مطالعه ابزارهاي جداكننده ساختمان از زمين

باگسترش روش جداسازى ساختمان از زمين براى محافظت آن در مقابل حركات ناشى از زمين لرزه در سالهاى اخير سيستمهاى گوناگونى طراحى و ساخته شده است . در اين گزارش انواع سيستمهاى موجود بطور خلاصه مورد بررسى قرار مىگيرد. براى كسب اطلاعات بيشتر و نيز آشناى با اصول كار اين سيستمها خوانندگان مىتوانند به منبع اين مقاله مراجعه كنند .

1- عناصر سيستم جداساز

هر شيوه جداسازى ساختمان بايد بتواند اهداف زير را تأمين كند:

توانايى در ايجاد انعطاف پذيرى مناسب براى سازه

كاهش تغيير مكان كف به منظور افت خرابيهاى سازه اى و غيرسازه اى

كاهش فركانس ارتعاشي سازه

كاهش نيروهاى طراحى زلزله

به اين منظور سه عنصر اساسى زير در سيستم مورد نظر قرار مىگيرد:

1-يك تكيه گاه انعطاف پذير براى افزايش زمان تناوب سازه و در نتيجه كاهش نيروها

2-يك مستهلك كننده يا جاذب انژرى براى كنترل تغيير مكان نسبى سازه و زمين در حد طراحى عملى

3-يك سيستم ايجاد كننده صلبيت در برابر بارهاى كم اثر نظير باد يا زلزله هاى كوچك

2-سيستمهاى جداسازى

يكى از سيستمهاى ساده و معمول جداكننده تكيه گاههاى لاستيكى است .كاربرد لاستيك براى مهار ارتعاش عمودى بسيار زودتر ازكاربرد آن به صورت جداكننده نيروهاى افقى انجام يافت . امروزه با مسلح كردن لاستيك به ورقه هاى فولادى سختى قايم آن را افزايش مىدهند در حاليكه انعطاف پذيرى آن در امتداد افقى حفظ مىشود. نمونه اى از اين سيستم در شكل 1 نشان داده شده است . مدل رياضى اين سيستم با عملكرد موازى فنر و ميراكننده قابل بيان است .

استفاده از لاستيك براى ساختمانهاى سخت نظير ساختمانهاى اجرى يا بتن غير مسلح كه حداكثر 7 طبقه باشند , بخاطر نداشتن فشار برخاستى (Uplift) مناسب است . گاهي اين سيستم را با يك سيلندر سربي مركزي همراه مىكنند. هسته سربي افزايش قابل توجهى در استهلاك ايجاد مىكند , بطوريكه استهلاك بحرانى لاستيك از حدود 3 درصد به 10 تا 12 درصد مىرسد . ضمن اينكه مقاومت در برابر نيروهاىكوچك , نظير باد افزايش مىيابد .

امروزه لاستيكهاى اين جداسازها , از لاستيك طبيعىكاملاً متراكم با خواص مكانيكى مطلوب , جهت چنين سيستمى ساخته مىشود . براي كرنشهاىكم سختى برشى اين لاستيكها زياد است , اما با نسبتى در حدود 4 به 5 با افزايش كرنش كاهش مىيابد, تا اينكه دركرنش برشى 50 درصد به حداقل خود برسد. براىكرنشهاى بزرگتر از 100 درصد سختى مجددا شروع به افزايش مىكند. پس در بارهاىكوچك ناشى از باد يا زلزله خفيف , سيستم داراى سختى بالا و زمان تناوب كوتاه است ولى با افزايش شدت بار , سختي افت مىكند. براى بارهاى خيلى زياد نظير زلزله نيز طراحى سازه به گونه اى است كه افزايش مجدد سختى , در جهت افزايش ايمنى در برابر شكست , عمل مىكند. تغيير ميراى سيستم نيز به همين شيوه اما با تغييرات كمتر مىباشد , بطوريكه از يك مقدار اوليه در حدود 20 درصد تا حداقل 10 درصد كاهش مىيابد و سپس مجددا زياد مىشود. در طراحى سيستم , مقدار سختى و ميراى حداقل فرض مىشود و طيف خطى در نظر گرفته مىشود. سختى بالاى اوليه فقط براى بارهاى طراحى باد , و سختى دركرنش زياد , فقط براي ايمنى در برابر شكست مورد نظرند .

عوامل گوناگون ديگرى از جمله خزش كم و حفظ خواص در درجه حرارتهاى پايين نيز در طرح اين لاستيكها مورد نظر است . خزش زياد منجر به تنش وكرنش موضعى بالا در لاستيك مىشود و در يك وضعيت بحراني مىتواند موجب انحراف ساختمان گردد. از طرف ديگر در حرارتها و فركانسهاى بالاتر از معمول , حساسيت خواص به حرارت و سرعت بار باعث تغيير سختى و استهلاك مىشود. يك فرم ساده ديگر از سيستمهاى جداكننده سيستم اصطكاكى است . اين سيستم در حالت ساده با يك عنصر اصطكاكى مدل مىشود (شكل 2). با وجود كارهاى تحليل نظرى فراوانى كه بر روى اين سيستم انجام شده است , ازمايشهاى عملى براى ان بويژه در مقياش بزرگ و با استفاده از ميز لرزان بسيار كم انجام گرفته است . اين سيستم براى خانه سازى ارزان قيمت بسيار مناسب است زيرا نياز به تكنولوژي پيشرفته يا مهارت ويژه براى يك ساختمان معمولى ندارد. به همين دليل براى مثال در چين انتخاب شده است . ايجاد اين سيستم نياز به تأمين يك لايه جداساز در زير كف سازه دارد. اين لايه در چين با استفاده از ماسه تجربه شده است . ساختمانهاى آجرى يا بلوكهاى سيمانىكه نسبتاً سخت و سنگين است و مستعد خرابى در اثر زمين لرزه مىباشد مىتواند با حضور اين لايه لغزنده عملكرد خوبى داشته باشد .

استفاده از عنصر اصطكاك كه يك عامل خوب استهلاك انرژى است باعث شده است تا در سيستهاى لاستيكى نيز تحولى ايجاد شود يك شيوه تحول يافته جايگزين كردن لايه هاى لاستيك با لايه هاى با روكش تفلون است كه مىتواند در تماس اصطكاكى با هم قرار گيرد . در وسط نيز يك سيلندر مركزى لاستيكى قرار داده مىشود . بنابراين , مدل رياضى اين سيستم از تركيب موازى عناصر اصطكاكى , با فنر و ميراكننده بدست مىايد (شكل3)

مشابه اين سيستم توسط Electricite de France طراحى شده است . به اين ترتيب كه بدنه جداكننده از ورقه هاى نئوپرن مسلح شده با فولاد , ساخته مىشود و در يك ورقه الياژ سرب – برنز , قرار داده مىشود . اين صفحه با يك ورقه فولادىكه در سازه , تعبيه مىشود تماس اصطكاكى ايجاد مىكند . بنابراين سيستمهاى اصطكاكى و الاستيك بطور سرى با هم تركيب مىشوند. فلسفه طراحى چنين سيستمى اينست كه در زلزله هاى ضعيف انعطاف پذيرى جانبى ورقه هاى نئوپرن وارد عمل شود. اما در يك زلزله شديد عملكرد اصطكاكى ورقه بالاى جداكننده , با محدودكردن نيروى منتقل شده , سازه را حفظ نمايد. ( شكل 4 )

در نوع ديگر تكيه گاههاى الاستيك كه در نيوزلند بكار رفته است هسته سربي براى ميراكردن انرژى مطرح مىشود. اين سيستم از تكيه گاه لاستيكى لايه لايه با يك سيلندر مركزى تشكيل شده است و انعطاف پذيرى جانبى آن توسط لاستيك تأمين مىشود. در مدل رياضى چنين سيستمى يك عنصر هيسترتيك با فنر و ميراكننده بطور موازى عمل مىكند. (شكل 5)

يكى ديگر از سيستمهاى پشتيبانى شده اخير تركيب جديدى از عملكردهاى اصطكاكى و الاستيك است . در اين سيستم ورقه هاى باروكش تفلون جايگزين ورقه هاى نئوپرن سيستم Electricite de France مىگردد. به اين ترتيب مىتوان گفت كه يك عنصر اصطكاكى در تركيب سرى با عناصر سيستم لايه هاى روكش تفلون قرار مىگيرد. حضور دو عنصر اصطكاكى در اين سيستم غالباً عملكرد بهترى نسبت به سيستمهاى قبلى نشان داده است . (شكل 6)

سيستمهاى مشابه ديگرى نيز بر پايه مسيستهاى بالا طراحى شده است ولى اغلب انها رفتار جديدى ارائه نمي كند و با مدلهاى بيان شده قابل تعريف است . براى مثال به منظور جداكردن تجهيزات داخلى ساختمان از يك سيستم فنر مارپيچ و يك ميراكننده ويسكوز استفاده مىشود كه در واقع همان عملكرد تكيه گاه الاستيك را دارد. همچنين از انجا كه در سيستمهاى اصطكاكى , نيروى برگرداننده به حالت اوليه پس از يك زلزله , وجود ندارد سيستمهاى اصطكاكى اونگى طراحى شده است كه در انها با استفاده از يك نيمكره اين نيروى جانب مركز تأمين میشود.(شكل 7)

فريبرز محمدي تهراني سمينار كارشناسي ارشد