بود. لیکن با توجه به از دست دادن مزیت شیفت پریودی به نسبت سازه‌های کوتاه، مزایای استفاده از جداسازها در سازه‌های بلند کمتر از سازه‌های کوتاه و مسائل و پیچیدگی‌های فنی و تبعات اقتصادی آن بسیار بیشتر از سازه‌های کوتاه خواهد بود.
در مورد سازه‌های بلند استفاده از جداسازی با حساسیتها و پیچیدگیهای بسیار بیشتری همراه است که لازم است طراحان تخصص و توجه ویژه ای برای طراحی ایمن این نوع سازه ها داشته باشند. خصوصا در نواحی نزدیک به گسل و یا در خاکهای نرم در مقابل زلزله های قوی دوردست، عدم قطعیتها در رفتار سیستم لرزه ای سازه های بلند مرتبه بسیار بیشتر بوده و گاها در صورت طراحی صحیح می تواند منجر به غیر اقتصادی شدن زیاد طرح گردد و یا در صورت عدم توجه به حساسیتها و طراحی نامناسب سبب کاهش ایمنی سازه گردد.

تاریخچه جداسازی پایه:

ایده جداسازی لرزه‌ای پایه سازه‌ها به عنوان یک روش برای تجهیز سازه‌ها در برابر زلزله از قرن گذشته توسط افراد مختلف بیان شده است. از جمله اولین تحقیقات در زمینه جداسازی لرزه‌ای تحقیقات جان میلن انگلیسی می‌باشد. جان میلن در دانشگاه توکیو یک نمونه آزمایشگاهی از یک ساختمان جدا شده را با قرار دادن آن برروی گوی‌های چدنی و شمع‌هایی با لبه گرد، مورد آزمایش قرار داد. در سی سال اخیر با گسترش جداسازهای چند لایه الاستومری، جداسازی لرزه‌ای به یک واقعیت عملی و کاربردی تبدیل شده است.
نخستین مورد استفاده از یک سیستم جداساز لاستیکی برای تجهیز ساختمان‌ها در برابر زلزله، در سال ۱۹۶۹ در ساختمان یک مدرسه ابتدایی در اسکوپیه یوگسلاوی سابق می باشد. مدرسه پستالوزی یک ساختمان سه طبقه بتنی است که به وسیله مهندسین سوئیسی طراحی و ساخته شده و با سیستمی معروف به جداسازی پایه کامل سه بعدی سوئیسی جداسازی شده است. جداسازهای لاستیکی مورد استفاده در این مدرسه بر خلاف نمونه های جدید امروزی، بدون لایه های فولادی میانی بوده و در نتیجه به دلیل وزن ساختمان، در حالت سکون نیز دارای کرنش جانبی می باشند. پس از آن در سراسر جهان نوآوری های ارزشمندی در این زمینه معرفی گردید و در بسیاری از سازه‌های جهان انواع جداسازهای لرزه ای به عنوان روشی مقبول بکار گرفته شده است. 

جداساز‌های الاستومری به کار رفته در بیمارستان Del Mare ایتالیا (برگرفته از سایت شرکت FIP ایتالیا)

انواع جداسازهای لرزه ای

• جداسازهای الاستومری ( لاستیکی ) با میرایی کم، (NRB (Natural Rubber Bearing
• جداسازهای الاستومری ( لاستیکی )  با میرایی زیاد، HDRB (High Damping Rubber Bearing)
• جداسازهای الاستومری با هسته سربی ( لاستیکی با هسته سربی )، (LRB (Lead Rubber Bearing
• جداسازهای اصطکاکی پاندولی، (FIP ( Friction Isolation Pendulum
• جداسازهای لغزشی فلزی (Steel Slider Bearing)

عملکرد و کاربرد هریک از جداسازهای فوق در کنترل لرزه و ارتعاشات متفاوت می باشند. در ادامه تعدادی از پر کاربردترین جداسازها معرفی میگردند.

 

جداساز های الاستومری (لاستیکی) NRB و HDRB (Natural Rubber Bearing و High Damping Rubber Bearing )

این جداساز های لرزه ای از لایه های ورقه ای فولادی و لاستیک به صورت یک در میان ساخته شده است. این جداسازها با داشتن سختی جانبی پایین و سختی محوری مناسب باعث افزایش پریود سازه شده و انرژی ورودی به سازه را کاهش می دهد. جداساز ها می بایست از لاستیک طبیعی ساخته شده باشند که در این صورت دارای کیفیت مطلوب می باشند و دارای ماندگاری و پایداری نسبتا مناسبی در برابر عوامل مخرب طبیعی می باشند. این جداسازها میرایی محدودی دارند. جداسازهای لاستیکی با میرایی بالا نسل جدیدتر این جداسازها می باشند که همانند جداسازهای NRB از لاستیک طبیعی ساخته شده اند. لیکن با استفاده از روشها و مواد خاص میرایی لاستیک مورد استفاده افزایش می یابد و عملکرد مناسب تری در زلزله ایجاد خواهد نمود. لایه‌های لاستیک باعث انعطاف‌پذیری جانبی تکیه‌گاه جداساز می‌شوند، در حالی که ورق‌های فولادی به منظور پشتیبانی از بارهای محوری بزرگ سختی قائم را افزایش می‌دهند و از بروز کرنش جانبی لاستیک جلوگیری می‌کنند و سختی قائم را به مقدار زیادی افزایش میدهند، اما تأثیر قابل ملاحظه‌ای بر سختی افقی سیستم که به وسیله مدول برشی پائین لاستیک کنترل میشود، نخواهند داشت. رفتار جداساز در برش تا کرنش هایی بیش از 100% کاملاً خطی است و میرایی جداساز با میرایی کم در حدود 2 تا 3 درصد مقدار بحرانی و جداسازهای با میرایی بالا (HDRB) حدود 15 درصد می باشد.

جداساز های الاستومری (HDRB) به کار رفته در ساختمان مدیریت بحران - ایتالیا

جداسازهای الاستومری با هسته سربی شامل یک یا چند هسته سربی می‌باشد که در داخل جداساز لاستیکی محصور شده‌اند. وجود هسته سربی، میرایی جداساز را به نسبت جداسازهایی با میرایی کم به میزان قابل ‌توجهی افزایش داده و در نتیجه جذب انرژی در هنگام زلزله افزایش میابد. میزان انرژی میرا شده به واسطه تسلیم هسته ی سربی حدودا معادل میرایی ویسکوز 30 درصدی می باشد که به واسطه آن مقدار کاهش جابه‌جایی در این سیستم نسبت به سایر سیستم ها با سختی برابر بیشتر می شود. در این جداسازها نیز همانند سایر جداسازهای لاستیکی از ورقهای فولادی به صورت متناوب روی لاستیک استفاده می گردد. در نتیجه زمانی که جداساز و هسته سربی در برش دچار تغییر شکل می‌شوند، سختی الاستیک سرب سختی اولیه را ارائه می‌دهد (سرب بطور ابتدایی بسیار سخت است)، اما با افزایش بار جانبی هسته ی سربی تحت نیروهای نسبتاً کم تسلیم می‌شود و تقریباً بطور کامل رفتار پلاستیک خواهد داشت و با جاری شدن خود سبب اتلاف انرژی هیسترزیس می گردد و از آن لحظه به بعد سختی الاستیک جانبی به تنهایی توسط لاستیک ارائه می‌شود. میزان میرایی این جداسازها از جداسازهای HDRB بیشتر است. از لحاظ اقتصادی این جداسازها از جداسازهای HDRB دارای قیمت بیشتری می‌باشد و در صورت وقوع زلزله امکان کنترل وضعیت هسته‌ی سربی درون آنها وجود ندارد. با توجه به توضیحات ارائه شده می‌توان به سه ویژ‌گی اصلی تکیه‌گاه‌های جداساز لرزه‌ای شامل: (۱) انعطاف‌پذیری جانبی، (۲) اتلاف انرژی و (۳) وجود یک سختی اولیه تحت بارهای جانبی پایین اشاره کرد‌ که این سه ویژگی بطور قابل توجهی عملکرد تکیه‌گاه‌های جداساز لرزه‌ای را تحت تأثیر قرار می‌دهند. جداسازهای شرکت های قابل اعتمادی همچون FIP ایتالیا، ISAT آمریکا و ... ضمن اینکه تمام ضوابط آیین نامه های معتبر بین المللی را برآورده می نمایند، به علت تجربه طولانی این شرکتها و اطمینان از کیفیت مناسب جداگرها خصوصا در بازه های زمانی طولانی مدت بسیار حائز اهمیت می باشد و کنترل های داخلی کیفیت مواد و ساخت تمام جزییات این مهم را تضمین می نماید. 

جداساز های الاستومری با هسته سربی به کار رفته در ایستگاه مرکزی قطار ADLER روسیه

جداساز های اصطکاکی پاندولی نوعی جداگر لرزه ای می باشد که برعکس جداساز‌های لاستیکی از فولاد و از نوع ضد‌زنگ ساخته می‌شوند و  بواسطه هندسه خاص خود، نیروی بازگرداننده ای را برای باز گرداندن سازه به حالت اولیه خود پس از ارتعاش فراهم می کند. در جداسازهای لاستیکی این نیرو توسط سختی جانبی تامین می گردد. برخی از ویژگی های این جداسازها به شرح زیر است: 

• انرژی میرا شده در این جداسازها ناشی از اصطکاک بین صفحات منحنی شکل این جداسازها در هنگام حرکت می باشد.  انواع مختلف این جداسازها در شکل زیر نشان داده شده است.

• جداسازهای اصطکاکی پاندولی در مدلهای یک, دو و سه انحنایی طراحی و تولید می گردند.
• جداسازهای اصطکاکی پاندولی دو انحنایی ابعاد کوچکتری نسبت به تک انحنایی دارند.
• جداسازهای اصطکاکی پاندولی دو انحنایی دارای پیچیدگی‌های رفتاری کمتری نسبت به مدل سه انحنایی دارند.
• این جداسازها به دلیل صفحات منحنی شکل خود نسبت به جداسازهای لغزشی عادی دارای مزیت Re-centering می باشد.
• مشخصات رفتاری این جداسازها وابستگی کمی به شرایط محیطی دارد.

این جداسازها در سالهای اخیر با توجه به مزایای خاص خود، مورد اطمینان بیشتری از سوی مهندسین قرار گرفته اند. برخی از مزایای این جداگر ها نسبت به جداسازهای لاستیکی به شرح زیر می باشد:

• خرابی کلی در جداساز در صورت رخداد آتش سوزی ایجاد نمی گردد.
• دارای عمر سرویس دهی بالایی می باشد.
• پریود سازه جداسازی شده در جداسازهای اصطکاکی پاندولی به شعاع انحنای جداساز وابسته بوده و مستقل از جرم سازه می باشد.

در این جداسازها عملا مرکز سختی و مرکز جرم برهم منطبق خواهند شد زیرا سختی جداساز ناشی از اصطکاک می باشد که اصطکاک نیز تابعی از نیروی قائم بر سطح ناشی از جرم روی جداساز خواهد بود. در نتیجه عملا پیچش سازه حذف خواهد شد که مزیت بسیار بزرگ این جداسازها نسبت به جداسازهای لاستیکی می‌باشد.

نکته حائز اهمیت دیگر این است که در بسیاری از موارد قیمت تمام شده این سیستم نسبت به جداسازهای لاستیکی کمتر خواهد بود.

جداساز های اصطکاکی پاندولی به کار رفته در بیمارستان Kahramanmaras Elbistan ترکیه

نخستین و ساده ترین جداساز پیشنهاد شده، یک سیستم لغزنده خالص بوده است. 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. 
در نمونه‌های جدیدتر این تکیه‌گاهها، سطح لغزش از مواد خاص با مشخصات متفاوتی از تفلون تشکیل شده است که سبب بهبود رفتار این تکیه گاه می گردد. این تکیه گاهها اغلب در پلها مورد استفاده قرار می گیرند. با توجه به کاربری و شرایط تکیه‌گاهی پل‌ها انواع سیستم‌های تکیه‌گاهی با قابلیت انتقال نیروهای افقی و قائم و یا با قابلیت دوران بین عرشه و پایه‌ها‌ی پل وجود دارد. تولید کننده‌های معتبری همچون FIP ایتالیا می‌توانند انواع سیستم‌های جداساز ترکیبی همراه با shock transmitter، میراگر ویسکوز و جداسازهایی با قابلیت تحمل نیروی برکنش و قابل تنظیم ارتفاع تولید و اجرا نمایند.

تکیه گاه های لغزشی به کار رفته در پل Sheikh Zayed - امارات متحده عربی

همچنین بخوانید:

سیستم های کنترل لرزه و ارتعاشات
میراگر چیست؟
بزرگترین پلهای دنیا مجهز به سیستم های کنترل لرزه ای
اجرای تاسیسات در محل جداسازی سازه ها