تحقیق سیستم های کنترل فعال و غیر فعال سازه

مقدمه :
امروزه حفظ عملکرد سازه و امنیت آن در برابر حوادث طبیعی نظیر زلزله و بادهای شدید از دغدغه های بزرگ مهندسین است ، این امر با روند بلند مرتبه سازی و ساخت و ساز در مناطق زلزله خیز اهمیت فوق العاده ای پیدا کرده است ، به همین دلیل در سالهای اخیر تحقیقات زیادی در مورد کنترل سازه ها انجام شده است روشها و سیستم های گوناگونی برای کنترل سازه وجود دارد (Housner et. Al.) که شامل کنترل های فعال، نیمه فعال وغیر فعال سازه و . . . می شود در این بین سیستمهای غیرفعال به دلیل ساده بودن سیستم کم هزینه بودن و عدم نیاز به انرژی خارجی کاربرد عملی بیشتری پیدا کرده است از آنجایی که خصوصیات سازه ای سیستم های غیر فعال ثابت است و قابلیت تغییر و هماهنگی با شرایط بخصوص در برابر زلزله را ندارد، طراحی این سیستم نیازمند دقت بیشتری است . در عین حال قابلیت کنترلی کمتری نسبت به سیستم های دیگر دارند . چون این سیستم ها به علت عدم استفاده از انرژی خارجی کارایی کمتری دارند علاوه بر این مساله سیستمهای غیر فعال تنها برای تحریک های خاصی که طراحی شده اند کاربرد دارند وبرای انواع دیگر تحریک چندانی ندارند درحالیکه سیستم های فعال پاسخ بهتری در برابر تحریک های گوناگون از خود نشان می دهند اولین کاربرد سیستم های فعال در سال 1989 شروع شد که این سیستمهای فعال بسیار پیچیده هستند و نیاز به توان محاسباتی بالایی می باشند در حال حاضر ساختمان های بسیاری در کشور موجود هستند که به دلایل مختلف نیاز به اقدامات لازم برای بهسازی لرزه ای در آنها وجود دارد. ضروریست که پیش از بروز هر گونه خسارت و آسیبی، سطح مقاومت ساختمان مشخص و برای احتراز از آن تمهیدات لازم پیش بینی گردد و یا هنگام ساخت سازه مقاوم سازی هم انجام شود . روش های مختلفی مانند تقویت اعضاء ساختمان ازجمله تقویت ستون ها، پی ها، تیرها، اتصالات و. . . ، همچنین استفاده از سیستم های کنترل لرزه ای در بهسازی لرزه ای به کار برده می شوند

مفهوم کنترل ارتعاش سازه :
به معنی کنترل رفتار سازه در برابر نیروهای جانبی می باشد به طوری که جواب سازه از حد معینی فراتر نرود و سلامت سازه دچار تهدید نشود. اعمال نیرو به سازه ارتعاش طبقات می باشد و طراحی مقاوم سازه در برابربارهای وارده به آن باید به نحوی صورت گیرد که ارتعاشات و نیروهای ایجاد شده ناشی از آن در اعضای سازه ای و غیر سازه ای با تامین ایمنی و آرامش لازم برای کاربرد مورد نظر تحمل شوند مهم ترین معیار طراحی مقاوم یک سازه به خصوص طراحی مقاوم لرزه ای ، معیار تغییر مکان نسبی طبقه است که (تغییر مکان نسبی یعنی : تغییر جانبی یک کف نسبت به کف پایین ) و بقیه پارامترهای طراحی نظیر برش طبقه ، و نیروهای داخلی اعضا به طور مستقیم با آن ارتباط دارند ، چنانچه بتوان انرژی وارد ه به سازه را به نحوی کاهش داد که حداقل تغییرمکان نسبی در طبقات سازه حاصل شود ، نیاز مقاومت در اعضاء کاهش می یابد ومی توان بر اساس آن، نسبت ظرفیت به نیاز را به صورت تئوری برابر یک کرد.
انواع سیستم سازه ای :

سیستم قاب ساختمانی ساده (Building Frame System)
سیستمی که درآن بارهای قائم به طور عمده توسط قاب های فضایی ساده تحمل می شود و مقاومت در برابر نیروهای جانبی با دیوار برشی ویا قاب های مهار بندی شده تامین می شود
سیستم قاب خمشی( Moment Resistant Frame)
به دو صورت : 1 – سیسیتم قاب خمشی معمولی : قابی است خمشی که دارای جزئیات خاص برای رفتار شکل پذیر نمی باشد
2 – سیستم قاب خمشی ویژه : قابی خمشی که دارای جزئیات خاص برای رفتار شکل پذیر می باشد

سیستم دوگانه ای یا ترکیبی( Dual System)
سیستمی است متشکل از قاب خمشی ویژه یا متوسط همراه با دیوار برشی یا مهار بندی ها برای مقاومت در برابر نیروهای جانبی ، در این سیستم بخش عمده بارهای قائم به وسیله قابها تحمل شده و بارهای جانبی با مجموعه دیوارهای برشی و مهار بندها و قابها به نسبت سختی جانبی هریک تحمل می شوند

سیستم دیوارهای باربر ( Bearing Wall System)
سیستم سازه ای است که فاقد یک قاب فضایی کامل برای بردن بارهای قائم می باشد .
دیوارهای باربر ویاسیستم مهاربندی عمده بارهای قائم را تحمل می کنند ، مقاومت در برابر نیروهای جانبی با دیوارهای برشی و یا قابهای مهار بندی شده تامین می شود

راه حل های کلی مقابله در برابر زلزله :
بخش قابل توجهی از ساختمانهای کشور مقاومت لازم را در دو راه حل کلی زیر پیدا کرده اند :
الف- تخریب و بازسازی اصولی و مطابق ضوابط و آیین نامه ها
ب- مقاوم سازی این نوع ساختمانها بدون تخریب آنها
روش های مقابله در برابر زلزله :
1 – روش تجهیزات جدا ساز لرزه ای و استهلاک انرژی
2- روش تقویت اعضا
1- روش تجهیزات جدا ساز لرزه ای و استهلاک انرژی :
به طور کلی روش های کنترل لرزه ای بر حسب نوع عملکرد به چهار گروه زیر تقسیم می شوند:

الف) جداسازی لرزه ای

ب) روش کنترل غیر فعال

ج) روش کنترل نیمه فعال

د) روش کنترل فعال
1- الف – استفاده از جداگر لرزه ای :
در مقابل زلزله به جای افزایش ظرفیت باربری سازه تحت اثر نیروهای جانبی می توان نیروهای وارد بر آنها را کاهش داد ، در این روش سازه از تکیه گاه خود جدا گردیده و بر روی تکیه گاهایی که قابلیت تغییر شکل جانبی را دارند قرار می گیرد که در این وضعیت در صورت وقوع زلزله عمده تغییر شکل ها در تکیه گاه رخ داده وسازه مانند جسم صلب با تغییر شکل های کوچکی ارتعاش می کند نصب سیستم های جداگر لرزه ای منجر به افزایش زمان تناوب اصلی (T ) (بر اساس آیین نامه 2800 زلزله ص 20 به دست می آید )شده و باعث کاهش نیروهای وارد بر سازه می گردد که این روش برای ساختمانهای کوتاه و متوسط به دلیل پایین بودن زمان تناوب آنها موثر تر از ساختمان های بلند است
مزایای روش جداگر لرزه ای :
1-ایجاد انعطاف پذیری مناسب در سازه
2-کاهش تغییر مکان نسبی کف ها و پایین آمدن میزان خرابی های سازه ای و غیر سازه ای
3-کاهش فرکانس ارتعاش سازه و کاهش نیروهای طراحی زلزله
4-اشغال مساحت کمتری از ساختمان برای اجرای این طرح تقویت
5-مزاحمت کمتر برای ساکنین و عدم نیاز به تخلیه ساختمان.
6-نمای ساختمان محفوظ می ماند
توجه :
فرکانس ارتعاش سازه با استفاده از تحلیل دینامیکی به دست میآید ( استفاده از فرمول هلی مبحث ششم وآیین نامه 2800 زلزله و در دو راستای x و y بدست می آید)
با توجه به مزایای فوق می توان گفت که این روش برای ساختمان های کوتاه و متوسط ، نیروگاه های هسته ای، پل ها و بسیاری از ساختمان های صنعتی که جزو ساختمان های سخت به شمار می روند مناسب می باشد، زیرا نیروهای طراحی این قبیل سازه ها را کاهش می دهد
با نصب جداگر سازه دارای دو رفتار می شود :
1- افزایش زمان تناوب
2- افزایش میرایی
جداگرها باید به اندازه کافی سخت بوده تا تحت بارهای باد و زلزله های کوچک برای ساکنین ارتعاش های آزار دهنده ایجاد نکند
در استفاده از جداگرهای لرزه ای باید موارد زیر مورد توجه قرار گیرند :
الف – جداسازی از پایه برای ساختمان های سخت ترنتایج بهتری به دست می دهد ، در ساختمانهای با زمان تناوب کمتر از 1 ثانیه ، با نصب جداگر لرزه ای زمان تناوب اصلی سازه (T) به بیش از 2 ثانیه افزایش می یابد
ب – امواج زلزله در حین عبور از لایه های خاک فیلتر می شوند ، شتاب حرکت زمین در لایه های خاک سخت از مولفه های فرکانس بالا و در خاک های نرم از مولفه های فرکانس پایین تشکیل می شود از این رو در خاک های سخت جداگر لرزه ای بسیار کاربردی بوده ودر خاک های نرم از کارایی آن کاسته می شود اما در خاک های خیلی نرم به علت نزدیکی زمان تناوب سازه جدا شده به زمان تناوب حداکثر سازه جدا شده پاسخ سازه ، جداسازی نتیجه معکوس در پی خواهد داشت و باعث افزایش نیروهای وارده بر سازه می گردد

امواج زلزله :

انرژی آزاد شده در زلزله، بصورت امواج در زمین منتقل گردده و باعث تحریک سازه های دور از کانون زلزله میشود. بررسی این امواج بصورت کلی، امری است بسیار دشوار که در عمل برای سهولت، امواج به یکسری امواج ساده تر تجزیه می گردد.
امواج زلزله از نوع امواج الاستیک هستند و بر حسب کرنش ایجاد کننده به دو نوع حجمی (مانند امواج فشاری و برشی) و سطحی (مانند امواج لاو و ریلی) تقسیم می گردند. شکل زیر بصورت شماتیک، انواع امواج ایجاد شده در زلزله را نشان می دهد

(a) امواج حجمی

(b) امواج سطحی

بیشینه شتاب زمین (PGA)
از معیارهای مهم در طراحی و علت اصلی آسیبها، بیشینه شتاب سطح زمین در هنگام زلزله می باشد که بر اساس ضریبی ار g شتاب جاذبه زمین سنجیده می شود. علاوه بر این، معیارهای دیگری از جمله بیشینه سرعت ذره ای در سطح زمین نیز در تعیین میزان خرابی ها تعریف شده اند. بطور کلی بررسی ها نشان میدهند که اگر شتاب سطحی بیشینه تا 0/2g باشد، آسیبی به تونل وارد نمی شود و چنانچه این شتاب بین 0/2g تا 0/5g باشد، صدمات خفیف و قابل تعمیر را شاهد خواهیم بود و از شتاب 0/5g به بالا، انتظار آسیبهای شدیدتری خواهد بود.
فرکانس و طول موج زلزله:
نزدیک بودن فرکانس ارتعاش سازه به فرکانس مولد ارتعاش، سبب پدیده تشدید می گردد. تحقیقات نشان می دهند که امواج زلزله دارای فرکانس کم و طول موج زیاد هستند. هر چه اندازه طول موج برخوردی به تونل نزدیک به قطر تونل باشد (حداکثر تا 4 برابر قطر تونل)، امکان تقویت نوسان وجود دارد، بطوری که طول موج تا دو برابر قطر تونل می تواند موجب آسیبهایی به تونل گردد. اگر تونلی به قطر 10 متر و در محیط ماسه سنگی که سرعت موج در آن 8/1 کیلومتر بر ثانیه است، در نظر گرفته شود، با فرض برخود موجی که دو برابر قطر تونل، طول موجش است، مقدار فرکانس لازم برای تحریک سقف به ریزش برابر است با 90 هرتز (f=c/λ)؛ که تولید این فرکانس برای زلزله های متداول ممکن نیست. مگر اینکه تونل به کانون زلزله و محل وقوع گسیختگی گسل بسیار نزدیک باشد و شاید فقط در انفجارهای عظیم امکانپذیر باشد.

فاصله از مرکز زلزله:
بدیهی است که هرچقدر تونل از مرکز زلزله فاصله می گیرد، امکان آسیب کمتر می شود. توجه به این نکته لازم است که در فرکانسهای پایین، میرایی دامنه نوسانها شدیدتر است بطوری که افت انرژی در امواج حجمی متناسب با عکس مجذور فاصله و در امواج سطحی متناسب با عکس فاصله می باشد.
دوام نوسانها (Duration) :
عموماً پدیده زلزله دارای فرکانسهای کم و تعداد سیکلهای تنش زیاد می باشد. تعداد دفعات نوسان سازه- به خصوص آن تعدادی که سازه را وارد محدوده غیرخطی می کند- عامل بسیار مهمی در بالا رفتن میزان آسیبهای وارده به تونل می باشد. دوام و تعداد زیاد نوسانها باعث پدیده خستگی (Fatigue) می شود و این پدیده موجب تغییرشکلهای بزرگ در اطراف تونل می گردد.

شدت و بزرگی زلزله :
بزرگی زلزله را نمی توان به طور جداگانه مورد بررسی قرار داد زیرا این عامل مربوط به دامنه امواج ارتجاعی و انرژی تولید شده در مرکز زلزله می باشد. اگر بزرگی زلزله با پارامتر فاصله از مرکز زلزله در نظر گرفته شود، می توان نمودارهایی مانند شکل 3-2 تهیه نمود. در این شکل بطور مثال اگر زلزله ای با بزرگی 5/7 ریشتر (Richter) مبنا باشد، در فواصل بیش از 60 کیلومتر انتظار آسیب دیدگی نخواهیم داشت. برخلاف بزرگی زلزله، شدت زلزله را می توان به تنهایی به عنوان معیاری در تعیین آسیب دیدگی مطرح ساخت زیرا بر اساس میزان تخریب زلزله تدوین شده است.

ارتباط شدت و بزرگی . شتاب بیشینه زلزله با فاصله از گسل

نحوه آزاد شدن انرژی زلزله :

ممکن است یک زلزله به همراه خود پیش لرزه و پس لرزه هایی داشته باشد، که این دو قبل و بعد از زلزله اصلی ممکن است وقوع یابند، به عبارتی دیگر این موضوع به نحوه آزاد شدن انرژی زلزله بستگی دارد. بطوری که انرژی زلزله بصورتهای زیر آزاد می گردند:
پیش لرزه :

گاهی اوقات از بروز زلزله اصلی ، یکسری زلزله هایی با بزرگی کمتر از زلزله اصلی به وقوع می پیوندند که معمولا فراوانی آنها با نزدیک شدن به زمان وقوع لرزش اصلی ، افزایش می یابد.
لرزش اصلی :

همان زلزله اصلی بوده که بواسطه آن اکثر انرژی ذخیره شده در سنگها یکباره آزاد می گردد و چنانچه داده های مربوط به یک زلزله بزرگ غیر دستگاهی باشد لرزه نامیده می شود.
پس لرزه :
زلزله های خفیفتری که غالبا پس از لرزش اصلی ، از حوالی کانون زلزله اصلی منشا می گیرند، را پس لرزه می گویند. پس لرزه ها می توانند حتی تا سالها پس از وقوع زلزله های اصلی نیز به طول انجامد.

دسته لرزه:
مجموعه ای از تعداد زیادی زلزله که در یک منطقه محدود در مقطع زمانی در حد هفته تا چند ماه به وقوع
می پیوندد. دسته لرزه ها غالبا در نواحی آتشفشانی دیده می شوند.
ریز لرزه :

زلزله های ضعیفی هستند که بزرگی آنها 3 ریشتر و یا کمتر از 3 بوده و غالبا افزایش ناگهانی و نامنظم آنها نشانه قریب الوقوع بودن مهلرزه یا زلزله اصلی می باشند.

دسته بندی امواج :
الف- امواج حجمی ب- امواج سطحی
الف – امواج حجمی : به دو شکل اند
1- موجP : موجی که جهت حرکت وارتعاش آن یکی است (مثل فنری که به دیوار بسته شده )
2- موج S : موجی که جهت حرکت وارتعاش آن بر هم عمودند

امواج P از تمامی محیط های جامد عبور میکند (مثلا اگر زلزله ای در ژاپن اتفاق افتد در آمریکا می توان آن موج را با دستگاه لرزه نگار ، لرزه نگاری کرد)

امواج S فقط از محیط های جامد عبور می کند واز محیط های سیال عبور نمی کنند
ب- امواج سطحی : به دو صورت اند
الف موج کاو : مثل حرکت مار است
ب- موج ریالی (R ) : مثل حرکت موج اقیانوس است
از لحاز سرعت : کاو P>S>R>
از لحاظ قدرت تخریب و انرژی :R>S>P

دلایل کاهش نیروی زلزله توسط جداگرها :
1- افزایش زمان تناوب مود اول(مواد جدا شونده)
2- کاهش شتاب طیفی (شبه شتاب) به علت افزایش زمان تناوب
3- عدم تحریک مودهای بالاتر توسط زمین ، هرچند که ممکن است شتاب طیفی آنها بزرگ باشد لیکن به علت کوچک بودن پاسخ استاتیکی مودی ، بر پایه مودهای بالاتر خیلی کوچک می باشد
4- بالا بودن میرایی سیستم جداگر و خاصیت جذب انرژی که به عنوان عامل ثانویه در نظر گرفته می شود

مدهای زلزله :
به هریک از مدهای زلزله مد نوسان گفته می شود ، وقتی سازه تحت اثر زلزله قرار می گیرد مدهای متفاوتی بر جای می گذارد
شکل شماتیک از مد های سازه :

روش دینامیکی زلزله در دو راستای x و y محاسبه می کند
روش استاتیکی در یک راستا محاسبه می کند

1-الف- سیستم های جداسازی لرزه ای :

سیستم های جداسازی لرزه ای از تنوع بسیار زیادی برخوردار می باشند این سیستم ها از لحاظ نوع
مواد و عملکرد به شرح زیر اند :
1-الف-1- سیستم های الاستومتر(لاستیک طبیعی) و سیستم لغزشی
1-الف-2-سیستم های لاستیکی طبیعی و مصنوعی با میرایی کم به همراه صفحات فولادی
1-الف-3 – سیستم جداگر لاستیکی با هسته سربی (LRB)
1-الف-4- سیستم های لاستیک طبیعی با میرایی زیاد (HDNR)
1-الف-5- سیستم ترکیبی (EERC)
1-الف-6- سیستم ترکیبی (TASS)
1-الف-7- سیستم جداگر اصطکاکی پس جهنده (R-FBI)
1-الف-8- سیستم آونگ اصطکاکی (FBS)
1-الف-9- سیستمهای فنری

1-الف-1-سیستم های الاستومتر(لاستیک طبیعی)
نشیمن الاستیک طبیعی برای اولین بار در سال 1969 برای حفاظت لرزه ای ساختمان مدرسه پستالوزی شهر اسکوپیه مقدونیه به کار رفت که این نشیمن ها بلوکهای لاستیکی بزرگی می باشند که بر خلاف نمونه های امروزی فاقد صفحات فولادی تقویت کننده بوده و در اثر وزن ساختمان حدود 25% فشرده می شوند ، سختی نشیمن فقط چند برابر سختی افقی بوده ولاستیک مورد استفاده تقریبا فاقد میرایی است

درهر دو سمت نشیمن لاستیکی بلوکهایی از جنس شیشه اسفنجی(فوم) قرار داده می شود که جهت جلوگیری از حرکت ساختمان در برابر اثر باد به کار می رود .
سیستم های الاستومتر پس از توسعه آنها(ترکیب با ورق فولادی) به دو دسته زیر تفکیک می شوند:
1- نشیمنهای لاستیک طبیعی ومصنوعی با میرایی کم به همراه صفحات فولادی
2- نشیمنهای لاستیک طبیعی ومصنوعی با میرایی زیاد(نشیمنهای با هسته سربی)
1-الف-2- سیستم های لاستیکی طبیعی ومصنوعی بامیرایی کم به همراه صفحات فولادی :
نشیمن های لاستیک طبیعی و مصنوعی با میرایی کم بطور گسترده ای به همراه میراگر اضافی مانند میراگرهای لزج )ویسکوز)، میله های فولادی، میله های سربی و وسایل اصطکاکی بکار می روند. این جداگرها شامل دو ورق ضخیم فولادی در بالا و پائین و ورق های نازک فولادی متعددی می باشند ورق های فولادی مسلح کننده از انبساط جانبی لاستیک جلوگیری کرده و سختی قائم را به مقدار زیادی افزایش می دهند اما هیچ تاثیری بر سختی افقی سیستم که بوسیله مدول برشی الاستومتر کنترل می شود نخواهند داشت رفتار ماده در برش تا کرنشهای بیش از 100 % کاملاً خطی بوده و میرایی آن در حدود 2 تا 3 درصد مقدار بحرانی می باشد
ازمزایای این نوع نشیمن به موارد زیر می توان اشاره کرد:
1- ساخت آسان نشیمن ها )فرآیند ترکیب مصالح و پیوند آن با فولاد(
2- مدلسازی آسان و عدم وابستگی پاسخ دینامیکی آنها به دما و سن نمونه ها
این نشیمن ها معمولاً به یک سیستم میراگر مکمل نیاز دارند که دارای اتصالات دقیق و پیچیده ای بوده و نوع فلزی آنها درسیکلهای پایین دستخوش پدیده خستگی می گردد. اجزای مستهلک کننده انرژی
شامل مجموعه ای از تجهیزات فولادی تسلیم شونده می باشند.

1-الف-3- سیستم جداگر لاستیکی با هسته سربی :
این نوع از نشیمنها مشابه نشیمنهای لاستیکی با میرایی پایین بوده که دارای یک یا چند هسته سربی می باشند صفحات فولادی به کار رفته در این سیستم سبب تغییرشکل هسته سربی در برش می شوند ، هسته های سربی در برابر نیروهای برشی تغییرشکل داده و سبب ایجاد پاسخ دوخطی در نشیمن می شوند سختی و میرایی موثر نشیمنهای با هسته سربی وابسته به مقدار جابجایی آن بوده و ضروری است تغییرمکان متناظر با مقدار میرایی لازم مشخص شود ساختمانهایی که به وسیله این نشیمنها تقویت شده اند، در زلزله های 1994 نورث ریچ و 1995 کوبه، عملکرد خوبی داشته اند

.

1-الف-4-سیستم های لاستیک طبیعی با میرایی زیاد :
میرایی این سیستم از افزودن بلوکهای کربنی بسیار ریز، روغنها و سایر پرکننده های ویژه به لاستیک حاصل می شود . حد پائین میرائی ( 10 %) مربوط به سختی معادل 50 تا 55 دورومتر و مدول برشی در حدود MPa 34/0 و حد بالا ی میرائی (20%) مربوط به سیستمهای با سختی 75-70 دورومتر و مدول برشی MPa 1.04 می باشد

1-الف-5- سیستم ترکیبی EERC :
این سیستم متشکل از دو سیستم الاستومری و لغزنده بوده و در موسسه تحقیقاتی EERC ابداع شده است.
در این سیستم ستونهای داخلی ساختمان برروی المانهای لغزنده ای که از جنس فولاد ضد زنگ می باشند قرار می گیرند و ستونهای خارجی برروی نشیمنهای لاستیک طبیعی با میرایی کم واقع می گردند نشیمنهای الاستومری سبب بازگشت سیستم به حالت اولیه و کنترل پیچش ساختمان می گردد و اجزاء لغزنده، میرایی مورد نیاز سیستم را فراهم می آورند. ترددهای داخلی ساختمان و یا زمین لرزه با شدت کم می باشد برای آنکه تمامی موجهای حاصل از زلزله یه سازه انتقال نیابد می توان از روشهای متعددی استفاده کرد ، مهمترین سیستمی که در سالهای اخیر در کشورهای نظیر ژاپن ، آمریکا و … برای بالا بردن ضریب مقاومت ساختمانها در برابر زلزله استفاده شده عمل مجزا سازی پایه وشالوده می باشد
امروژه دو نمونه از سیستمهای مجزا سازی موجود می باشد :
1- سیستم های الاستومتر
2- سیستم های لغزشی

سیستم های الاستومتر :
سیستمی که در سالهای اخیر به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است نگهدارنده های الاستومتر می باشد که به کمک آنها ساختمان در برابر حرکات و تکانهای زمینی وافقی (جانبی) لرزه مقاومت خود را نشان می دهد ، طبق تعریف زلزله لرزش زمین در اثر آزارد سازی سریع انرژی که اغلب موارد در اثر لغزش در امتداد یک گسل در پوسته زمین اتفاق می افتد انرژی آزاد شده از محل آزاد شدن که کانون نامیده می شود به صورت امواج در همه جهات منتشر می شود ، از این رو کشور عزیزمان ایران در بخش میانی یکی از دو کمربند بزرگ جهان (به نامهای کوهزایی و لرزه خیز آلپ هیمالیا ) موسوم به آلپا قرار دارد ، اثر منفی زمین لرزه بر اقتصاد کشور ونیروی انسانی واقعا بلای بسار بزرگی است است که کارشناسان فن معتقدند در صورتی که هزینه های گزاف امداد رسانی و جبران خسارتهای مادی ومعنوی حوادث طبیعی نظیر زلزله در مسیر بازسازی و ایجاد تغییرات بنیادی در حوضه شهرسازی و تمهیدات لازم برای پیشگیری از حوادث غیر مترقبه قرار گیرد نتایج به مراتب بهتر خواهد بود
تعریف گسل:

گسل ها ، شکستگی هایی همراه با تغییر مکان نسبی هستند که به موازات سطح گسل انجام گرفته اند . . بعضی از گسل ها فقط چند سانتی متر طول دارند و جابجایی آنها در حدود سانتی متر است ، در صورتی که گسل هایی هم با صد ها کیلومتر جابجایی در حدود چند کیلومتر و حتی دهها کیلومتر دیده می شوند . در بعضی موارد ، یک گسله به صورت مجزا دیده می شود ولی در پاره ای حالات ، چندین گسله موازی و نزدیک به هم دیده می شوند که به نام منطقه گسله نامیده می شوند. گاهی نیز بدون این که یک شکستگی مشخص در سنگها دیده شود، سنگها نسبت به هم تغییر مکان می یابند که منطقه بین آنها ، به نام منطقه برش موسوم است.

رابطه گسل با زلزله :

رابطه گسل – زلزله دو طرفه می باشد. یعنی وجود گسلهای فراوان در یک منطقه سبب بروز زلزله می گردد. این زلزله به نوبه خود سبب ایجاد گسل جدیدی گردیده و نتیجتا تعداد شکستگیها زیادتر شده و به این ترتیب قابلیت لزره خیزی منطقه افزایش می یابد
.

سیستم های الاستومتر به این صورت عمل می کنند که لایه ای ما بین شالوده و ساختمان باسختی افقی کم وجود دارد که به هنگام زمین لرزه نقش خود را ایفا می کند این لایه یک فرکانس اصلی به ساختمان می دهد که بسیار پایین تر از فرکانس اصلی شالوده و پیه می باشد و حتی بسیار پایین تر از فرکانسهای برجسته ناشی از تکانهای زمین است
اولین حات حرکتی ساختمان ، در سیستم مجزا سازی تاثیر می گذارد ، ساختمانی که از هرجهت سفت ومحکم است تاثیر بعدی از حالت ساختمان که نسبت به حالت اولیه در نتیجه حرکات زمین دارد حالت قائم پیدا می کند
سیستم لغزشی :
دومین نمونه اساسی از سیستم های مجزا سازی می باشد ، این سیستم وظیفه محدودیت درجابجایی شکاف در سیستم را بر عهده دارد
در کشور چین ازاین سیستم ساختمان وجود دارد که از یک سری ماسه شن های مخصوص در ورودی این سیستم استفاده می شود نوعی از عمل مجزا سازی شامل لغزش یک ورقه برنز بر روی استیل ضد زنگ ، همراه با نگهدارنده های الاستومتر برای کارخانه جات نیروی هسته ای در کشور آفریقای جنوبی مورد استفاده قرار می گیرد
سیستم نوسان – مالش یک سیستم لغزشی است که شامل یک سری مواد لغزشی بر روی استیل ضد زنگ است که برای بسیاری از پروژه ها در آمریکا مورد استفاده قرار گرفته است

1-الف-6- سیستم ترکیبی TASS :
این سیستم به وسیله گروه TAISEI توسعه یافته است. در این سیستم، تمام بارهای قائم سنگین بوسیله لغزنده تفلونی ضدزنگ حمل می شود و نشیمنهای لایه های نئوپرنی که باری به آنها وارد نمی شود به منظور ایجاد نیروی جانبی بازگرداننده مورد استفاده قرار می گیرند ضریب اصطکاک سطح تفلون بین% 5 تا% 15 برای سرعتهای کم تا زیاد متغیر می باشد

در این سیستم بدلیل کمی باربری عمودی نشیمنهای الاستومری، نشیمن ها تحت کشش واقع می شوند ، از سوی دیگرحساسیت سطح لغزنده به سرعت، مدلسازی این سیستم را دشوار کرده است.
1-الف-7-سیستم جداگر اصطکاکی پس جهنده :
در این نشیمن با استفاده از سطوح متعدد لغزنده مشترک مشکل ضریب اصطکاک زیاد تفلون روی فولاد ضد زنگ در سرعتهای بالا رفع شده است. سرعت بین لایه های مختلف تقسیم شده و با کاهش سرعت هر لایه، ضریب اصطکاک کاهش می یابد. علاوه بر المانهای لغزنده، هسته مرکزی که از جنس لاستیک می باشد که یک نیروی بازگرداننده در سیستم ایجاد می کند. آزمایشهای صورت گرفته برروی این سیستم نشان می دهند که هسته لاستیکی توانایی توزیع مناسب تغییر مکا ن ها را ندارد، که برای رفع این مشکل یک میله فولادی در داخل هسته لاستیکی قرار گرفته است تا توزیع تغییرمکان بین لایه های لغزنده را بهبود بخشد

1-الف-8-سیستم آونگ اصطکاکی :
این سیستم بوسیله هندسه خاص خود، عمل لغزش و نیروی بازگرداننده را فراهم می کند. جداساز FP
دارای یک قسمت لغزنده مفصلی است که برروی یک سطح کروی از جنس فولاد ضدزنگ می لغزد. سطح
دیگراین لغزنده نیز کروی بوده و با لایه ای از فولاد ضد زنگ پوشیده شده است. حرکت قسمت لغزنده
مفصلی و سطح کروی باعث ایجاد میرایی در جداساز می شود. سختی موثر جداساز و میرائی آن به
وسیله شعاع انحنای سطح محدب کنترل می شود

1-الف-9- سیستمهای فنری :
سیستمهای جداسازی الاستومری و لغزنده برای فراهم کردن جداسازی افقی مورد استفاده قرار می گیرند هنگامی که جداسازی کامل)سه بعدی( مد نظر باشد می توان از نشیمن های الاستومری استفاده کرد هر چند که این عمل چندان متداول نمی باشد. در این موارد بهتر است از سیستمهای فنری استفاده شود

دراین سیستم از فنرهای حلقوی فولادی که در دو راستای افقی و قائم انعطاف پذیرند استفاده می شود . فنرهای فولادی فاقد میرایی بوده و این سیستم همواره با یک میراگر لزج GERB بکار می رود.

اثر میرایی بر پاسخ سازه :
افزایش میرایی باعث کاهش پاسخ سازه(شتاب و تغییرمکان) می شود. افزایش میرایی در زمان تناوب های پائین )نزدیک به صفر) بر روی مقدار طیف اثری ندارد و در زمان تناوب های بالا نیز اثر کمی بر روی شتاب پاسخ دارد .
بیشترین اثر افزایش میرایی در زمان تناوب های 3/0تا 5/2 ثانیه رانشان می دهد.

در آئین نامه های طراحی و بهسازی لرزه ای اثر میرائی با تعریف ضریب میرایی (B) که تابعی از درصد میرائی بحرانی است مشخص می شود این ضریب برای دو حالت زمان تناوب های کوتاه (BS) و زمان تناوب های نزدیک به یک ثانیه (B1) تعریف شده است. دامنه عمل (BS) بر روی منحنی طیف پاسخ بین زمان تناوب 0.2 Toتا To است . To زمان تناوب انتقال از محدوده شتاب ثابت به سرعت ثابت طیف می باشد از ضریب (B1) نیز برای کاهش طیف در زمان تناوب های بالاتر از To استفاده می شود

نمونه نصب شده جداگر لرزه ای در کشور تایوان :

1- ب – سیستم های کنترل غیر فعال سازه :
Active and passive control of building
دراین گونه سیستم ها عامل کنترل کننده ارتعاش درمحل مناسبی از سازه قرار می گیرد وعملا تا قبل از تحریک سازه به صورت غیر فعال است با شروع تحریک )مثلاً زلزله(، سیستم کنترلی به کار افتاد ه و عملکر د کنترلی خود )اعم از تغییر سختی، پریود، میرایی یا جرم( را در حین تحریک انجام می د هد و پس از خاتمه تحریک مجدداً به حالت غیر فعال باز می گردد که به دلیل جذب بخشی از انرژی ورودی به سازه ، احتمالاً شاهد خرابی جزئی یا کلی در آن خواهیم بود تکنیک های زیادی از جمله تکنیک معروف و مرسوم جداسازی پایه، میراگرهای اصطکاکی، میراگرهای ویسکوالاستیک، میراگرهای فلزی، جرم میراگر متوازن و مایع میراگر متوازن، از جمله روش های کنترل غیرفعال محسوب می شوند در واقع مشخصه اصلی این گونه سیستم ها آن است که عملاً در زمان تحریک سازه نوع عملکرد سیستم کنترل غیرفعال تقریباً عوض نشده و خواص آن خارج از سیستم قابل تغییر نمیباشد استفاده از کنترل غیرفعال در بعضی موارد خالی از اشکال نیست مثلاً تغییرمکان های زیاد جد اکننده های سازه از تکیه گاه ونیز بلند شدگی سازه در ساختمان های بلند مرتبه باعث ایجاد گشتاورهای واژگونی قابل توجهی می گردد که کاربرد این گونه سیستم های غیرفعال را به سازه های کوتاه محدود می سازد همچنین مشاهده می شود که این گونه سیستم ها به دلیل ثابت بودن خواص دینامیکی ازجمله سختی، میرایی، جرم و فرکانس، به فرکانس و دامنه تحریک ورودی به سازه حساس بوده که در کاهش بازده آنها برای حالاتی مثل زلزله که تحریک ورودی به طور دقیق قابل پیش بینی نیست، تاثیر می گذارد روش هایی از جمله استفاده از ترکیب این سیستم ها به منظور کاهش این حساسیت ابداع و به کار گرفته شده است و هم اکنون در بسیاری از کشورها سازه های زیادی به روش غیرفعال کنترل ارتعاش می شوند

میراگرها :
میرایی یعنی تمایل سازه به اتلاف انرژی بیشتر می شود ، میرایی در استاندارد 2800 به میزان 5% می باشد مزیت اصلی همه میراگرها سهولت نصب می باشد و در کل کار میراگر مستهلک کردن انرژی است و توزیع نیرو بر اساس سختی شکل می گیرد
انواع میراگرها :
1-ب-1-میراگرهای اصطکاکی
1-ب-2- میراگرهای فلزی(تسلیمی)
1ب-3- میراگرهای آلیاژی(SMA)
1-ب-4- میراگرهای ویسکوز
1-ب-5- میراگر جرمی
میراگرها را بر اساس عملکرد آنها به انواع اصطکاکی، فلزی )جاری شونده(، ویسکوز، ویسکوالاستیک، آلیاژهای حافظه دار شکلی (SMA) و میراگرهای جرمی دسته بندی می گردند.
از مزایای استفاده از میراگرها می توان به جذب انرژی بالا، سادگی در نصب و تعویض آنها و همچنین هماهنگی با سایر اعضای سازه اشاره نمود
1-ب-1- میراگرهای اصطکاکی :
1-ب-1-الف – میراگرهای اصطکاکی چرخشی
1-ب-1-ب- میراگر اصطکاکی پال

در این نوع میراگر، انرژی زلزله صرف غلبه بر اصطکاک موجود در سطح تماس قطعات می شود. از ویژگی های دیگر این میراگرها می توان به عدم ایجاد خستگی در بارهای خدمت )به دلیل فعال نشدنِ میراگرها تحت این بارها( و وابسته نبودن عملکرد آنها به سرعت بارگذاری و دمای محیط می توان اشاره نمود. این میراگرها به موازات مهاربندها نصب می شوند

.

1-ب-1-الف- میراگرهای اصطکاکی چرخشی :

1-ب-1-ب- میراگر اصطکاکی پال :

1-ب-2- میراگرهای فلزی :
1-ب-2-الف- میراگر سربی تزریقی
1-ب-2 -ب- میراگرهای فلزی X شکل
1ب-2-ج- میراگر T-ADAS
در بادبندها استفاده از میراگرهای فلزی تسلیمی متداول تر می باشد. این نوع میر اگرها اغلب از چند ورق فولادی موازی تشکیل می شوند و در ترکیب با یک سیستم بادبندی، نقش جذب و اتلاف انرژی را بر عهده می گیرند . این قسمت از مهاربند به عنوان یک فیوز در سازه عمل نموده و با تمرکز رفتار غیر خطی در خود، مانع از بروز رفتار غیر خطی و آسیب در سایر اجزا اصلی و فرعی سازه می گردد

1-ب-2-الف- میراگر سربی تزریقی :
این میراگر از یک سیلندر دومحفظه ای ، پیستون و سرب داخل پیستون تشکیل شده است که با حرکت پیستون به هنگام زلزله سرب از محفظه بزرگتر به محفظه کوچکترحرکت می کند که با تغییرشکل خمیری، انرژی جنبشی بصورت حرارتی تلف می شود.

1-ب-2-ب- میراگرهای فلزی X شکل:
از کارائی قابل توجهی برخوردار می باشند. تسلیم گسترده در تمام حجم فولاد تامین میرایی هیسترتیک و اتلاف انرژی فوق العاده از خصوصیات منحصربه فرد این نوع میراگر می باشد ، این میراگرها ضمن تامین میرایی از سختی جانبی بالایی برخوردار بوده و به همین جهت با عنوان میرایی و سختی افزوده (ADAS=Added Damping And Stiffness) ، نامگذاری شده است ، در این میراگر لاغری باعث جاری شدن می شود و انرژی زیادی را مستهلک می کند

1-ب-2-ج- میراگر T-ADAS :

1-ب-3- میراگرهای آلیاژی(SMA) :

میراگرهای آلیاژی (Shape Memory Alloy) از فلزاتی ساخته می شوند که دو خاصیت زیر را دارا باشند:
1- انعطاف پذیری آنها مشابه با انعطاف پذیری قطعه لاستیکی باشد
2- پس از اعمال تغییر شکلهای زیاد در آنها، در اثر حرارت به حالت اولیه خود باز گردند
3- آلیاژ نیکل و تیتانیوم ضمن دارا بودن این خواص از مقاومت خوبی در برابر خوردگی نیز برخوردار است

ترمیم سقف کلیسای سن فرانسیس ایتالیا با میراگر SMA :

1-ب-4- میراگرهای ویسکوز :

در این میراگرها با استفاده از حرکت مایع لزج درون یک سیلندر، انرژی مستهلک می شود و هرچه مایع لزج تر باشد بهتر است
میراگرهای ویسکوز به دلیل سادگی در نصب، قابلیت انطباق و هماهنگی با سایر اعضا و همچنین تنوع در ابعاد و اندازه های آنها، کاربرد بسیاری در طراحی و مقاوم سازی پیدا کرده اند.

این نوع میراگرها به سه روش زیر به سازه متصل می گردند :
1-ب-4- الف- نصب میراگرها به کف و یا فونداسیونها (در روش جداسازی لرزه ای)
1-ب-4- ب- اتصال میراگرها در بادبندهای جناغی
1-ب-4- ج- نصب میراگرها در بادبندهای قطری

اتصال میراگرهای ویسکوز درکف و فونداسیون سازه ها :

در اتصال میراگرها در کف و یا فونداسیون سازه ها می توان از ترکیب میراگرها با جداسازها استفاده کرد

استفاده از میراگرهای ویسکوز در بادبندهای جناغی :

استفاده از میراگرهای ویسکوز در بادبندهای قطری :

1-ب-5- میراگر جرمی : (Tuned Mass Damper)
ساختار عمومی میراگر جرمی را نشان می دهد ، جرم روی یک تکیه گاه که به عنوان غلتک عمل می نماید ، قرار می گیرد که به جرم اجازه می دهد به صورت انتقالی – جانبی نسبت به کف حرکت نماید
فنرها و میراگرها بین جرم و اعضای تکیه گاهی عمودی مجاور قرار می گیرند که این اعضای تکیه گاهی نیروی جانبی را به سطح کف و سپس به قاب سازه ای انتقال می دهند.
میراگرهای انتقالی دو جهته به صورت فنر – میراگر در دو جهت عمودی ساخته می شوند و امکان کنترل حرکت سازه در دو صفحه عمودی را فراهم می آورند

مدل میراگر جرمی در ساختمان :

تاثیر میراگر جرمی تنظیم شده را میتوان با اتصال یک جرم کمکی و یک actuator
جرم تنظیم شده و جابجائی حرم کمکی به همراه actuator بگونه ای که پاسخ آن در
فاز مخالف با پاسخ جرم تنظیم شده باشد . مانند شکل زیر :

شکل میراگر جرمی تنظیم شده فعال

مشخصات کاربردی میراگرها :
1- میراگرهای هیسترزیس )اصطکاکی و تسلیم شونده متالیک-میراگرهای وابسته به تغییرمکان(
2- میراگرهای ویسکوالاستیک جامد(وابسته به سرعت و تغییرمکان)
3- میراگر ویسکوز(وابسته به سرعت)
میراگرهای هیسترزیس:
این میراگرها انرژی زلزله را از طریق تسلیم فلز و یا اصطکاک سطوح تماسی مستهلک می کنند. استهلاک انرژی در هردو این وسایل به نیرو و تغییرمکان نسبی داخلی آنها بستگی دارد. بنابراین، هر دو با روابط هیسترزیس نیرو – تغییرشکل مدل م یشوند.
مدلهای رفتاری نیرو-تغییرشکل این میراگرها با سه نوع مدل الاستوپلاستیک، مدل دوخطی، و مدل چند خطی که در شکل نشان داده شده اند. مشخصه های پسماند این مدلها از روی منحنی نیرو-تغییرشکل مشخص می شوند
سطح داخل این منحنی ها معرف میزان انرژی مستهلک شده در هر سیکل می باشند و در شکل زیر سیکل کامل هیسترزیس این میراگرها تا بازگشت به نقطه آغاز نشان داده شده است.میرایی ویسکوز معادل با برابر قراردادن سطح داخل حلقه پسماند با سطح داخل سیکل میراگر ویسکوز تعیین می گردد

میراگرهای ویسکوالاستیک جامد :
مصالح ویسکوالاستیک از مواد با پایه الاستومری و پلیمری می باشند که درهنگام زلزله با انجام تغییرشکل های برشی، انرژی را مستهلک می کنند. میراگر ویسکوالاستیک از یک یا چند لایه از مواد ویسکوالاستیک محصور شده در میان ورق های فولادی تشکیل می شود ، در شکل زیر ساده ترین نوع آن نشان داده شده است این میراگرها به نحوی در سازه قرار می گیرند که تغییر مکان نسبی طبقات باعث تغییرشکل برشی آنها شود. خصوصیات مکانیکی این میراگر به حرارت و فرکانس بارگذاری بستگی دارد

فرکانس های حرکت مورد انتظار این میراگر را باید تخمین زد. درجه حرارت این میراگر با تبدیل انرژی جنبشی به حرارتی بالاتر می رود که این تغییرات حرارت باید در طراحی این نوع میراگر مدنظر قرارگیرد.

اشکال منحنی هیسترزیس میراگر ویسکوالاستیک جامد:

میراگر ویسکوز :
میراگرهای ویسکوز متنوعی برای کاربردهای ساختمانی توسعه یافته اند.
به عنوان مثال میراگرهای ویسکوز دیواری شکل درساختمانهای ژاپن نصب شده اند. این دیوارها از طریق عملکرد برشی، مواد مایع داخل محفظه دیواره ای شکل انرژی را مستهلک می کنند.
نوع دیگری از میراگرهای مایع، براساس عبور مایع از منفذها شکل گرفته اند. در ایالات متحده آمریکا بیشتر از این نوع میراگر استفاده شده است ، میراگرهای ویسکوز منفذی با مکانیزم شبیه به میل لنگ و پیستون برای مصارف صنعتی و نظامی توسعه یافته اند که در شکل نشان داده شده است

در محفظه داخل سیلندر ماده سیلیکون غیرقابل فشرده شدن با اعمال نیرو توسط پیستون به حرکت درمی آید. سرپیستون از منافذی با ترموستات فلزی غیرفعال برای خنثی نمودن تغییرات حرارتی تشکیل شده است و برای محصور نگهداشتن محتویات داخل آن از درپوشهای با مقاومت بالا استفاده شده است.
شکل رابطه نیرو-تغییرمکان میراگر ویسکوز :

1- ج – سیستم های کنترل نیمه فعال :
(این میراگرها بسیار شبیه به نوع غیرفعال)

میراگر ویسکوز مایع یکی از سیستمهای جاذب انرژی می باشد که در مقایسه با اندازه فیزیکی خود از توانایی جذب انرژی بالایی برخوردار می باشد بنابراین، این نوع میراگرها می توانند برای استهلاک انرژی ناشی از زلزله در سازه ها مورد استفاده قرار گیرند. این میراگرها از یک سیلندر هیدرولیکی و یک میله پیستون از جنس فولاد ضد زنگ با کلاهک برنزی تشکیل شده اند. درکلاهک پیستون روزنه ای تعبیه شده است که وقتی میله پیستون حرکت داده می شود مایع با فشار از درون روزنه عبور داده می شود و منجر به اتلاف انرژی به صورت گرما می گردد. این میراگرها برای کاهش ارتعاشات لرزه ای سازه ها به تعداد زیاد در سرتاسر جهان مورد استفاده قرار گرفته اند.
در تلاش برای بهبود عملکرد میراگرهای ویسکوز، مدلهای قابل کنترلی از این میراگرها به نام میراگر ویسکوز نیمه فعال ارائه شده است. این میراگرها بسیار شبیه به نوع غیرفعال آن می باشند با این تفاوت که میراگرهای ویسکوز نیمه فعال مجهز به یک حلقه عبوری خارجی می باشند که مایع داخل سیلندر هیدرولیکی را در طرفین کلاهک پیستون به یکدیگر مرتبط می سازد. این حلقه عبوری شامل یک دریچه قابل تنظیم می باشد که عبور جریان در داخل میراگر را کنترل می کند. بدین ترتیب، این میراگرها فشار داخل مایع را در هنگام حرکت پیستون افزایش داده و در نتیجه قادر به تولید نیروهای میرایی بسیار بزرگی می باشند. از اینرو می توانند میزان قابل توجهی از انرژی زلزله را مستهلک نمایند
یکی از ویژگیهای این نوع میراگرها ، پویایی و قدرت تطبیق با رفتار سازه به منظور مقاومت در برابر نیروهای زلزله می باشد. بدین ترتیب که در لحظه وقوع زلزله نیروهای زلزله را تشخیص داده و مطابق با آن نیروهای لازم را اعمال می کنند. لذا بهتر می توانند در برابر این نیروها مقاومت کنند.

1- د- سیستم های کنترل فعال :
Active and passive vibration control
سیستم کنترل فعال سیستمی است که در آن به نیروهای بزرگ کنترلی نظیر نیروی الکتروهیدرولیک یا الکترو مکانیکی برای مقابله با ارتعاشات وارد به سازه نیاز است. نیروی کنترلی، حاصل بازخورد اطلاعات سنسورها و پاسخ ارتعاشات سازه به آنها می باشد. بازخورد پاسخ سازه ممکن است ازمکانهای دورتری نسبت به دستگاه کنترل اندازه گیری شود
مزایا ومعایب :
سیستمهای کنترل فعال را میتوان به صورت عمد ه به دو بخش تعیین مکانیزم اعمال نیرو بر سازه و نیز الگوریتم های محاسبه نیروی کنترل تقسیم نمود. دراین گونه سیستم ها ضمن تعیین پاسخ سازه که میتواند شامل شتاب، سرعت و یا تغییرمکان باشد در هر لحظه و با استفاده از یک الگوریتم مشخص، نیروی کنترل مورد نیاز تعیین میگردد . سپس با استفاد ه از یک منبع انرژی خارجی نسبت به اعمال نیروهای محاسبه شده کنترلی بر سازه اقدام شده و این کار تا زمان کاهش پاسخ سازه به حد مورد نظر ادامه می یابد .
مشکلات عمد ه این گونه سیستمها :
1- هزینه زیاد اولیه مورد نیاز آنها از یک سو و نیز عملیات تعمیر و نگهد اری سنگین آنها برای ایجاد امکان استفاد ه در هر لحظه می باشد
2- نقص دیگر این سیستمها آن است که به دلیل آنکه به سازه انرژی تزریق می نمایند ، پتانسیل ناپایدار کر دن سیستم را د ارا می باشن د. نحوه کار در آنها )مثلاً در مور د زلزله( معمولاً به این صورت است که حسگرهای دریافت کننده پاسخ سازه )د ر حالت کنترل با م دار بسته( و یا ارتعاشات زمین )د ر حالت کنترل با مد ار باز و یا مد ار بسته باز( درفاصل های از سازه و د ر طبقاتی از سازه قرار گرفته و همگی به یک پرد ازنده مرکزی ( CPU) متصل می باشند.
ارتعاشات زمین و طبقات سازه در هر لحظه به CPU منتقل شده و بر روی آنها پردازش صورت میگیرد شروع فعالیت سیستم کنترلی لحظ های است که د امنه ارتعاشات ثبت شد ه سازه و یا ورود ی زلزله توسط حسگرها، برابر یا بیشتراز مقدار تعریف شده )که معمولاً آن سطح از ارتعاش است که عملاً سازه در آن نیاز به کنترل د ار د( برای آن باشد . به این زمان، لحظه شروع میگویند.

مقاوم سازی ساختمانها(در برابر زلزله)بدون تخریب آنها :
بر اساس ارزیابی هایی که بر روی سازه انجام میشود ضعف ها وکاستی های آن تعیین میگردد به منظور
اصلاح این ضعف ها و انجام مقاوم سازی و بهسازی استفاده از روشهای مناسب ضروری است
در بیشتر اوقات برای انتخاب روشهای ترمیم وتقویت محدودیتهایی وجود دارد که تاثیر عمده ای بر انتخاب
روش مقاوم سازی دارد (چند نمونه از محدودیت ها)
اهداف عملکرد ساختمان :
الف- محدودیت هزینه اجرایی
ب – محدودیت زمان اجرایی
ج – محدودیت معماری (پلان ونمای آن)
د – لزوم حفظ آثار باستانی
مهمترین اهداف بهسازی و مقاوم سازی لرزه ای :
1- تامین مقاومت در برابر زلزله های خفیف بدون هیچگونه آسیب
2- تامین مقاومت در برابر زلزله های متوسط بدون هیچگونه آسیب ولی احتمال بعضی خسارت غیرسازه ای وجود دارد
3- تامین مقاومت در برابر زلزله ای شدیدی که در محل سازه قبلا رخ داده یا قابلیت وقوع دارد،بدون فروریزی ولی احتمال برخی خسارت سازهای وغیر سازه ای وجود دار

2-روش تقویت اعضا :

در ساختمانهای موجود با توجه به ضعف سازه و میزان ضعف موجود به طور کلی از روشهای زیر برای مقاوم سازی ساختمان در برابر بارهای جانبی وبارهای ثقلی استفاده می شود :

2-1- استفاده از بادبندها
2-2- بهسازی و تقویت اجزا(مثل :بهسازی فونداسیون و تیر وستون و دال و…)
2-3- استفاده از صفحات فولادی با استفاده از پیچ و پرچ وجوش
2-4- استفاده از الیاف FRP
2-5- استفاده از دیوار برشی
2-6- روش کاهش شدت لرزه ای
2-1- استفاده از بادبندها :
هرچه بادبند به افقی شدن نزدیکتر باشد سخت تر است
2-1-الف- سیستم مهاربندی هم محور CBF )) :
مزایا :
1- سختی مناسب دربرابربارهای جانبی و کنترل تغییرمکان جانبی سازه
2- ساده بودن اتصالات و سرعت اجرا
معایب :
1- ضعف اعضای فشاری در اثر بارهای تناوبی ناشی از زلزله
2- استعداد به کمانش و ناپایداری در اثر بارهای سنگین و تغییر مکانهای زیاد
3- محدودیت از لحاظ معماری و ایجاد بازشو در نما
4- شکل پذیری کم

2-1-ب- سیستم مهاربندی برون محور EBF )) :

مزایا :
1- جذب انرژی بالای نیروهای جانبی و استهلاک آن به سبب تشکیل مفصل پلاستیک
2- شکل پذیری مناسب
3- امکان ایجاد بازشوهای مناسب از لحاظ معماری
معایب :
1- اجرای پیچیده تر نسبت به بادبندهای هم محور
2- دقت بیشتر در طراحی اتصال بادبند به تیر و طراحی سخت کننده های تیر

2-1-ج-بادبند کمانش ناپذیر (BRBF)
موضوعات :
2-1-ج-الف- رفتار بادبند تحت بارگذاری محوری سیکلی
2-1-ج- ب- قابهای مهارشده با بادبندهای کمانش ناپذیر (BRBF)
2-1-ج-پ- سیستم مقید کننده کمانش
2-1-ج-ت-آزمایش
2-1-ج-س- اتصالات مهاربندی
2-1-ج-ج- ضوابط ویژه مربوط به چیدمان بادبند
2-1-ج-چ- وصله ها

تیرها ، ستونها و بادبندها بعنوان یک سیستم خرپایی قائم چیده شده است. این سیستم به صورت یک خرپا در برابر نیروی جانبی زلزله مقاومت می کند .
نوع ویژه اعضای بادبند که استفاده شده : بادبندهای کمانش ناپذیر بادبندهای کمانش ناپذیر هم در کشش وهم در فشار جاری شده و کمانش نمی کنند !!
شکل پذیری در سراسر رفتار غیر الاستیک گسترش می یابد . ( تسلیم شدگی در سیکل کشش وفشار ) سیستم ترکیبی از سختی و شکل پذیری بالایی است .

هسته فلزی در برابر نیروی محوری اعمال شده مقاومت می کند .
غلاف در برابر نیروی محوری P مقاومت نمی کند .
سختی خمشی غلاف مانع کمانش هسته می شود .

قطعه جاری نشونده مهار نشده و اتصالات مربوطه

2-1-ج-الف- رفتار بادبند تحت بارگذاری محوری سیکلی :
بادبند معمولی یا متداول :
• جاری شدن در کشش ( شکل پذیر)
• کمانش در فشار ( غیر شکل پذیر)
• اختلاف آشکار مقاومت در کشش و فشار

بادبند کمانش ناپذیر :

• جاری شدن در کشش ( شکل پذیر)
• جاری شدن در فشار ( شکل پذیر)
• مقاومت یکسان در کشش وفشار

اشکال بادبندهای کمانش ناپذیر :

پاسخ غیر الاستیک بادبندهای کمانش ناپذیر تحت بارگذاری زلزله

نکته :
• توصیف رفتار قابهای مهار شده با بادبندهای کمانش ناپذیر و بادبندهای کمانش ناپذیر
• آئین نامه لرزه ای پیشنهادی AISC برای قابهای مهار شده با بادبندهای کمانش ناپذیر

2-1-ج- ب- قابهای مهارشده با بادبندهای کمانش ناپذیر (BRBF)
هدف :
قابهای مهار شده بابادبندهای کمانش ناپذیر برای تحمل تغییر شکل های غیر الاستیک قابل ملاحظه ، هنگامی که تحت بارهای حاصل از حرکت های زمین لرزه طرح قرار می گیرند ، در نظر گرفته می شوند .
2-1-ج-ب-1 -اعضای مهاربندی :
اعضای مهاربندی باید به صورت ترکیبی از هسته سازه ای فولادی و سیستمی که کمانش هسته فولادی را مقید می سازد ، باشند .
2-1-ج-ب-2- هسته فولادی :
هسته فولادی باید برای تحمل کل نیروی محوری در بادبند طراحی شود .
مقاومت محوری طراحی بادبند = f Pysc
f = 0.9
Pysc = Fysc Asc
f Pysc = (0.9) Fysc Asc

2-1-ج-پ- سیستم مقید کننده کمانش :

سیستم مقید کننده کمانش باید از کمانش موضعی یا کلی هسته فولادی تا تغییر شکل های متناظر با 2 برابر تغیییر مکان نسبی طبقه در طراحی جلوگیری کند . سیستم مقید کننده کمانش در تغییر شکل های متناظر با 2 برابر تغیییر مکان نسبی طبقه در طراحی ، مجاز به کمانش نیست.

2-1-ج-ت-آزمایش :

اهداف آزمایش :
• بررسی عملکرد بادبندها تحت بارگذاری دوره ای در تغییر شکلهایی متناظر با 2 برابر تغییر مکان نسبی طراحی
• تعیین مقاومت بادبند در کشش وفشار در تغییر شکل هایی متناظر با 2 برابر تغییر مکان نسبی طراحی

آزمایش های مورد نیاز برای تایید درستی بادبند :
* نمونه آزمایش بادبند :
بررسی توانایی نمونه در برابر نیروهای کششی و فشاری بزرگ بدون اینکه دچار کمانش و شکست شود .
* نمونه آزمایش پروتوتیپ :
بررسی توانایی بادبند واتصالات در برابر تغییر شکل های محوری همراه با تقاضاهای چرخشی که توسط قاب اعمال می شود .

نمونه آزمایش بادبند : (بارگذاری تک محوری)

نمونه آزمایش پروتوتیپ : (بارگذاری محوری + چرخشی)

الزامات مورد نیاز نمونه های آزمایش :

تعاریف :
Δb = مقدار تغیییر شکل بکار رفته برای کنترل آزمایش
= کل تغییر شکل محوری نمونه آزمایش بادبند
= کل چرخش انتهایی نمونه آزمایش پروتوتیپ

Δbm = مقدار تغییر شکل , Δb, متناظر با تغییر شکل نسبی طراحی
Δby = مقدار تغییر شکل , Δb, در اولین تسلیم شدگی قابل ملاحظه نمونه آزمایش
وقتی که Δbm را محاسبه می کنیم ، تغییر مکان نسبی طراحی نباید کمتر از 0.01 ارتفاع طبقه در نظر گرفته شود .

معیارهای پذیرش نمونه های آزمایش :
• هیچ نوع شکست ، ناپایداری مهاربند یا خرابی اتصال انتهایی مهاربند نباید مشاهده شود .
• نمودار نشان دهنده بار اعمال شده به ازای تاریخچه جابجایی باید نشانگر رفتار پایدار و قابل تکرار به همراه سختی مثبت افزاینده باشد.
• برای نمونه آزمایش بادبند :
* Tmax ³ Pysc and Cmax ³ Pysc
* Cmax £ 1.3 Tmax

مثالی از نتایج نمونه آزمایش بادبند :

مقاومت تنظیم شده بادبند
کشش
مقاومت تنظیم شده بادبند = w Ry Pysc
فشار
مقاومت تنظیم شده بادبند = b w Ry Pysc
مقادیر از آزمایش های بالا بدست می آیند :

w = ضریب تنظیم کرنش سخت شوندگی
b = ضریب تنظیم مقاومت فشاری
مقدار Ry = 1.0 در نظر گرفته می شود اگر Psyc از مقدار Fysc آزمایش coupon محاسبه شده باشد .

2-1-ج-س- اتصالات مهاربندی:

مقاومت مورد نیاز :
مقاومت مورد نیاز اتصالات بادبند در کشش وفشار باید برابر 1.1 برابر مقاومت تنظیم شده بادبند در فشار باشد .
Pu = 1.1 b w Ry Pysc
-صفحه های اتصال مهاربند :

طراحی اتصالات باید با درنظر گرفتن کمانش موضعی و کلی انجام گیرد . بادبند باید با موارد بکار رفته در آزمایش هایی که طراحی براساس آن انجام می گیرد ، سازگار باشد .

2-1-ج-ج- ضوابط ویژه مربوط به چیدمان بادبند :
برای بادبندهای نوع V و V معکوس :

4-(1) تیرها برای نیروهای ناپایدار حاصل از مقاومت بادبند در کشش و فشار طراحی شوند .
نیروی بادبند در کشش : w Ry Pysc
نیروی بادبند در فشار : b w Ry Pysc
فرض کنید که تیرها تکیه گاه قائم بین ستونها ندارند .

نیروهای عکس العملی تیر :

Δv = انحنای قائم تیر بعلت نیروی نامتعادل

( b -1) w Ry Pysc sin q
وقتی که Δbm تعیین می شود کشیدگی اضافی بادبند از انحنای قائم تیر حاصل می شود .

هر دو بال تیرها باید در برابر نیروهای نامتعادل حاصل از نیروهای بادبند مهار جانبی شوند .

هر دو بال تیر بایستی در نقطه تلاقی با بادبند مهار شوند .
تیرها و ستونها :
تیرها وستونها بر اساس آئین نامه های مربوطه طراحی می شوند .
از لحاظ لرزه ای فشرده باشند و b/t £ lps

مقاومت مورد نیاز :
مقاومت مورد نیاز تیرها و ستونها از مقاومت های تنظیم شده بادبند و ضرایب نیروهای ثقلی تعیین می شود .

2-1-ج-چ- وصله ها :

الزامات وصله ها :
1. مقاومت خمشی مورد نیاز = 0.5 x (0.9 Mpc )
2. مقاومت خمشی مورد نیاز = S Mpc / H

نمونه آزمایش محوری :

مدلسازی با المان LINK :

2-2-استفاده از دیوار برشی :
دیوار برشی دیواری است که برای مقاومت در برابر اثر توام تلاش محوری تلاش خمشی و تلاش برشی ناشی از بارهای قائم و بار زلزله طراحی می شود دیوارهای برشی معمولا" بیشترین سهم نیروی برش پایه را تحمل می کنند که باعث افزایش چشمگیر سختی ساختمان و کاهش قابل ملاحظه خسارت به عناصرغیرسازه ای می گردد ، دیوار برشی یک سیستم سازه ای بسیار مناسب برای سازه های بلندمرتبه است که می تواند سختی صفحه ای و مقامت بالایی را برای هر دو بار جانبی و ثقلی ایجاد کند .دیوار برشی دیواری است که برای مقاومت در برابر اثر توام تلاش محوری ، تلاش خمشی و تلاش برشی ناشی از بارهای قائم و بار زلزله طراحی می شود. دیوارهای برشی معمولا" بیشترین سهم نیروی برش پایه را تحمل می کنند که باعث افزایش چشمگیر سختی ساختمان و کاهش قابل ملاحظه خسارت به عناصرغیرسازه ای می گردد دیوارهای سازه ای با نسبت بعدی بالا ، دیوارهای خمشی نامیده می شوند زیرا رفتار غالب آنها در مد خمشی می باشد . دیوارهایی با نسبت بعدی پائین ، دیوارهای چاق یا کوتاه نامیده می شوند . امکان دارد دیوارهای کوتاه دچار شکست زودهنگام برشی شوند و این خود باعث کاهش شکل پذیری می شود ، به همین دلیل شکست های برشی غالبا" نامطلوب در نظر گرفته می شوند.
مزایای استفاده دیوارهای برشی
افزایش چشمگیر سختی ساختمان به نحوی که بر اثرات ثانویه نقش موثری دارد . این مزیت خود به خود موجب افزایش درجه ایمنی در مقابل شکست یا ریزش ساختمان می شود .
کاهش قابل ملاحظه خسارت به عناصر غیرسازه ای که در اکثر موارد هزینه آنها کمتر از هزینه اعضای سازه ای نیست.
اثر قابل توجه در ایجاد آرامش خیال و تامین امنیت روانی ساکنین ساختمانهای بلند مرتبه در هنگام وقوع زلزله .
دیوارهای برشی قادرند حتی پس از پذیرش ترکهای زیاد، بارهای ثقلی که برای آنها هم طراحی شده اند تحمل کنند. این پدیده را بطور کامل نمیتوان از ستونها انتظار داشت.
نحوه انتخاب مقدار و محل دیوار برشی :
هر دیوار برشی ممکن است در اثر نیروهای محوری دچار جابه جایی یا تغییرشکل انتقالی و چرخشی 􀁹شود. اینکه یک دیوار برشی تا چه میزان و چگونه تحت تاثیر لنگر واژگونی ، نیروهای برشی یا پیچشیقرار گیرد بستگی دارد به :
1: شکل هندسی
2: جهت آن در برابر نیروی زلزله
3: محل استقرار آن در پلان ساختمان
آنچه که باید برای دیوارهای برشی موردنظر باشد عبارتند از :

1: مقاومت
2: شکل پذیری
3: ظرفیت جذب انرژی
4: حداقل کاهش در سختی

انواع شکست ها در دیوارهای برشی :
شکست ناشی از شکست خود دیوارهای برشی
در تخریب های انجام شده در دیوارهای برشی طی زمین لرزه های گذشته مشخص شدهکه غالبا" چهار نوع ضعف موجب چنین تخریب هایی می شوند . باید در طراحی ، آنها را شناسایی و تدابیر لازم جهت جلوگیری از آن اتخاذ نمود .
این تخریب ها عبارتند از :
الف) : تخریب خمشی
ب ) : تخریب برشی
ج ) : تخریب لغزندگی
د ) : تخریب چرخشی پایه شالوده

نیروهایی که به دیوارهای برشی وارد می شوند :
1- نیروی برشی متغیر که مقدار آن در پایه حداکثر می باشد
2- لنگر خمشی متغیر که مقدار آن مجددا در پای دیوار حداکثر است و ایجاد کشش در یک لبه ( لبه نزدیک به نیروها و فشار در لبه متقابل می نماید ) با توجه به امکان عوض شدن جهت نیروی باد یا زلزله در ساختمان و کشش باید در هر دو لبه دیوار در نظر گرفته شود
3- نیروی محوری فشاری ناشی از وزن طبقات که روی دیوار برشی تکیه دارد

انواع دیوار برشی :
2-2-1- دیوارهای برشی مرکب :
ورقها ی تقویت شده فولادی مدفون در بتن مسلح ، خرپاهای ورق فولادی مدفون در داخل دیوار بتن مسلح و دیوارهای مرکب ممکن دیگر ، که تماما با یک قاب فولادی و یا با یک قاب مرکب توام هستند می شود
2-2-2- دیوار برشی فولادی :
بعضی مواقع ورقهای فولادی به عنوان دیوارهای برشی بکار می روند . برای جلوگیری از کمانش موضعی چنین دیوارهای برشی فولادی لازم است از تقویت کننده های قائم و افقی استفاده شود.
دیوار برشی فولادی که در آن به جای ورق جان میله کششی به کار رفته است :

دیوار برشی فولادی با تقویت کننده های عمودی وافقی :

مزایا :
1- شکل پذیری مطلوب
2- قابلیت جذب و استهلاک انرژی
3- سبک بودن و اشغال فضای کمتر
معایب :
1- مشکلات اجرایی
2- هزینه بالا
2-2-3- دیوار برشی بتنی :
مزایا :
مقاومت و شکل پذیری مطلوب
معایب :
1- عدم امکان اتصال مناسب به قاب موجود
2- هزینه اجرای قابل توجه
3- نیاز به اجرای پی و مشکلات اجرایی دیگر
4- وزن زیاد
5- نیاز به فضای اجرای زیاد و وقت بسیار

تصاویری از مقاوم سازی در چند کشور :

کشور تایوان :

کشور نیوزلند :

بازدید کارشناسان ایرانی از ساختمانهای با جداگر لرزه ای در نیوزیلند

کشور آمریکا :

بلند ترین پل جداسازی شده در ژاپن : (مقاوم سازی پل گلدن گیت)

اهداف جداسازی در پل کاملا متفاوت با ساختمان می باشد :
* در یک ساختمان جداگر ها به جهت کاهش نیروهای انرژی وارد بر روسازه به منظور کاهش تنش ها در المان های سازه ای نصب می شوند .ولی در یک پل جدا سازه لرزه ای برای حفظ المان های زیر جداگر(کوله ها و پایه ها) با کاهش نیرو انرژی منتقله و تغیر مکان های روسازه (عرشه) به زیر سازه( کوله ها و پایه ها) صورت می پذیرد.
* استفاده از جداگر در طراحی ها پل به منظور دستیابی به حداکثر جذب انرژی (نسبت به دوره تناوب در ساختمان های جدا سازی شده) صورت می پذیرد . لذا باید از جداگر هایی استفاده نمود که امکان میرایی بالای داشته باشند که از این حیث جداگر لرزه ای ساخت شرکت رابینسون از نیوزیلند دارای خاصیت ذاتی 26.5 در صد (مستقل ازفرکانس ارتعاش و دما و شرایط محیطی) می باشد.
میراگر سربی نصب شده در شیب پل :

حلقه های هیستریس برای میراگر سربی :

میراگر پی وی دی چپ 1 میلیون کیلو نیوتن و راست با 200 کیلو نیوتن:

آر وی دی برای میرا کردن کابل های نگهدارنده در پل :

پل راه آهن حفاظت شده توسط میراگر فولادی رابینسون :

نتیجه گیری :
یکی از چالش های همیشگی در مهندسی یافتن ابزاری جدید و مثمر ثمر برای حفاظت سازه ها و تجهیزات در برابر اثرات مخرب نیروهای طبیعی می باشد . در این بین زلزله یکی از رخ دادهایی است که با وجود تحقیقات زیادی که در مورد آن صورت گرفته است هنوز امکان پیش بینی زمان و مکان دقیق آن وجود ندارد ، بنابراین به نظر می رسد روش مقابله با زلزله ایمن سازی سازه ها در برابر آن است.یکی از روش هایی که در چند دهه اخیر موضوع مطالعات بسیاری بو ده است ، ایده کنترل سازه هاست که برای افزایش کارآیی و ایمنی آنها در برابر خطرات طبیعی به کار می رود
از بین این روش ها ، سیستم های جذب انرژی غیرفعال سازه ها ، در سال های اخیر به طور وسیعی در صنعت ساختمان مورد توجه قرار گرفته اند ، به طور کلی این سیستم ها شامل وسایل و مصالحی می شوند که میرایی ، سختی و مقاومت سازه را افزایش داده و می توانند به منظور کاهش خطرات طبیعی محتمل و نیز مقاوم سازی سازه های جدید یا ساخته شده ، به کار روند. در سال های اخیر تلاش های بسیاری از سوی پژوهشگران و مهندسان سراسر دنیا صورت گرفته است که مفهوم جذب انرژی سازه یا ایجاد میرایی اضافی را به یک تکنولوژی قابل اجرا در صنعت ساختمان تبد یل نماید . در سایه این کوشش ها ابزار آلات و وسایل مختلفی ساخته شد ه اند که ویژگی مشترک همه آنها ، افزایش میزان جذب انرژی سازه است ، این امر توسط تبدیل انرژی جنبشی به گرما یا توزیع انرژی بین مودهای ارتعاشی سازه انجام می شود که برای هریک از دو روش فوق،د ستگاه های متفاوتی ساخته شده است که نسبتاً ارزان ،کارآمد و قابل اعتماد هستند علی رغم وجود پیشرفت های مذکور در به کارگیری سیستم های جذب انرژی غیرفعال مانند جرم میراگر متوازن که بالاخص در مقابل بارهای لرزه ای یا باد بر روی ساختمان ها و پل ها صورت گرفته متاسفانه در صنعت ساختمان کشورمان ، این روش ها چندان مورد توجه قرار نگرفته اند .سیستم جرم میراگر متوازن یکی از ابزارهای مناسب جهت کنترل سازه های بلند که اغلب از شکل پذیری بالایی برخودارند ، می باشد و از جمله مزایای این سیستم می توان به بازده خوب آن در برابر بارهای با شدت کم و فرکانس نزد یک به فرکانس اصلی سازه مثل بار باد و زلزله های با شدت کم اشاره کرد که از دیگر محاسن این سیستم هزینه کم ساخت ، نگه داری و عملیات آن به هنگام بروز ارتعاش می باشد ، از این رو استفاد ه از این سیستم در سازه های تازه ساخت کشورمان ، می تواند خسارات ناشی از بروز زلزله را تا حد مطلوبی بهبود بخشد .
منابع :
1- استفاده از کتابهای (ترمیم سازه های دکتر حسین زمرشیدی وجداسازی لرزه ای در مقابل زلزله (ترجمه دکتر محسن تهرانی زاده و مهندس فرزانه حامدی ) و …
2- استفاده از مبحث ششم و آیین نامه زلزله 2800
3- استفاده از راهنمایی های اساتید و دوستان دانشگاهی
4- استفاده از سایتهای مفید(ایران سازه -معین عمران -سیویل استارز-و…
5- استفاده از کنفراسهای دانشگاهی و رسانه های کشور

1