مطالعه ابزارهای جداکننده ساختمان از زمین
باگسترش روش جداسازى ساختمان از زمین براى محافظت آن در مقابل حرکات ناشى از زمین لرزه در سالهاى اخیر سیستمهاى گوناگونى طراحى و ساخته شده است . در این گزارش انواع سیستمهاى موجود بطور خلاصه مورد بررسى قرار می گیرد.
1- عناصر سیستم جداساز
هر شیوه جداسازى ساختمان باید بتواند اهداف زیر را تامین کند:
توانایى در ایجاد انعطاف پذیرى مناسب براى سازه
کاهش تغییر مکان کف به منظور افت خرابیهاى سازه اى و غیرسازه اى
کاهش فرکانس ارتعاشی سازه
کاهش نیروهاى طراحى زلزله
به این منظور سه عنصر اساسى زیر در سیستم مورد نظر قرار می گیرد:
1- یک تکیه گاه انعطاف پذیر براى افزایش زمان تناوب سازه و در نتیجه کاهش نیروها
2- یک مستهلک کننده یا جاذب انژرى براى کنترل تغییر مکان نسبى سازه و زمین در حد طراحى عملى
3- یک سیستم ایجاد کننده صلبیت در برابر بارهاى کم اثر نظیر باد یا زلزله هاى کوچک
2-سیستمهاى جداسازى
یکى از سیستمهاى ساده و معمول جداکننده تکیه گاههاى لاستیکى است .کاربرد لاستیک براى مهار ارتعاش عمودى بسیار زودتر ازکاربرد آن به صورت جداکننده نیروهاى افقى انجام یافت . امروزه با مسلح کردن لاستیک به ورقه هاى فولادى سختى قایم آن را افزایش می دهند در حالیکه انعطاف پذیرى آن در امتداد افقى حفظ می شود. مدل ریاضى این سیستم با عملکرد موازى فنر و میراکننده قابل بیان است .
استفاده از لاستیک براى ساختمانهاى سخت نظیر ساختمانهاى اجرى یا بتن غیر مسلح که حداکثر 7 طبقه باشند , بخاطر نداشتن فشار برخاستى (Uplift) مناسب است . گاهی این سیستم را با یک سیلندر سربی مرکزی همراه می کنند. هسته سربی افزایش قابل توجهى در استهلاک ایجاد می کند , بطوریکه استهلاک بحرانى لاستیک از حدود 3 درصد به 10 تا 12 درصد می رسد . ضمن اینکه مقاومت در برابر نیروهاىکوچک , نظیر باد افزایش مییابد .
امروزه لاستیکهاى این جداسازها , از لاستیک طبیعی کاملاً متراکم با خواص مکانیکى مطلوب , جهت چنین سیستمى ساخته می شود . برای کرنشهاىکم سختى برشى این لاستیکها زیاد است , اما با نسبتى در حدود 4 به 5 با افزایش کرنش کاهش می یابد, تا اینکه درکرنش برشى 50 درصد به حداقل خود برسد. براىکرنشهاى بزرگتر از 100 درصد سختى مجددا شروع به افزایش می کند. پس در بارهاىکوچک ناشى از باد یا زلزله خفیف , سیستم داراى سختى بالا و زمان تناوب کوتاه است ولى با افزایش شدت بار , سختی افت می کند. براى بارهاى خیلى زیاد نظیر زلزله نیز طراحى سازه به گونه اى است که افزایش مجدد سختى , در جهت افزایش ایمنى در برابر شکست , عمل می کند. تغییر میراى سیستم نیز به همین شیوه اما با تغییرات کمتر می باشد , بطوریکه از یک مقدار اولیه در حدود 20 درصد تا حداقل 10 درصد کاهش می یابد و سپس مجددا زیاد می شود. در طراحى سیستم , مقدار سختى و میراى حداقل فرض می شود و طیف خطى در نظر گرفته می شود. سختى بالاى اولیه فقط براى بارهاى طراحى باد , و سختى درکرنش زیاد , فقط برای ایمنى در برابر شکست مورد نظرند .
عوامل گوناگون دیگرى از جمله خزش کم و حفظ خواص در درجه حرارتهاى پایین نیز در طرح این لاستیکها مورد نظر است . خزش زیاد منجر به تنش وکرنش موضعى بالا در لاستیک می شود و در یک وضعیت بحرانی می تواند موجب انحراف ساختمان گردد. از طرف دیگر در حرارتها و فرکانسهاى بالاتر از معمول , حساسیت خواص به حرارت و سرعت بار باعث تغییر سختى و استهلاک می شود.
یک فرم ساده دیگر از سیستمهاى جداکننده سیستم اصطکاکى است . این سیستم در حالت ساده با یک عنصر اصطکاکى مدل می شود . با وجود کارهاى تحلیل نظرى فراوانى که بر روى این سیستم انجام شده است , ازمایشهاى عملى براى ان بویژه در مقیاش بزرگ و با استفاده از میز لرزان بسیار کم انجام گرفته است . این سیستم براى خانه سازى ارزان قیمت بسیار مناسب است زیرا نیاز به تکنولوژی پیشرفته یا مهارت ویژه براى یک ساختمان معمولى ندارد. به همین دلیل براى مثال در چین انتخاب شده است . ایجاد این سیستم نیاز به تامین یک لایه جداساز در زیر کف سازه دارد. این لایه در چین با استفاده از ماسه تجربه شده است . ساختمانهاى آجرى یا بلوکهاى سیمانى که نسبتاً سخت و سنگین است و مستعد خرابى در اثر زمین لرزه می باشد می تواند با حضور این لایه لغزنده عملکرد خوبى داشته باشد .
استفاده از عنصر اصطکاک که یک عامل خوب استهلاک انرژى است باعث شده است تا در سیستهاى لاستیکى نیز تحولى ایجاد شود یک شیوه تحول یافته جایگزین کردن لایه هاى لاستیک با لایه هاى با روکش تفلون است که می تواند در تماس اصطکاکى با هم قرار گیرد . در وسط نیز یک سیلندر مرکزى لاستیکى قرار داده می شود . بنابراین , مدل ریاضى این سیستم از ترکیب موازى عناصر اصطکاکى , با فنر و میراکننده بدست میاید .
مشابه این سیستم توسط Electricite de France طراحى شده است . به این ترتیب که بدنه جداکننده از ورقه هاى نئوپرن مسلح شده با فولاد , ساخته می شود و در یک ورقه الیاژ سرب – برنز , قرار داده می شود . این صفحه با یک ورقه فولادى که در سازه , تعبیه می شود تماس اصطکاکى ایجاد می کند . بنابراین سیستمهاى اصطکاکى و الاستیک بطور سرى با هم ترکیب می شوند. فلسفه طراحى چنین سیستمى اینست که در زلزله هاى ضعیف انعطاف پذیرى جانبى ورقه هاى نئوپرن وارد عمل شود. اما در یک زلزله شدید عملکرد اصطکاکى ورقه بالاى جداکننده , با محدودکردن نیروى منتقل شده , سازه را حفظ نماید.
در نوع دیگر تکیه گاههاى الاستیک که در نیوزلند بکار رفته است هسته سربی براى میراکردن انرژى مطرح مىشود. این سیستم از تکیه گاه لاستیکى لایه لایه با یک سیلندر مرکزى تشکیل شده است و انعطاف پذیرى جانبى آن توسط لاستیک تامین می شود. در مدل ریاضى چنین سیستمى یک عنصر هیسترتیک با فنر و میراکننده بطور موازى عمل می کند.
یکى دیگر از سیستمهاى پشتیبانى شده اخیر ترکیب جدیدى از عملکردهاى اصطکاکى و الاستیک است . در این سیستم ورقه هاى باروکش تفلون جایگزین ورقه هاى نئوپرن سیستم Electricite de France می گردد. به این ترتیب می توان گفت که یک عنصر اصطکاکى در ترکیب سرى با عناصر سیستم لایه هاى روکش تفلون قرار می گیرد. حضور دو عنصر اصطکاکى در این سیستم غالباً عملکرد بهترى نسبت به سیستمهاى قبلى نشان داده است.
سیستمهاى مشابه دیگرى نیز بر پایه مسیستهاى بالا طراحى شده است ولى اغلب انها رفتار جدیدى ارائه نمی کند و با مدلهاى بیان شده قابل تعریف است . براى مثال به منظور جداکردن تجهیزات داخلى ساختمان از یک سیستم فنر مارپیچ و یک میراکننده ویسکوز استفاده می شود که در واقع همان عملکرد تکیه گاه الاستیک را دارد. همچنین از انجا که در سیستمهاى اصطکاکى , نیروى برگرداننده به حالت اولیه پس از یک زلزله , وجود ندارد سیستمهاى اصطکاکى اونگى طراحى شده است که در انها با استفاده از یک نیمکره این نیروى جانب مرکز تامین می شود.
مقاله از فریبرز محمدی تهرانی سمینار کارشناسی ارشد