امنیت ساختمان یکی از مهمترین و عمده ترین مشکلات مهندسین سازه می باشد. از آنجایی که ایران نیز یکی از کشورهای زلزله خیز است، ایمنی سازه ها و ساختمان ها باید یکی از اولویت های اصلی هر مهندسی باشد. روش ها و راه های مختلفی برای محافظت از ساختمان ها در برابر تنش ها، فشارهای جانبی و زلزله استفاده شده است که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. این روش ها شامل استفاده از دیوارهای سفت کننده، قاب های خمشی و یا استفاده از عناصر مهار بندی در داخل قاب ها می باشد. در این مقاله به معرفی و بررسی انواع جداساز لرزه ای می پردازیم.
جداساز لرزه ای چیست ؟
استفاده از میراگر لرزه‌ای در مقاوم‌سازی سازه ها برای ایجاد استحکام و مقاومت در برابر زلزله یکی از روش هایی است که اخیراً در صنعت ساختمان سازی بسیار مورد استفاده قرار گرفته است. جداساز لرزه ای سازه هایی هستند که ساختمان ها را در برابر نیروهای مخرب زلزله و در مناطق کنار خطوط راه‌آهن از نیروهای حرکت قطار سریع محافظت می کنند.
یکی از مزایای استفاده از جداساز لرزه ای این است که سیستم تا حد زیادی از انتقال بارها و فشارهای ناشی از حرکات افقی زمین به ساختمان و سازه جلوگیری می کند. از طرفی استفاده از جداساز لرزه ای باعث انحراف فرکانس اصلی ساختمان از فرکانس زلزله می شود. مزیت دیگر استفاده از جداساز لرزه ای این است که محتویات و اجزای داخلی ساختمان نیز از خطرات احتمالی محافظت می شود.
انواع سیستم های جداساز لرزه ای
جداساز لرزه ای انواع مختلفی دارد که هر کدام ویژگی ها و کاربرد خاص خود را دارند. نمونه هایی از انواع آن را در زیر مشاهده می کنید:
جداساز های لرزه ای الاستومری
در سال 1979، نشیمن های لاستیکی طبیعی برای اولین بار در یک مدرسه شهری یوگسلاوی برای محافظت از ساختمان در برابر لرزش استفاده شد. این نوع جداساز از لاستیک استفاده می کند که میرایی خاصی ندارد. با اعمال روش جداساز لرزه ای الاستومری می توان حرکت افقی زمین را به نوعی حرکت گهواره ای تبدیل کرد. در دو طرف نشیمنگاه این نوع جداساز لرزه ای بلوک هایی از شیشه اسفنجی برای محافظت ساختمان در برابر زلزله های با شدت کم، فشار و بارگذاری ترافیک در ساختمان و فشار باد وجود دارد.
جداساز لرزه ای اصطکاکی
در این نوع جداساز لرزه ای از موادی مانند پودر گرافیت، ماسه، دلرین (پلیمر ترموپلاستیک)، ورق های وینیل و ... برای تقویت اثر جداساز در زلزله استفاده می شود. استفاده از جداساز لرزه ای اصطکاکی خالص در زیر ستون های آجری و یا دیوارهای باربر، بیشتر در ساخت ساختمان های سنتی کاربرد دارد.
جداساز لرزه ای لاستیکی طبیعی (با قدرت میرایی بالا)
جداساز لرزه ای لاستیکی طبیعی (با قدرت میرایی بالا) نیز نوعی جداساز لرزه ای است. در ساخت این جداساز لرزه ای از موادی مانند رزین، روغن، بلوک های بسیار کوچک زغال سنگ و مواردی از این دست استفاده می شود تا میرایی مورد نیاز حاصل شود.
جداساز لرزه ای لاستیکی طبیعی (با قدرت میرایی پایین)
جداساز لرزه ای لاستیکی طبیعی (با نیروی میرایی کم) از دو صفحه فولادی ضخیم در بالا و پایین تشکیل شده است تا از انبساط لاستیک به طرفین جلوگیری کند. در ساخت این نوع جداساز لرزه ای از چند ورق فولادی نازک نیز استفاده شده است. صفحات فولادی ضخیم تر نیز سختی عمودی را تا حد زیادی افزایش می دهند. نیاز به این نوع از جداساز های لرزه ای به یک میراگر و جداساز لرزه ای اضافی یکی از نقاط ضعف این جداساز می باشد.
جداساز لرزه ای اصطکاکی با حرکت رفت و برگشت (آونگی)
این نوع جداساز لرزه ای در سال 1986 اختراع شد. سیستم جداساز لرزه ای اصطکاکی با حرکت رفت و برگشت (آونگ) دارای مفصلی است که لغزنده است و با یک سطح کروی تماس برقرار می کند. این قسمت با موادی با اصطکاک کم و روی دیگر آن با فولاد ضد زنگ پوشانده شده است و در شیاری قرار دارد که با ترکیبات اصطکاک کم نیز پوشیده شده است. در صورت وقوع زلزله و چنین فشارها و بارهایی، قسمت لغزنده در امتداد سطح کروی حرکت می کند و نیروی دافعه ایجاد می شود و اصطکاک ایجاد شده در اثر تماس قسمت لغزنده با سطح کروی، نیروهای تخریبی را کاهش می دهد.
جداساز های لرزه ای الاستومر مسلح با الیاف
یکی از معایب جداساز لرزه ای با صفحات فولادی این است که وزن آنها به حدی است که گاهی به 1000 کیلوگرم می رسد. استفاده از الیاف نه تنها وزن جداساز لرزه ای را کاهش می دهد، بلکه باعث کاهش قیمت و صرفه جویی اقتصادی می شود. الیاف به کار رفته در این نوع جداساز الیاف پلیمری لرزه ای هستند که سختی و استحکام بالایی دارند.
جداساز لرزه ای لاستیکی با هسته سربی
نیوزلند اولین کشوری بود که جداساز لرزه ای دارای هسته سربی را اختراع کرد. این نوع، مشابه جداساز لرزه ای لاستیکی طبیعی (با میرایی کم)، دارای دو صفحه فولادی ضخیم با یک نشیمن لاستیکی لایه ای در بین آن است. اما تفاوت جداساز لرزه ای دارای هسته سربی با لاستیک طبیعی (با قدرت میرایی کم) در این است که این نوع هسته سربی دارای یک یا چند هسته سربی است که در اثر نیروهای زلزله که واکنش می دهند در سوراخ های خاصی قرار می گیرند و این نیروها را کاهش می دهند.
جداساز لرزه ای دارای پایه های اصطکاکی پس جهنده
جداساز لرزه ای با پایه های اصطکاکی پشتی نوع دیگری از جداساز لرزه ای است که از هسته لاستیکی و لایه های لغزشی ساخته شده است. هسته مرکزی لاستیکی این نوع از جداساز هیچ بار عمودی را تحمل نمی کند، اما نیروهای برگشتی و رفت و برگشتی را فراهم می کند و لایه های لغزنده نیز مسئول کاهش ضریب اصطکاک هستند. میله های فولادی در داخل هسته لاستیکی قرار می گیرند تا توزیع جابجایی بین لایه های لغزش را بهبود بخشد.
اصول مقاوم سازی ساختمان با سیستم جداساز لرزه ای
مقاوم سازی ساختمان و ارتفاع آن بر روی سیستم جداساز لرزه ای مانع از انتقال بیشتر حرکات افقی زمین به ساختمان می شود.(تا 80 درصد اثرات زلزله را کاهش می دهد) که منجر به کاهش شدید شتاب های کلاس و جابجایی بین طبقاتی می شود. این روش مستلزم نصب جداساز در یک طبقه ساختمان (ترجیحاً در سطح فونداسیون) است. هنگامی که جداساز نصب می شود، تغییر شکل لرزه ای جانبی در آن متمرکز می شود و تغییر شکل نسبی لایه های بالایی به طور قابل توجهی کاهش می یابد.
در حال حاضر جداساز لرزه ای فناوری پیشرفته ای است که در بسیاری از کشورها برای کاهش آسیب های ناشی از زلزله های بزرگ به سازه ها استفاده می شود. روش های متداول ساخت و ساز می تواند باعث شتاب بسیار زیاد سقف ها در ساختمان های سخت و جابجایی های بین طبقه ای بزرگ در ساختمان های انعطاف پذیر شود. این دو عامل باعث ایجاد عدم اطمینان در مورد ایمنی عناصر سازه ای و محتوای آنها می شود.
همانطور که گفته شد، قرارگیری ساختمان در سیستم جداساز از انتقال حجم زیادی از حرکات افقی زمین به سازه جلوگیری می کند. این امر به میزان قابل توجهی از شتاب و حرکت افقی زمین بین طبقات می کاهد و در نتیجه از محتویات و اجزای ساختمان محافظت می کند. مزیت دیگر جداساز لرزه ای این است که دوره ارتعاش اصلی سازه را طولانی می کند و آن را به مناطقی با انرژی کمتر زلزله در طیف پاسخ منتقل می کند. در نتیجه، نیروهای واکنش به طور قابل توجهی کاهش می یابد.
مقاوم سازی با جداسازی لرزه ای :
لازم به ذکر است که مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای تمام ابعاد ساختمان را پوشش می دهند و در قسمتی از سازه قابل استفاده نیستند زیرا این عمل باعث ایجاد اختلاف در جابجایی هر دو قسمت ساختمان می شود. دوره نوسان در طرح های با استفاده از جداکننده ها به دلیل استفاده از این جداکننده ها 2 تا 4 ثانیه تخمین زده می شود.
همچنین در ساختمان هایی که در زمین های بسیار ضعیف و یا ساختمان های بسیار بلند قرار دارند و امکان انعطاف پذیری وجود ندارد، استفاده از جداکننده می تواند بسیار مفید باشد.از زمان مقاوم سازی لرزه ای با جداساز، مکانیسم های اتلاف انرژی در سیستم جداساز برای کاهش جابجایی و کاهش شتاب سازه نصب شده است.
مزایای جداساز لرزه ای:
- حفظ استفاده از سازه در حین و بعد از زلزله و اطمینان از سطح کارایی بدون وقفه (IO)
- کاهش نیروی لرزه ای وارد بر سازه
- رساندن آسیب های سازه ای و غیر سازه ای به صفر
-کاهش مصالح مورد نیاز برای ساخت به بیش از 20 درصد
کاهش نیاز به سیستم های پشتیبانی جانبی مانند پایه ها یا دیوارهای سفت کننده
- قابل استفاده در سازه های موجود
بنابراین سیستم جداساز باید دارای قابلیت های زیر باشد:
1- می تواند نیروهای عمودی ناشی از وزن و واکنش زلزله در هنگام زلزله را تحمل کند.
2- در جهت افقی انعطاف لازم را فراهم کنید.
3- قادر به جذب انرژی باشد. این قابلیت ها را می توان به صورت همزمان در یک دستگاه و یا با استفاده از چندین دستگاه با ارائه به سیستم جداساز ارائه کرد. علاوه بر این، طراح ممکن است ضربه گیرهایی را در سیستم لرزه ای جداساز برای محدود کردن جابجایی جداساز فراهم کند. دو گروه اصلی از جداساز لرزه ای برای کنترل نیروی منتقل شده به سازه ها در ساختمان ها استفاده می شوند:
استفاده از جداساز های لاستیکی برای افزایش تناوب طبیعی سازه.
استفاده از جداساز های اصطکاکی و کنترل حداکثر نیروی منتقل شده به سازه و اتلاف انرژی در محل جداساز. جداساز باید استحکام لازم برای تحمل وزن سازه را داشته باشد.
به طور کلی، جداساز لرزه ای را می توان به دو دسته تقسیم کرد: جداساز های لاستیکی و جداساز های اصطکاکی
جداساز های زیر از جداساز های لاستیکی هستند:
– جداساز های لاستیکی با ورق های فولادی (و میرایی کم)؛
– جداساز های لاستیکی با میرایی بالا؛
- جداساز های لاستیکی پبا هسته سرب.
از جداساز های اصطکاکی به طور عمده جداساز های زیر در صنعت تولید می شوند:
– جداساز های اصطکاکی؛
– جداساز های الاستیک اصطکاکی؛
– جداساز های اصطکاکی پاندولی.
به منظور استفاده همزمان از جداساز های لاستیکی و اصطکاکی، هر دو سیستم در موارد زیر ترکیب می شوند:
- ترکیبی از سری جداسازهای اصطکاکی و لاستیکی؛
- اتصال موازی جداسازهای اصطکاکی و لاستیکی؛
در واقع در جداساز های لاستیکی با صفحات فولادی، با فرض یکسان بودن لایه ها،اگر ضخامت لایه های لاستیکی را کاهش دهیم و تعداد آنها را افزایش دهیم (نسبت یک بعدی بزرگتر)،سفتی عمودی جداساز و استحکام را اضافه می کنیم و تغییر شکل رابطه خط را پیدا می کند. از طرفی با افزایش ضخامت لایه لاستیکی و کاهش نسبت ابعاد یک بعدی، سفتی عمودی کاهش می یابد و جداساز قادر به کاهش نیرو در جهت عمودی است که دارای امکانات زیر است:
بتواند نیروهای عمودی ناشی از وزن و پاسخ زلزله در هنگام زلزله را تحمل کند.
در جهت افقی انعطاف لازم را فراهم کند
توانایی جذب انرژی.
تمامی این امکانات را می توان به صورت همزمان در یک دستگاه یا با کمک چندین دستگاه در اختیار سیستم جداساز فراهم کرد.علاوه بر این، طراح می تواند کمک فنرهای محدود کننده جابجایی جداساز را در سیستم جداساز لرزه ای ارائه دهد.
مکانیزم سیستم جداسازی لرزه ای
سیستم جداسازی انرژی لرزه ای را جذب نمی کند، اما با استفاده از ویژگی های رفتار دینامیکی سیستم، آن را منحرف می کند. این اثر ربطی به میرایی سیستم ندارد.با این حال، مقدار معینی از میرایی برای جلوگیری از پدیده های تشدید احتمالی در محدوده فرکانس برابر فرکانس ارتعاش سیستم جداسازی مفید و ضروری است.
سیستم جداساز با سختی افقی کم که بین سازه و پی ایجاد می کند از اجزای افقی حرکت زمین جدا می کند.این سیستمی ایجاد می کند که فرکانس پایه آن بسیار کمتر از فرکانس های غالب زلزله و همچنین فرکانس پایه همان ساختمان با اتصال گیره است.
در سیستم‌های جداساز،بیشتر حرکات لرزه‌ای زمین در سطح جداکننده‌های لرزه‌ای جذب می‌شوند و در نتیجه حرکات لرزه‌ای منتقل‌شده به روی سازه به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابند.اساس این روش کاهش پاسخ ها با افزایش تناوب و زمان میرایی سازه است.
جمع بندی
در گذشته صنعت ساختمان از دانش، تجهیزات و استانداردهای خاصی برخوردار نبود که در صورت وقوع حوادثی مانند زلزله خسارات مالی و جانی جبران ناپذیری را به همراه داشت. از این رو کار بر روی ساخت و ساز و ابداع روش هایی برای افزایش ایمنی ساختمان ها همواره مورد توجه کارشناسان ساخت و ساز بوده است. در حال حاضر استفاده از انواع جداساز لرزه ای در ساخت و ساز تا حد زیادی می تواند ایمنی سازه را تضمین کند،به خصوص در ایران که هر از گاهی شاهد زلزله های با مقاومت بالا هستیم.