طراحی میراگر و جداگر لرزه ای

با توجه به زلزله های اخیر کشور و غیر مقاوم بودن بخش وسیعی از ساختمان های موجود در کشور و با توجه به اهمیت زیاد و مسئله مقاوم سازی ساختمانها درمقابل لرزه های نیرو های لرزه ای و طراحی بهینه ساختمان ها در مقابل زلزله ، بحث جدیدی که در سالهای اخیر میان دانشمندان علوم ژئو تکنیک و مهندسین طراح سازه ها مطرح شده است طراحی نوع جدیدی از ساختمانها است که شامل یک سیستم مهاربند لرزه ای باشند که فقط در مقابل ارتعاشات مختلف ناشی از زلزله عمل نموده و در تحمل بارهای استاتیکی هیچ نقشی نداشته باشند.

در سال های اخیر مبحث جداساز لرزه ای به طور خاص در طراحی لرزه ای ساختمان ها مورد توجه قرار گرفته است. هدف اصلی از این کار جداسازی سازه از زمین بجای استفاده از روش های مرسوم مقاوم سازی می باشد. انعطاف پذیری سیستم جداگر سبب افزایش زمان تناوب اصلی سازه و خارج شدن آن از محدوده انرژی مخرب زلزله می شود، از سوی دیگر خاصیت جذب انرژی سبب افزایش میرائی و در پی آن سبب کاهش تغییر مکان زیاد ناشی از انعطاف پذیری جانبی سیستم جداگر می شود. در این تحقیق از سیستم LRB برای سیستم جداسازی سازه استفاده شده است و نوعی از جداساز لاستیکی با هسته سربی به صورت دستی محاسبه و طراحی شده است. در ادامه برای بررسی رفتار سازه از تحلیل طیف پاسخ (غیرخطی) و تحلیل استاتیکی (غیرخطی) استفاده شده است.

انواع مختلفی از جداگرهای لرزه ای وجود دارند که در جزئیات متفاوت هستند ولی اساس و پایه همه ی آنها یکسان است . جداگرهای لرزه ای یک لایه با سختی نسبتا کم بین سازه و فونداسیون آن ایجاد می کند که با ایجاد این لایه پریود سازه نسبت به زمانی که سوار بر تکیه گاه ثابتی باشد افزایش می یابد . همین افزایش پریود سازه نسبت به حالت عادی آن سبب می شود که سازه ویژگی حساس به شتاب خود را از دست بدهد و نیروی ارتعاش لرزه ای وارده به سازه کم شود . بکار بردن جداگرهای لرزه ای باعث افزایش جا به جایی نسبی سازه می شود , که این جا به جایی نسبی در جداگرهای لرزه ای تجمع پیدا می کند و در نتیجه انتقال نیروی جا به جایی به ساختمان سازه کاهش پیدا می کند . (در زمان نامیرا بودن سیستم سازه ای) البته میرایی سازه تا حدی سبب کاهش تغییر شکل جداگرهای لرزه ای می شود .

جداگرهای لرزه ای

سیستم هایی که ارتباط بین سازه و فونداسیون را برقرار می کنند , غالبا از یک نشیمن استوانه ای شکل با ارتفاع کم و دارای حفره است که از جنس لایه های فولادی پلاستیک فشرده ساخته شده است . این سیستم ای لایه لایه در برابر فشار های قائم بسیار مقاوم و مستحکم و در برابر فشار های جانبی بسیار ضعیف و منعطف می باشد .

در کنار این نوع میراگر ها از میراگر های مکانیکی جهت افزایش میرایی استفاده می شود . میراگر های مکانیکی از رولپلاک هایی از جنس سرب که داخل حفره یا میراگر هیدرولیکی , میلگرد فولادی جای داده شده اند , تشکیل شده است .

نوع دیگری از جداگرهای لرزه ای , با کاهش ضریب اصطکاک و ثابت نگه داشتن آن از طریق جای گیری المان های لغزشی بین فونداسیون و کف سازه , عملیات بهسازی را انجام می دهد .

این سیستم از جداگر ها نیروهایی که به سازه وارد می شود را در خود ذخیره می کند و با وارد کردن نیرو به سازه , وضعیت آن را به تعادل می رساند .

در این نوع از جداگرهای لرزه ای از روش هایی استفاده می شود که قادر باشند نیروهای وارد شده به سازه را در خود ذخیره کنند و از طریق وارد کردن نیرو به ساختمان سازه , موقعیت سازه را متعادل کنند , روش های کنترل جا به جایی سازه در این نوع جداگرها به شرح زیر می باشد :

در واقع مهمترین اثر جداسازی لرزه ای، افزایش دوره تناوب سازه ها از مقدار ۰/۱ تا ۱ ثانیه، که در آن امکان اعمال شتاب های بالا به سیستم وجود دارد، به بازه ۲ تا ۳ ثانیه است. علاوه بر این، به دلیل وجود مکانیزمی جهت افزایش میرایی در جداساز لرزه ای، مقادیر استهلاک انرژی بالاتری نیز حاصل می گردد. تقاضای تغییرمکانی افزایش یافته که ناشی از انتقال دوره ی تناوب می باشد نیز توسط تجهیزات جداساز لرزه ای تحمل شده که اجازه می دهد روسازه به صورت یک جسم صلب حرکت کند.

می توان گفت که مهمترین چالش در مهندسی سازه در موضوع زلزله، کنترل همزمان دریفت (جابجایی نسبی) و شتاب طبقات است. در طرح های متعارف برای کاهش شتاب باید سازه را شکل پذیر و نرم کرد که این معنی افزایش دریفت و تحمل مقداری خسارت سازه ای و تغییر شکل های غیرخطی است. برای کنترل و کاهش دریفت نیز باید سازه را سخت کرد که این به معنی بزرگتر شدن ابعاد و یا تعداد المان های باربر جانبی است و خود منجر به افزایش جذب انرژی زلزله در قالب نیرو و افزایش شتاب وارده بر طبقات است. بنا به آنچه در ادبیات فنی آمده است، تا به امروز عملی ترین راه حل برای کنترل همزمان دریفت و شتاب (بدون آنکه بر یکدیگر تأثیر منفی بگذارند)، استفاده از روش جداسازی لرزه ای است. در این فیلم به وضوح این مزیت مشاهده می شود.

سابقه کاربرد روش جداسازی لرزه ای

جداسازی لرزه ‌ای  ایده‌ ای با سابقه ‌ی بیش از صد سال است. اولین گزارش استفاده از جداسازی لرزه‌ ای به سال ۱۸۸۵ میلادی بر می‌گردد که مایلن  معروف به پدر زلزله‌شناسی نوین، ساختمانی را به کمک نوعی غلتک جداسازی نمود. همچنین در آگوست سال ۱۹۰۹ میلادی، کَلانترییانتس  پزشکی از اهالی شمال انگلستان، در نامه‌ای به مسؤل خدمات لرزه‌شناسی شیلی  در سن تیاگو ، روش ابداعی خویش را در ساخت سازه‌ها این گونه معرفی می‌کند: ((ساختمان‌های مهم در کشورهای لرزهخیز را می‌توان به کمک این اصل و روش، به صورت ایمن از زمین جدا نمود و در نتیجه به واسطه‌ی مفاصل روغن‌کاری شده‌ی آزاد ، زلزله شدت خود را در مواجهه با این سازه‌ ها از دست می‌ دهد.))

جدا نمودن کامل سازه‌ها از زمین در این روش، با هدف رهایی کامل سازه از تأثیرات زمین‌لرزه، به صورت یک ایده‌ آل در نظر گرفته شده و در طی سالیان گذشته تلاش شده است تا با ابداع و توسعه‌ ی روش‌ ها و تجهیزات گوناگون به این مهم نزدیک شد.

جداسازی لرزه ای در مقایسه با روش های سنتی

با استفاده از روش های طراحی متعارف، امنیت محدودی را می توان در برابر زلزله به دست آورد. از رهگذر روش های سنتی، در صورت طراحی صحیح و اجرای مناسب، سازه ها فرو نریخته و می توان امنیت جانی را برای ساکنین تأمین نمود، اما این سطح عملکرد برای سازه هایی با اهمیت استراتژیک کافی نیست. سازه هایی مانند بیمارستان ها، ترمینال های فرودگاهی، پل های راه و راه آهن (به ویژه در شریان های ارتباطی)، کارخانه ها و مخازن مهم، می بایست حتی پس از زمین لرزه هایی قوی نیز عملکرد و سرویس دهی شان حفظ شود. در حال حاضر جداسازی لرزه ای موثرترین راه برای تحقق این مهم می باشد. این روش تنها راه مؤثر جهت کاهش توأمان شتاب و تغییرمکان نسبی طبقات است.

1-ایجاد سطح تماس منحنی

2-بکار بردن فنرهای کششی مستحکم و مقاوم

3-استفاده از نشیمن های لایه لایه

سیستم های پاندولی (FPS) در جداگرهای لرزه ای :

در این نوع جداگرهای لرزه ای که دارای ساختار دینامیکی هستند سازه بر روی سطوح لغزشی و استوانه ای شکل قرار دارد , زمانی که حرکات از مقدار آستانه بیشتر می شود این سطوح روی هم می لغزند .

در این نوع جداگرها زمانی که سطوح استوانه ای لغزش می کنند بدلیل خیز جزیی ساختمان عملیات دخیره سازی نیرو شکل می گیرد .

با پیشرفت علم مهندسی عمران و شروع طراحی سازه های مقاوم در برابر زلزله و مقاوم سازی ساختمانهای موجود ، ایده های مختلفی توسط صاحبان عقیده در این مورد بیان شده . تحقیقات بسیار وسیعی در کشورهایی نظیر ژاپن ،نیوزلند و ایالات متحده انجام شد و نتایج این تحقیقات در قالب ایده ای جدید مقاوم سازی لرزه ای ساختمانها اعلام شد . در این روشها که از اوایل دهه 1960 پایه ریزی شد ،  ممانعت از لرزش ساختمانها در هنگام زلزله در رأس کار قرار داشت . سیستم هایی که ارائه شد ، بر این پایه استوار بودند که سازه را در مقابل زلزله جداسازی کنند .با تعریف اعضا جدیدی در سازه با نام

میراگر (Damper) که عامل اتلاف انرژی لرزه ای وارد به ساختمان هستند و به کار بستن آنها در ساختمانها می توانیم یک ساختمان بهینه سازی شده داشته باشیم که درمقابل انواع بار های دینامیکی ناشی از زلزله رفتاری مناسب و مطلوب از خود ارائه می دهد .

هدف اصلی در این روشها جلوگیری از انتقال مستقیم نیروی زلزله از پی به سازه می باشد . در این روشها اگر درست اجرا شوند می توانیم نتایج قابل قبولی داشته باشیم که مزیت اصلی این شیوه در مقابل شیوه های معمول مقاوم سازی (از قبیل نصب بادبندها – قابهای خمشی – دیوارهای برشی و .... که همگی در صلب کردن بیشتر سازه ها در مقابل نیروهای زلزله تلاش می کنند) می باشد .

در این روش چون نیروی زلزله به سازه وارد نمی شود و یا سهم اندکی از آن به سازه منتقل می شود نتایج زیر را می توان انتظار داشت : 

1-تغییر مکان طبقات و تغییر مکانهای نسبی طبقات (drift) کاهش یابد.

2-کاهش قابل ملاحظه ای در شتاب طبقات بوجود می آید.

3-خسارات سازه ای و نیز خسارات غیر سازه ای به مقدار محسوس کاهش می یابد.

4- از مشکلات معماری در طراحی ساختمانها کاسته شود .

5- هزینه اجرای سازه ها بدلیل استفاده از مقاطع با ظرفیت کمتر کاهش یابد .

-میراگر چیست؟

 اصولا در مورد همه ی مواردی که در طبیعت وجود دارند یکی از خصوصیات ذاتی ماده ، میرایی ماده می باشد. همانطور که با دانستن ضریب الاستیستیه یک ماده می توانیم محاسبات

مربوط به مصالح تشکیل شده از آن ماده را انجام دهیم ، با دانستن میرایی یک ماده نیز می توانیم به تحلیل دقیقتری از سیستم های متشکل از آن ماده دست بیابیم. با توجه به اینکه میرایی

داخلی (که به جنس ماده بستگی دارد) در جامدات تحت تاثیر عوامل مختلفی نظیر تاثیرات حرارتی ، پدیده خستگی و پدیده باوشینگر تغییر می کند برای اینکه بتوانی مصالح با میرایی معلوم

داشته باشیم بایستی تاثیرات این عوامل را در مصالح مورد نظر به حداقل برسانیم .روشهای مختلفی برای تولید مصالح دارای میرایی معلوم که اصطلاحاً میراگر نامیده می شوند ، وجود دارد

همان طور که گفته شد اولین تلاشها در این زمینه از اوائل دهه 1960 میلادی صورت گرفت در این زمان سیستمهای انتخاب شده برای جداسازی لرزه ای بسیار محدود بودند این سیستمها شامل

میراگر های تیر فولادی و قطعات لاستیک لایه ای که در پی ساختمان نصب می شوند بودند . در همان زمان با تحقیق دررفتار فلزات سیستم جدیدی که بر پایه رفتار پلاستیک سرب بنا شده بود

معرفی شد که انرا سیستم میراگر سربی – تزریقی نامیدند و اولین بار در پل تقاطع یکی از خیابانهای نیوزلند استفاده شد .

روش منطقی دیگری که همزمان پیشنهاد شد استفاده از تغییر شکل پلاستیک تیرهای فولادی برای ایجاد میرایی داخلی لخت درساختمان بود .ین روش در سال 1966 توسط پوپوف ارائه شد .

 میراگر های تیری فولادی که نسبت به اعضاء فولادی دیگر مقاومت بیشتری در مقابل پدیده خستگی دارند با تلاشهای کلی و همکاران در سال 1972- اسکینر 1974 - تیلور و همکاران در سال 1991 معرفی شدند . اصولا سه نوع میراگر تیرفولادی در آن سالها ارائه شد که عبارت بودند از میراگر های پیچیشی – میراگر های تیری با مقطع متغییر و میراگر های با لنگر یکنواخت

در همه این میراگر ها با استفاده از فولاد مناسب تر و شکل مناسب تر تیرها و جوشکاری در محلهایی دور  از ناحیه تغییر شکل پلاستیک میرایی قابل قبولی حاصل می شد .

بررسی دیگری در سالهای 1994 و 1995 توسط دانشمندان ژاپنی صورت گرفت که در آنها با انجام آزمایشات مختلفی روی میراگر ها و رسم منحنی هسیترزیس آنها اقدام به پایه ریزی سیستمهای اتلاف انرژی کردند. تلاشهای دیگری نیز در این زمینه توسط محققین ژاپنی و آمریکایی و نیوزیلندی انجام شده است .

زمین لرزه های معمول اغلب دارای زمان تناوب ها یی در محدوده ی0.10 تا 1ثانیه می باشند. سازه های با زمان تناوب 0 تا 1 ثانیه در مقابل این زمین لرزه هاآسیب پذیرتر هستند،

چرا که ممکن است در آن ها پدیده تشدید رخ دهد. مهم ترین ویژگی جداسازی لرزه ای، ایجاد انعطاف پذیری است که باعث افزایش زمانتناوب طبیعی سازه می شود.

افزایش زمان تناوب طبیعی احتمال رخ داد پدیده ی تشدید را کاهش می دهد، و هم چنین باعث کاهش شتاب در سازه می شود و این امر روی جابه جایی های افقی نیز تأثیرگذار است

افزایش زمان تناوب و آثار آن در مقادیر حداکثر جابه جایی در سازه ی جداسازی شده با میرایی کم ممکن است در زمین لرزه های قوی به حدود یک متر نیز برسد، و میرایی می تواند این مقدار را به حدود50 تا 400 میلی متر برساند . این مقدار جابه جایی باید به وسیله ی درز لرزه ای تأمین شود. پاسخ های حقیقی سازه به عوامل مختلفی نظیر توزیع جرم، پارامترهای جداسازی لرز ه ای و ... وابسته است.

انواع میراگر های غیر فعال Passive Dampers

میراگر اصطکاکی Friction Damper ، میراگر ویسکو الاستیک Viscoelastic Damper میراگر ویسکوز Viscous Damper ،میراگر جرمی تنظیم شده

Tuned Mass Damper ، میراگر مایع تنظیم شده Tuned Liquid Damper  را نام برد.  هر سیستم در موارد خاصی ممکن است عملکرد بهتری داشته باشد

این سیستمها به طور کلی به گروه های وابسته به جابجایی ، وابسته به سرعت وسایرموارد تقسیم می گردند. وسایل وابسته به جابه جایی باید شامل وسایلی باشند که رفتار سخت- پلاستیک )مانند وسایل اصطکاکی(

یا رفتاردو خطی )مانند وسایل فلزی جاری شونده) داشته باشند. وسایل وابسته به سرعت شامل میراگر های ویسکو الاستیک و ویسکوز میباشند. تجهیزات اتلاف انرژی که در این دو دسته قرار نمی گیرند جزء سایر

محسوب می گردند.در این قسمت هر یک از میراگر های فوق معرفی گشته و چگونگی کار کرد آنها توضیح داده می شود.

میراگر های وابسته به تغییر مکان به دو دسته میراگر تسلیمی و اصطکاکی تقسیم می شوند که با توجه به نصب و تعویض نسبتا آسان ارزان و ساده سیستم های اصطکاکی ، نسبت به سیستم های تسلیمی ، دارای مزیت بیشتری هستند.

میراگر های فلزی تسلیمی  (Metallic yield damper):

با دانستن ساختمان کریستالی فلزات مختلف می توانیم رفتار میرایی این فلزات را در شرایط بارگذاری تناوبی بررسی نموده و خواص میرایی مطلوب در محدوده قبل از نقطه تنش تسلیم (point yield) مشاهده کنیم .

<span lang="AR-SA" style="font-size: 12.0pt; mso-ansi-font-size: 11.0pt;