طراحی و اجرای سیستم های جداساز لرزه ای در ساختمان ها
نیما نورمند
مطالب ارائه شده در این فایل بر اساس ضوابط زیر می باشند:
ضابطه شماره 523 با عنوان «راهنمای طراحی و اجرای سیستم های جداساز لرزه ای در ساختمان ها» چاپ 1398 که اکثر مطالب پیش رو از این ضابطه به عنوان ضابطه ی تخصصی مرتبط گرفته شده است.
ض-550 با عنوان «دستورالعمل طراحی ساختمان های دارای جداساز لرزه ای» چاپ 1389 که براساس ویرایش سوم آیین نامه 2800 نگارش یافته است.
آیین نامه ASCE7-16 آمریکا
2
مقدمه
جداسازی لرزه ای عبارت است از جداکردن کل یا بخشی از سازه از زمین یا قسمتهای دیگر سازه به منظور کاهش پاسخ لرزه ای آن بخش در زمان رویداد زلزله.
روش مرسوم طراحی لرزه ای سازه ها مبتنی بر افزایش ظرفیت سازه است. در این رویکرد طراحی لرزهای، ایجاد ظرفیت باربری جانبی در سازه، با افزایش مقاومت و تامین شکل پذیری آن صورت میگیرد. در نتیجه ی اجرای این روش، ابعاد اعضای سازه ای و اتصالات افزایش یافته و بطور معمول اعضای مقاوم لرزه ای همچون مهاربند یا دیوار برشی یا سایر اعضای سخت کننده به سازه اضافه میگردد.
رفتار سازه:
(الف) بدون سامانه ی جداساز لرزه ای
و استفاده از شکل پذیری
(ب) به همراه سامانه ی جداساز لرزه ای
3
افزایش سختی سازه که جذب نیروی بیش تر ناشی از زلزله را به دنبال داشته و سبب افزایش ابعاد اعضای سازه ای به منظور تامین مقاومت میشود، موجب کاهش ارزش اقتصادی پروژه میگردد. علاوه بر آن، در روش های مرسوم طراحی، امکان بروز آسیب در اجزای سازه و محتویات به دلیل تغییرشکلهای غیرخطی در اعضای سازه ای و غیرسازه ای یا وقوع تغییرمکان و شتابهای قابل توجه در طبقات، وجود دارد. کنترل و مهار آسیب های ناشی از زلزله به خصوص در تکانهای نسبتا شدید کاری دشوار است. براساس مشاهدات پس از رویداد زلزله های شدید، سازه های ساخته شده مبتنی بر روش های مرسوم طراحی و ساخت، مقادیر شتاب قابل توجهی را در طبقات تجربه میکنند.
بنابراین برای دسته ای از سازه ها مانند بیمارستانها، ساختمان های دارای ارزش هنری، پلهای مهم، نیروگاههای برق، موزه ها، ساختمان هایی که آسیب در آنها تهدیدی برای محیط زیست خواهد بود و سازه های مهمی که در مناطق با احتمال وقوع زلزله های شدید قرار دارند، روش طراحی مبتنی بر شکل پذیری ممکن است مناسبترین روش نباشد.
با پیشرفت دانش فنی و تجربه ی زلزله های شدید، به مرور تغییراتی در آیین نامه های طراحی سازه ها به وجود آمده و ضمن تغییر در فلسفه ی طراحی سازه ها، فناوری هایی همچون کنترل لرزه ای غیرفعال سازه ها به کار گرفته شده است. جداسازی لرزه ای نیز با هدف کاستن آسیب لرزه ای در طراحی و ساخت سازه های با اهمیت زیاد پیشنهاد میگردد. با استفاده از این روش، رفتار دینامیکی سازه در حد امکان، در محدوده ی از قبل پیشبینی شده قرار گرفته و میزان آسیب های لرزه ای به اجزای سازه ای و غیرسازه ای کاهش می یابد. روش جداسازی لرزه ای در زمینه ی بهسازی و مقاوم سازی لرزه ای سازه های موجود نیز قابل کاربرد است.
4
برای ساختمانهای ذیل، مطالعه برای انتخاب گزینه ی جداسازی لرزه ای به طور خاص براساس عملکرد و اهمیت توصیه میگردد:
ساختمانهای با اهمیت بالا: ساختمانهایی که عملکرد آن ها در وضعیت بحرانی پس از زلزله مهم است، مانند ساختمان های امدادرسانی و بیمارستانی؛
ساختمانهای دارای ارزش تاریخی و هنری (به عنوان یک گزینه در بهسازی لرزه ای)؛
بخشهای اصلی از شریانهای حیاتی همچون پلهای مهم یا نیروگاهها؛
واحدهای تولیدی دارای تجهیزات یا محصولات گرانقیمت یا راهبردی؛
ساختمان هایی که آسیب احتمالی در آنها، تهدیدی جدی برای محیط زیست تلقی گردد.
ایده ی طراحی سازه جداشده از پایه بر اساس کنترل نیروی زمین لرزه از طریق ممانعت از ورود انرژی لرزه ای به سازه بنا شده است. مطابق نتایج تحلیلی و آزمایشگاهی، سامانه های سازه ای مجهز به این فناوری پاسخ لرزه ای کوچکتری نسبت به سازه های متعارف دارد.
5
در جداسازی لرزه ای دوره ی تناوب اصلی سازه به کمک تجهیزاتی که مطابق شکل زیر بین روسازه و بخش پایین دست آن قرار میگیرد افزایش مییابد. در هر حال جداسازها ممکن است همگی در یک تراز افقی قرار گیرند یا با توجه به ماهیت، هدف جداسازی یا وضعیت معماری سازه در ترازهای مختلفی نصب گردند.
6
افزایش دوره ی تناوب طبیعی سازه موجب کاهش پاسخ لرزه ای سازه ها در زمان وقوع ارتعاشات با دوره ی تناوب حاکم کوتاهتر میگردد. این قابلیت در شکل ذیل نمایش داده شده است. در سازه های با پایه ثابت، احتمال وقوع تشابه یا نزدیکی دوره ی تناوب طبیعی سازه با دوره ی تناوب حاکم در ارتعاش ناشی از زلزله زیاد است. جداسازی لرزه ای در واقع باعث طولانی شدن دوره ی تناوب طبیعی سازه میگردد. این امر با توجه به طیف پاسخ شتاب زلزله، در اغلب موارد به کاهش نیروها و شتابها در سازه منتهی میگردد.
7
نیاز به کاهش شتاب مترادف با طراحی سامانه ی جداسازی با سختی کم است. این خود احتمال بوجود آمدن تغییرمکانهای قابل توجه در طی زلزله را افزایش میدهد. از این رو ساز و کارهایی به منظور استهلاک انرژی در سامانه ی جداسازی تعبیه می گردد تا ضمن محدود نمودن شتاب سازه، تغییرمکان نیز کاهش یابد. این ساز و کار استهلاک انرژی، همچنین پدیده ی تشدید پاسخ ناشی از وجود مولفه های با دوره ی تناوب طولانی در حرکت زمین را کاهش میدهد. در عین حال باید توجه نمود که در برداشتن میرایی زیاد در سامانه ی جداسازی خود موجب افزایش نیروی منتقل شده به سازه می گردد.
لازم است یک سامانه ی جداسازی دارای قابلیتهای زیر باشد:
بتواند نیروهای قائم ناشی از وزن و پاسخ زلزله در زمان زلزله را تحمل کند،
در مقابل بارهای جانبی دوره بهره برداری سختی کافی داشته باشد،
در هنگام وقوع زلزله در راستای افقی انعطاف پذیری لازم را تامین نماید،
قابلیت جذب انرژی داشته باشد،
پس از اتمام رویداد زلزله خصوصیات بازگشت به موقعیت اولیه را تامین نماید.
8
در ض-550 چنین آمده است:
تاکنون پژوهش های فراوان در باب تاثیر زلزله بر سازه ها در ایران و جهان انجام شده است. نتیجه کاربردی این پژوهشها در آئین نامه های طراحی ساختمانها در برابر زلزله و از جمله استاندارد ۲۸۰۰ ایران آمده است. روال کلی این آئین نامه ها بر تامین مقاومت و شکل پذیری کافی در سازه برای دستیابی به پاسخ غیرارتجاعی مطمئن در برابر زلزله استوار است. پذیرش پاسخ غیرارتجاعی در سازه به معنی بروز رفتار چرخه ای همراه با تجمع تغییر شکل های غیرخطی در سازه و به ویژه در سیستم باربر جانبی است. از مزایای این روش طراحی، کاهش شتاب پاسخ سازه و به دنبال آن، کاهش ابعاد و هزینه اجرای سازه است. از پیامدهای روش طراحی غیر ارتجاعی سازه در برابر زلزله، بروز تغییر شکل های بزرگ پس از وقوع زلزله های ویرانگر است که تخریب و نوسازی این سازه ها را برای استفاده مجدد الزامی می سازد. روش دیگری که تاکنون کمتر در آئین نامه های ایران به آن پرداخته شده است، تنظیم رفتار دینامیکی ساختمان به منظور کاهش انرژی ورودی زلزله به ساختمان است. این روش به نام جداسازی لرزه ای ساختمان شناخته می شود و بر این واقعیت متکی است که امواج پر انرژی زلزله معمولا در دامنه های محدودی از بسامدها منتشر می شوند.
9
اگر بتوان بسامد نوسان سازه را به نحوی تنظیم نمود که خارج از دامنه بسامد پر انرژی زلزله قرار گیرد، تراز نیروهای پدید آمده در سازه بسیار کاهش می یابد. به این ترتیب نیازی به جذب و استهلاک انرژی در سیستم باربر جانبی ساختمان نیست و می توان این سیستم را پس از وقوع زلزله مجددا مورد استفاده قرار داد. فناوری جداسازی لرزه ای ساختمان در تراز پی بسیار شناخته شده است.
همچنین سامانه باربر جانبی و سامانه جداساز باید به نحوی طراحی شوند که تحمل تغییر شکل ها و تنش های ناشی از حرکات لرزه ای زمین را داشته باشند.
اگر نیروهای باد مطابق مبحث ششم مقررات ملی ساختمان، تغییرشکل ها و یا نیروهای بزرگتری را در سازه ایجاد کنند، باید اثر باد را بجای اثر نیروهای ناشی از زلزله، در طرح سازه منظور نمود.
به لحاظ ساختاری مطالب ذکر شده در این ضابطه شباهت بسیاری با آیین نامه ASCE7-16 آمریکا دارد.
در اسلایدهای بعدی بطور مختصر با این ضابطه آشنا می شویم:
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
حال به بررسی مختصر مطالب ارائه شده در آیین نامه ASCE7-16 آمریکا می پردازیم:
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
نهایتا بهتر است مطالب ارائه شده در ضابطه تخصصی جداسازها یعنی ضابطه 523 را جهت تکمیل اطلاعات بررسی کنیم:
48
تحلیل و طراحی سازه ی جداسازی شده
ساختمانهای دارای جداساز لرزهای به دو روش نیروی معادل و دینامیکی تحلیل و سپس طراحی میشوند. با این حال معمولا در طراحی مقدماتی روش نیروی معادل استفاده شده و نتایج حاصل به منظور تحلیلهای دقیقتر و طراحی نهایی مورد استفاده قرار میگیرند.
انتظار میرود تا عملکرد سازه های جداسازی شده در زلزله های شدید و متوسط بهتر از سازه های با پای گیردار باشد. در ارزیابی بهبود عملکرد لرزه ای با استفاده از جداسازی لرزه ای باید اثرات ضربه ای آن بر شتاب های طبقه همانند جابجایی نسبی طبقه منظور شود زیرا این عوامل پارامترهای کلیدی در نیاز مهندسی هستند که در آسیب رسیدن به تجهیزات الکتریکی، مکانیکی و لوله کشی ها، سقف ها و جداکننده ها و همینطور محتویات ساختمان موثر میباشند.
در تجهیزات با پای گیردار، از دست دادن سطح عملکرد انتظار نمیرود مگر اینکه آسیب عمده ی سازه ای یا غیرسازه ای موجب شود دسترسی به بخشهایی از ساختمان امکانپذیر نباشد. در سایر موارد، یک مجموعه حتی در صورت تجربه آسیب محدود یا بدون آسیب سازه ای در نتیجه ی آسیب های وارده به اجزای غیرسازه ای یا محتویات آن، ممکن است کارایی خود را از دست دهد.
49
معرفی جداسازهای لرزه ای
در جداسازی لرزه ای کل یا بخشی از سازه برای کاهش پاسخ لرزه ای آن بخش در زمان زلزله از زمین یا قسمت های دیگر سازه جدا می شود. این کار با استفاده جداساز هایی که بر اساس مشخصات دینامیکی سازه، اهداف عملکردی مورد نظر طراح و شرایط خطر لرزه ای ساختگاه، طراحی و ساخته شده اند صورت می پذیرد. وظیفه ی اصلی این جداساز ها ایجاد فاصله بین دوره ی تناوب طبیعی سازه و محدوده ی دوره ی تناوب حاکم در ارتعاش زمین لرزه احتمالی در محل سازه ی مورد نظر است. علاوه بر این، انرژی ارتعاشی ناشی از زلزله نیز با کمک سازوکارهای مختلفی جذب شده و از انتقال آن به سازه جلوگیری می گردد.
جداساز وسیله ای است که سازه ی روی خود را از بخش زیرین جدا می کند. بر این اساس لازم است وسایل جداسازی لرزه ای دارای ویژگیهایی باشند که بتوانند معیارهای مربوط به تغییرمکان و نیرو را به طور همزمان مورد توجه قرار داده و میزان تقاضای لرزه ای نیرو-جابجایی محاسبه شده در روند طراحی ساختمان جداسازی شده را برآورده نمایند. این ویژگیها باید براساس سطوح لرزه ای مورد نظر در مراحل طراحی تامین گردند.
50
تراز جداسازی لرزه ای به گونه ای طراحی میگردد تا با ایجاد تغییرشکل، اهداف طراحی تحت زلزله های متوسط و شدید را فراهم آورد. در مقابل لازم است از هرگونه تغییرشکل در این تراز و حرکت در روسازه تحت بارهای سطح بهره برداری احتراز گردد. بنابراین میبایست در هنگام طراحی، سختی اولیه ی کافی برای جلوگیری از حرکت های ناخواسته ی ناشی از وزش باد و لرزه های با دامنه ی کم (بارهای سطح بهره برداری) برای آن تعبیه شده باشد.
توجه به مسائل اقتصادی ، اجرایی و دوام این تجهیزات در زمان طراحی و ساخت بسیار ضروری است. انتخاب گزینه جداسازی لرزه ای برای یک ساختمان و نوع وسایل جداسازی در کنار معیارهای فنی مستلزم مطالعه ی اقتصادی طرح است. طراح لازم است براساس هزینه وسایل جداسازی، فضای پیرامونی لازم برای ساختمان جداسازی شده و سایر پیشبینی های مورد نیاز در تراز جداسازی، اهمیت ساختمان و لرزه خیزی منطقه به مطالعه ی پروژه پرداخته و با مشورت با کارفرما نسبت به انتخاب گزینه جداسازی و وسایل لازم برای آن تصمیم گیری نماید.
51
انواع جداسازهای لرزه ای
به طور کلی جداسازهای لرزه ای را می توان به دو دسته ی جداسازهای لاستیکی و جداسازهای اصطکاکی تقسیم بندی کرد.
جداسازهای زیر از جداسازهای لاستیکی به شمار میروند:
– جداسازهای لاستیکی با ورق های فولادی (و میرایی کم)؛
– جداسازهای لاستیکی با میرایی زیاد؛
– جداسازهای لاستیکی با هسته ی سربی.
از جداسازهای اصطکاکی به طور عمده جداسازهای زیر در صنعت تولید میشوند:
– جداسازهای اصطکاکی تخت
– جداساز های اصطکاکی آونگی
برای استفاده ی همزمان از قابلیتهای جداساز های لاستیکی و اصطکاکی، این دو سامانه در موارد زیر با هم ترکیب شده اند:
– ترکیب سری جداسازهای اصطکاکی و لاستیکی؛
– ترکیب موازی جداسازهای اصطکاکی و لاستیکی.
52
جداساز های لاستیکی با ورق های فولادی
جداساز های لاستیکی با ورق های فولادی همان طور که در شکل نشان داده شده است از ورق های نازک لاستیکی و فولادی که به ترتیب بر روی هم چیده شده و تحت فشار و حرارت به شکل مجموعه ای متورق و یکپارچه در می آیند تشکیل شده اند. این جداساز ها که در ابتدا برای ایجاد انعطاف پذیری در پایه ی پل ها در زمان انبساط و انقباض استفاده شد، بعدها به منظور رفع مشکل ارتعاش ناشی از حرکت قطارهای زیرزمینی کارکرد مناسبی از خود نشان دادند. جداسازهای لاستیکی به آسانی تولید می شوند، و هزینه ی تولید آنها در مقایسه با دیگر انواع جداساز ها نسبتا پایین است. هم چنین خصوصیات مکانیکی آنها مستقل از تغییرات دمای محیط و سالخوردگی است. اما نظر به میرایی کم آنها، برای کنترل جابجایی جانبی بالاتر نیاز به میراگرهای الحاقی دارند.
53
جداساز های لاستیکی با هسته ی سربی
این جداساز شامل یک هسته ی سربی است که در داخل جداساز لاستیکی محصور شده است. جداسازهای لاستیکی قادر به تامین میرایی زیاد و جذب انرژی مناسب نیستند. با تعبیه ی یک هسته ی سربی در میان جداساز های لاستیکی می توان بر خصیصه ی نامساعد میرایی کم آنها غلبه نمود. دلیل انتخاب سرب برای این جداساز این است که فلز سرب دارای ساختمانی بلوری است. ساختار بلوری سرب با تسلیم شدن تغییر میکند اما بلافاصله با تغییر جهت حرکت به ساختار بلوری اولیه بازگشته و به این ترتیب تسلیم های متوالی تحت بارهای ارتعاشی دینامیکی جانبی باعث به وجود آمدن پدیده ی خستگی در آن نمیشود. عملکرد جداساز با هسته سربی به میزان نیروی جانبی وارده به آن بستگی دارد. این ویژگی از حرکت سازه ی جداسازی شده در برابر بارهای جانبی سطح بهره برداری، مانند باد یا زلزله های خفیف جلوگیری میکند. هسته ی سربی در جداساز های لاستیکی با تسلیم شدن در زمان ارتعاش، میزان میرایی را از حدود 3 درصد میرایی بحرانی در جداساز های لاستیکی به حدود 15 % تا 35 % میرساند.
54
جداسازهای اصطکاکی
در این نوع از جداسازی، روسازه اجازه می یابد تا در زمان رخداد زلزله های نسبتا بزرگ بر روی جداساز بلغزد. سازه به محض تجاوز نیروی برشی در طبقه ی 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 لرزه ای 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 میشود، سامانه ی جداسازی به محتوای فرکانس موجود در ارتعاش تحریک حساس نبوده و موجب تشدید مولفه های خاصی از آن نیز نمیگردد. در این حالت شتاب موجود در طبقه ی 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 داده اند. هرچند کاهش ضریب اصطکاک به هر میزان دلخواه به معنای افزایش تغییر مکان به وجود آمده در تراز جداسازی است.
55
یکی از خصیصه های قابل توجه در جداساز آونگ اصطکاکی، که اصطکاک استاتیکی نامیده میشود، آن است که نیروی جانبی لازم برای آغاز لغزش، بزرگتر از نیرویی است که عامل تداوم حرکت لغزشی است. جداساز آونگ اصطکاکی به مراقبت و نگهداری بسیار کمی نیاز دارد. خصوصیت دیگر این نوع جداسازی تناسب نیروی اعمالی از سامانه ی جداسازی با جرم سازه است. بنابراین مرکز جرم سازه با مرکز سختی تراز جداسازی یکی خواهد بود و در نتیجه ی آن پیچش در تراز جداسازی سازه های غیرمتقارن به وجود نخواهد آمد.
همچنین طراح باید به موارد زیر در طول دوره ی ساخت و نگهداری جداساز نیز توجه کافی مبذول دارد:
– امکان جوش خوردن سطح تماس جداسازها در طول زمان؛
– وقوع یخ زدگی؛
– مسئله خوردگی؛
– از بین رفتن سطوح کم اصطکاک در این تجهیزات.
56
طراحی سامانه های جداسازی لرزه ای
برای بررسی رفتار سازه ی مجهز به سامانه جداساز لازم است برحسب انتظاری که از ارزیابی سامانه جداساز و سازه ی بالای آن داریم مدلهای مناسب رفتاری و تحلیلی اتخاذ گردد.
روشهای معمول تحلیل سازه ی جداسازی شده عبارتند از:
– روش بار جانبی معادل؛
– روش دینامیکی؛
– روش طیف پاسخ؛
– روش تاریخچه ی زمانی.
57
عوامل مهم در انتخاب روش تحلیل سازه عبارتند است از:
وضعیت ساختگاه؛
تعداد طبقات سازه؛
ارتفاع سازه؛
دوره ی تناوب طبیعی سازه ی جداسازی شده؛
شکل و ترکیب سازه (منظم یا نامنظم بودن سازه)؛
ویژگی های سامانه ی جداسازی مانند: سختی موثر، قابلیت سامانه در تامین نیروی برگرداننده به مبدا؛
حداکثر تغییرمکان سازه؛
58
مدل های رفتاری وسایل جداسازی
چهارگونه رفتار برای پاسخ نیرو- تغییرمکان سامانه های جداسازی تعریف میشود. شکل زیر این رفتارها را به طور ایده آل با تغییرمکان طراحی مشابه برای زلزله ی طراحی نشان می دهد.
59
مدل رفتاری جداساز های لاستیکی با میرایی زیاد دارای ورق های فولادی
مدل هیسترتیک هموار و دوخطی که توانایی مدلسازی رفتار نشان داده شده در شکل زیر را داشته باشد، تا زمانی که حداکثر کرنش برشی در زیر ناحیه سخت شوندگی تقریبا برابر 1.5 تا 2 باشد، مناسب خواهد بود. در طول این محدوده کرنشی، رفتار سخت شوندگی که بیشتر الاستومرها از خود به نمایش می گذارند دارای سختی مماسی تقریبا دو برابر سختی مماسی پیش از شروع سخت شوندگی می باشد.
60
مبانی طراحی جداساز های لاستیکی با میرایی زیاد دارای ورق های فولادی
۱. تعیین وزن موثر لرزه ای سازه شامل بار مرده و درصدی از بار زنده مطابق استاندارد شماره 2800 ایران و نیروی قائم بر روی جداساز (PDL+LL)
۲. تعیین دوره ی تناوب طبیعی اصلی سازه ی جداسازی شده (T)
دوره ی تناوب اصلی سازه ی جداسازی شده به مشخصات ساختگاه بستگی دارد. در طراحی به عنوان یک معیار کلی حدود 3 برابر دوره ی تناوب اصلی همین سازه با پایه ی ثابت (با همان جرم و همان سیستم باربر لرزه ای) پیشنهاد میگردد.
۳. با داشتن دوره ی تناوب طبیعی و وزن سازه سختی جانبی موثر جداساز keff بار رابطه زیر محاسبه می شود:
4. تعیین حداکثر مقادیر تغییرشکل نسبی برشی موثر (γeff) مدول یانگ (E) و مدول برشی (G) برای لاستیک با استفاده از نتایج حاصل از آزمایش نمونه ها.
61
5. تعیین نسبت میرایی معادل موثر ξeff
6. تعیین فشار مجاز بر روی جداساز (σc)
7. تعیین تغییرمکان طرح سامانه جداساز لرزه ای(D) با استفاده از روابط و روش های مندرج در دستورالعمل.
مقدار تغییرمکان(D) به شدت لرزه خیزی منطقه و ضریب طیفی بستگی دارد که تابعی از مختصات ساختگاه، دوره ی تناوب اصلی سازه و میرایی سامانه ی جداسازی است.
8. ضخامت کل جداساز لاستیکی صرفنظر از ورق های فولادی بالا و پایین آن، بر اساس تغییرمکان، مشخص شده در بند 7 و حداکثر تغییرشکل نسبی برشی قابل تحمل توسط لاستیک، مشخص شده در بند 4، به شرح زیر محاسبه می شود:
9. مساحت جداساز برای تعیین ضخامت لایه ی لاستیکی و ابعاد آن از تعیین حداکثر سه مقدار محاسبه شده
10. ضخامت ورق های فولادی با توجه به میزان تنش تسلیم فولاد مصرفی از رابطه ی زیر محاسبه می شود:
62
11. برای جلوگیری از ناپایداری جداساز، متوسط تنش ایجاد شده در آن نباید از حدود مشخصی تجاوز کند. کمانش جداساز در مواردی مانند جداسازی سازه های نسبتا سبک اهمیت بیشتری مییابد. حدود تعیین شده برای جداسازها به قرار زیر است:
12. حداکثر تغییرشکل نسبی برشی جداساز (γmax) باید محدود گردد. با در نظر گرفتن ضریب اطمینان 3 تحت بارهای قائم این مقدار به رابطه ی زیر محدود می شود:
13. برای طراحی در حد نهایی با منظور نمودن اثرات زلزله، ضریب اطمینان 1.33 در نظر گرفته می شود. بر این اساس حداکثر تغییرشکل نسبی برشی بر اثر ترکیب فشار (γc) پیچش (γt) و بار جانبی لرزه ای (γeq) باید در رابطه زیر صدق کند:
63
14. برای پرهیز از چرخش جداساز، تغییرمکان جداساز تحت زلزله باید شرایط زیر را ارضا نماید:
64
مدل رفتاری جداسازهای لاستیکی با هسته ی سربی
منحنی ایده آل شده نیرو- تغییرشکل برای رفتار جداسازهای لاستیکی با هسته سربی در شکل زیر نمایش داده شده است.
65
مبانی طراحی جداسازهای لاستیکی با هسته ی سربی
طراحی این نوع از جداساز ها را می توان به دو بخش تقسیم کرد:
– طراحی هسته ی سربی؛
– طراحی بخش لاستیکی.
بسیاری از گام های طراحی این جداساز شامل مواردی است که در بخش طراحی جداساز لاستیکی با میرایی زیاد قید گردیده است.
دوره ی تناوب اصلی سازه ی جداسازی شده T به مشخصات ساختگاه بستگی دارد. در طراحی به عنوان یک معیار کلی حدود 3 برابر دوره ی تناوب اصلی همین سازه با پایه ی ثابت (با همان جرم و همان سیستم باربر لرزه ای) پیشنهاد میگردد.
نمودار طراحی جداساز لاستیکی با هسته ی سربی در زیر ارائه شده است:
66
67
جداسازهای آونگ اصطکاکی
استفاده از سطوح لغزشی به عنوان جداسازهای لرزهای در انتقال نیروی ناشی از حرکت قوی زمین به روسازه موثر میباشد. بر این اساس جداسازهای اصطکاکی با سطح لغزشی صاف یا کروی مطابق آنچه در شکل زیر نشان داده شده، کاربرد فراوان دارد.
68
مدل رفتاری جداسازهای آونگ اصطکاکی
نیروی جانبی جداساز آونگ اصطکاکی از رابطه زیر تعیین می شود:
مبانی طراحی جداسازهای آونگ اصطکاکی
عوامل مورد نظر طراحی در جداسازهای آونگ اصطکاکی عبارتند از:
شعاع انحنای سطح جداساز (R) ضریب اصطکاک لغزشی سطح جداساز (μs) و ابعاد جداساز.
شعاع انحنای سطح جداساز بر اساس دوره ی تناوب طبیعی
مورد نظر و با استفاده از رابطه ی زیر محاسبه میشود:
69
ملاحظات عمومی در زمان طراحی
سامانه ی جداسازی طراحی شده باید دارای قابلیتهای مندرج در جدول ذیل بوده و تامین این قابلیتها باید در مرحله ی طراحی در نظر گرفته شده و توسط آزمایشهای معینی تایید گردند:
از عوامل موثر بر طراحی می توان موارد زیر را نام برد:
مشخصات بستر- اثر نوع خاک- آثار حوزه ی نزدیک- اثر مولفه ی قائم زمین لرزه- توجه به تاثیر مودهای بالاتر- ارتفاع ساختمان- رفتار روسازه- انتخاب موقعیت تجهیزات جداسازی در ارتفاع- طراحی بر اساس شرایط محیطی- مقاومت در برابر آتش- سختی جانبی جداسازها- چیدمان جداسازها در پلان و …
70
مثال های طراحی
ساختمان بتن آرمه قاب خمشی دارای 5 طبقه با ابعاد 20 متر در 30 متر در پلان میباشد. طول هر دهانه 6 متر است. ساختمان در منطقه ی با خطر نسبی خیلی زیاد و خاک سخت (خاک نوع 2) قرار گرفته است. فرض میشود شرایط بارگذاری ستونها مشابه باشد. وزن موثر سازه روی هر ستون W=1570KN مقدار بار مرده و زنده در پای ستون مورد نظر PDL+LL= 335.16 kN و بار قائم ناشی از بار مرده، زنده و اثرات زلزله PDL+LL+EQ= 402 KN است. دوره تناوب طبیعی سازه با پایه ثابت T= 0.6 sec می باشد. به این ترتیب دوره تناوب سازه جداسازی شده T =1.59 sec در نظر گرفته میشود.
از سه جداساز زیر برای این منظور در سه مساله استفاده شده است:
الف- جداساز لاستیکی با میرایی زیاد
ب- جداساز لاستیکی با هسته سربی
ج- جداساز اصطکاکی آونگ وارونه
71
مقدار کرنش حد گسیختگی εb =500% و ضریب ثابت لاستیک k=0.57 میباشد. ظرفیت تنش فشاری لاستیکN/mm2 σc=7.84است. مقدار کرنش برشی حداکثر، مدول الاستیسیته و مدول برشی برای لاستیک به ترتیب:
G =106 N/cm2 E = 445 N/cm2 γmax = 150%
و میرایی موثر ξeff =5% در نظر گرفته شده است.
72
الف- طراحی جداسازهای لاستیکی
با میرایی زیاد (HDRB)
73
74
ب- طراحی جداساز لاستیکی با هسته ی سربی برای ساختمان مورد نظر
75
76
ج- طراحی جداساز اصطکاکی پاندول وارونه برای ساختمان مورد نظر
در محاسبات این جداساز مراحل تکرار محاسبات به منظور نیل به همگرایی مورد نیاز ارائه شده است.
77
78
منابع
آیین نامه طراحی ساختمان ها در برابر زلزله – استاندارد 2800
ضابطه شماره 523 – راهنمای طراحی و اجرای سیستم های جداساز لرزه ای در ساختمان ها – 1398
ضابطه شماره 550 – دستورالعمل طراحی ساختمان های دارای جداساز لرزه ای – 1389
الزامات طرح لرزه ای سیستم های جداساز و میراگر در آیین نامه ASCE7-16
الزامات طرح لرزه ای سیستم های جداساز و میراگر در آیین نامه ASCE7-16 به همراه تفسیر – ترجمه علی خان سفید و علی مقصودی – 1397
79