چكيده:
در اين مقاله بررسي راهكارهاي كاهش شدت لرزه اي سازه(C) مورد توجه قرار گرفته است روش هاي متفاوتي براي كاهش نيروي لرزه اي وجود دارد كه از جمله آن ها كاهش وزن سازه مي باشد كه اين امر باعث كاهش نيروي لرزه اي وارد شده مي گردد. يكي ديگر از اين روش ها نصب جداگرها مي باشد. جداگرها با افزايش جابجايي سازه و كاهش شتاب لرزه اي نيروي زلزله را كاهش مي دهند همچنين نصب ميراگرها مي تواند همانند كمك فنرهاي ماشين با اتلاف انرژي و افزايش شكل پذيري تكانه زلزله را كاهش مي دهند. يكي از روش كاهش وزن ساختمان در سازه هاي بتني برداشتن كامل طبقات فوقاني ساختمان مي باشد كه هميشه باعث كاهش برش پايه نمي شود زيرا باعث كاهش ارتفاع سازه شده كه اين امر تغيير در دوره نوساني ساختمان مي گردد و مهندسان حتما بايد به اين نكته توجه كنند. جداگر در تراز پي و زير ستون ها اجرا مي گردد و باعث افزايش جابجايي سازه ها مي گردد، ميراگرها همانند بادبند نصب مي گردد و نبايد مانعي براي حركت آن ها در زلزله مانند ديوارهاي صلب وجود نداشته باشد. در اين مقاله سعي شده تا خوانندگان با موضوع آشنا و استانداردهاي موجود در زمينه مطرح شود.
واژه هاي كليدي: جداگر، ميراگر، برش پايه، شدت لرزه اي
مقدمه
ميهن عزيز ما ايزان جزء كشورهاي زلزله خيز جهان محسوب مي شود. آشنايي با تغييرات روز دنيا در زمينه پيشرفت هاي تكنولوژي در كاهش شدت لرزه اي و سيستم ها جديد
سازه اي امري مهم و ضروري به نظر مي رسد؛ كه با توجه به اين امر از دستورالعمل
547-FEMA مي توان بهره گيري كرد.روش هاي بهسازي لرزه اي درپروژه هاروش هايي مانند افزايش مقاومت، افزايش سختي، تقويت مقاطع و بهبود نحوه بارگذاركي سازه
مي باشد. روش هاي ديگري در كاهش نيروي لرزه اي در ساختمان ها وجود دارد، كه كمتر رايج هستند. در اين مقاله سه روش براي كاهش نيروي لرزه اي درساختمان ها كه
شامل :كاهش وزن موثر لرزه اي،جداگر هاي لرزه اي، و ميراگرهاي غير فعال مي باشد بررسي مي گردد. هر كدام از سه پارامتر يكي از عوامل شكل دهنده معادله ديفرانسيل ارتعاش سازه mx+cx+kx=p(t) مي ياشد كه ارتعاش متاثر از آن است.
روش كاهش وزن
كاهش وزن ساختمان باعث كاهش نيروي لرزه اي در ساختمان هاي موجود مي شود اما طراح بايد به اين مسئله توجه داشته باشد كه ارزيابي ديناميكي در اين روش قبل از اتخاذ طرح مقاوم سازي براي ساختمان محاسبه گردد. روش هايي كه مي توان در ساختمان احداث شده مورد استفاده قرارداد شامل جايگزين كردن ديوارهاي سنگين با ديوارهاي جدار نازك سبك، برداشتن بارهاي زنده دائمي سنگين،برداشتن كامل طبقات بالاي ساختمان مي باشد،در ساختمان بتني به دليل وزن زياد ساختمان مي توان چند طبقه بالاي ساختمان بطور كامل حذف كرد كه البته اين امر باعث كاهش فضاي مفيد در ساختمان مي شود.
روش كاهش وزن لرزه اي سازه باعث ايجاد عوامل ديگري نظير كاهش نيروي وارده شده به جوش هاي اتصالات و وصله ستون هاي در ساختمان اسكلت فلزي ، كاهش جابجايي طبقات، كاهش لنگر مقاوم واژگوني سازه ،كاهش برش پايه مي شود،البته اين كاهش دقيقاً به نسبت كاهش وزن لرزه اي نمي باشد. براي مثال برداشتن طبقات بالايي ممكن است سازه را جزو ساختمان هاي كوتاه مرتبه قرار دهد كه اين امر منجر كاهش دوره نوساني سازه مي گردد.
تاثير كاهش دوره نوساني سازه( )بيشتر از تاثير كاهش وزن لرزه اي در ساختمان ها مي باشد،كه اين امر ميزان برش پايه را در سازه افزايش مي دهد،در ساختمان هاي بلند بتني كه بيشترين وزن ساختمان در طبقات پايين متمركز است اين روش بسيار نيازمند تحليل ديناميكي سازه است. در مثال هاي نشان داده شده زير بررسي مي شود كه چگونه ممكن است كه برداشتن طبقات بالايي ساختمان كاهش عمده اي در محاسبه كاهش برش پايه نداشته باشد.سازه مورد بررسي قاب خمشي بتني بوده وبرش پايه براساس
(2005،ASCE) 05-Ascevبرآورده شده است. در مثال (شماره1) سازه بتني با ارتفاع و وزن طبقات معمولي،دوره نوساني تقريبي سازه محاسبه گرديد. مشاهده مي گردد كه برداشتن وزن طبقات بالاي ساختمان باعث كاهش برش شده است در مثال( شماره2) يك مدل مشابه سازه است كه داراي تمركز وزن در طبقات مي باشد. مشاهده مي گردد كه با ابرداشتن وزن طبقات بالاي برش پايه ساختمان در اثر كاهش ارتفاع و دوره نوسان ساختمان نه تنها كاهش نيافته بلكه افزايش يافته است.
همان طور كه در بالا مشاهده گرديد در روش كاهش وزن به وسيله برداشتن طبقات فوقاني ساختمان ها ،كه بيشتر در سازه بتني مورد كابرد قرار مي گيرد بايد تمركز وزن ساختمان را در طبقات پايين را مورد توجه و بررسي قرار داد، زيراكاهش ارتفاع سازه باعث كاهش دوره نوسان ساختمان مي شود و اين امر مي توان حتي منجر به افزايش برش پايه گردد.
3- جداگرهاي لرزه اي
جداگرهاي لرزه اي شامل كل ابعاد ساختمان مي شود و نمي توان در بخشي از سازه آن ها را استفاده نمود زيرا اين عمل باعث ايجاد تفاوت در جابجايي دو بخش ساختمان مي گردند و در كاهش پريوده هاي لرزه اي و خسارات لرزه اي منتقل شده از زمين به ساختمان تاثير گذارند. استفاده از آن ها در طراحي هاي ساختمان جديد بسيار معمول شده است اما در آمريكا از آن ها براي تعداد متعددي ساختمان موجود جهت افزايش شكل پذيري به عنوان راهبرد كليدي در طراحي پروژه هاي مقاوم سازي به كار مي رود.
انواع جداگرها شامل مفصل انعطاف پذير (لاستيكي) و مفصل لغزنده مي شود. مفصل انعطاف پذير خود به انواع مختلف شامل كاهنده لاستيكي بلند(high damped rubber) كاهنده لاستيكي كوتاه(damped rubber low ) تقسيم بندي مي گردد. كاهنده هاي نوساني غالبا جزئي از سيستم جداگرها هستند كه جابجايي را محدود مي كنند. در شكل(شماره3و4) تعدادي از كاهنده ها ديده مي شود. باز دوره نوساني در سازه هايي كه از جداگر استفاده شده است به دليل كاربرد اين جداگرها 2تا4ثانيه تخمين زده مي شود. همين طور در ساختمان هايي كه بر روي خاك هاي خيلي ضعيف يا ساختمان خيلي بلندمرتبه مي باشد و انعطاف پذيري ممكن است مقدور نباشد استفاده از جداگر مي تواند بسيار سودمند باشد. استفاده از جداگر لرزه اي معمولا راهكار مقاوم سازي بسيار گران قيمتي است. اين راه حل اصولا در آمريكا براي ساختمان هاي معروف و مهم استفاده مي شود. جابجايي جداگرها بيشتر در طبقات بالا مشخص مي شود، اما در ناحيه خطر پذيري زياد توانايي زلزله براي جابجايي گاهي اوقات تا 75 ميلي متر و يا بيشتر مي رسد به همين دليل حذف هر مانعي در نزديكي سازه كه در زمان پاسخ لرزه اي سازه مانع حركت رفت و برگشتي ( حركت پاندولي) شود ضروري است(شكل شماره5).
با توجه ببه نوع مفصل جداگرها و افزايش جابجايي ساختمان در هنگام وقوع زمين لرزه ايجاد درز انقطاع در اطراف سازه براي همسازي با جابجايي سازه است ضروري است. درز انقطاع بايد پايين تر از صفحه جداگر ايجاد گردد. قسمت هاي بالاي دررز انقطاع مي توان به منظور زيبايي و يا مسائل امنيتي با مصالح انعطاف پذير پوشاند.
در آسمان خراش ها كه در آنها از آسانسورهاي بسيار بزرگ استفاده مي گردد، نمي توان بدون در نظر گرفتن جزييات خاص آن ها را از صفحه تراز جداگر عبور داد. تاسيسات مكانيكي و برقي اين ساختمان ها نياز به توانايي تطبيق با جابجايي جداگر دارد و بايد از اتصالات انعطاف پذير در آن ها استفاده كرد؛ پي هائي كه كه در زير جداگر وجود دارد بايد توانايي گرفتن نيرو و رساندن آن به جداگر را داشته باشند،صفحه و اتصالاتي كه در بالاي جداگر وجود دارد بايد توانايي اين كه نيرو را به خوبي به جداگر برگرداند و در مقابل ممان ايجاد شده مقاومت كنند داشته باشد. تمامي اين اجزا هزينه ساختمان هاي داراي جداگر را افزايش مي دهد.
در طراحي و محاسبه بايد دقت كرد كه ساختمان هاي داراي جداگر جابجايي بسيار
گسترده تري نسبت به سازه هاي با پايه هاي ثابت دارند. در تحليل تاريخچه زماني اين
سازه ها بايد حتماً‌تمام جداگرها غير خطي مدل شود. در اين روش مشخصات مصالح بايد مطابق با جزييات كارخانه سازنده و گزارش آزمايشگاهي شامل موارد مختلف: آزمايش بارگذاري،حرارت،سرعت،خوردگي،كهنگي و ساير تاثيرات بايد در نظر گرفته شود. آزمايش براي اينكه مشخصاتي كه شركت سازنده بيان مي كند و حصول اطمينان پيدا كردن از اين كه مشخصات عضو كاملا صحيح است ضروري است. محل نصب جداگرها در طراحي بسيار تعيين كننده است آن ها معمولا نزديك به پي ساختمان هستند ولي نمونه هاي از جداگر وجود دارد كه در بالاي ستون و زير سقف هاي سنگين نصب مي شود تا نيرو وارده به ستون را كاهش دهد. پي و جداگر ، هر دو در يك تراز اجرا مي گردد،اما بيشترين كاربرد آن ها در پي ساختمان و يا زير پي ساختمان استفاده مي شوند و بعضي ديگر پي اضافي در محل خود دارند. انواع مختلف جداگر داراي اجزاي با اندازه هاي مختلف هستند و لوازمي براي انتقال لنگر دارند. در جداگر مفصل لاستيكي، لنگرهاي p-delta را به خود گرفته و نصف آن را به پايين و نصف آن را به بالا انتقال مي دهد. در سيستم قديمي آونگ اصطكاكي، تمام لنگرهايp-delta به بال يا پايين انتقال پيدا مي كند كه اين امر بستگي به جهت تقعر دارد چگونگي مقاومت در برابر لنگرها مي تواند منجر به انتخاب نوع خاصي از جداگرها شود.
در جداگر های مفصل لاستیکی به علت این که لاستیک سختی پایین دارند مقاومت کمتری در مقابل نیروی کششی از خود نشان می دهد، همچنین جداگرهای دارای هسته سربی در کشش دارای محدودیت زیادی هستند. با وجود این که نوع جدید جداگرهای مفصل لغزشی که بتوانند مقداری در مقابل کشش مقاومت کنند به تازگی وارد بازار شده است ، اما تعدا زیادی از مهندسان درباره کشش زیر مفصل لغزشی نگران هستند. در نتیجه در طراحی ساختمان غالبا قصد دارند تا کشش در مفصل ها به کمترین میزان ممکن برسد. وقتی یک ساختمان دارای جداگر ساخته می شود ستون ها و دیگر اجزا ساختمان باید دقیقا در بالای جداگر نصب گردد و در ساختمان های موجود طبقات فوقانی کاملا در جای خود هستند یک راه کلیدی، انتقال بار مرده به وسیله شمع در ساختمان و بریدن زیر ستون های آزاد شده است، اجرای یک پی جدید و یک صفحه افقی جدید بر روی جداگر نصب شده تا انتقال بار سازه به جداگرها مقدور شود و سپس شمع ها برداشته می شود.
4- میراگرهای غیر فعال یا اتلاف کننده های انرژی
اضافه کردن میراگرها مانند جداگرهای لرزه ای راهبرد نسبتا غیر معمولی برای بهسازی لرزه ای تلقی می شود اضافه شدن میراگرها باعث کاهش جابجایی کلی سازه و شتاب پاسخ و تغییر مکان جانبی طبقات داخلی منجر می شود .
میراگرها شامل قسمت جامد و مایع ویسکوز می باشند. در آن ها تجهیزات دیگری شامل آلیاژ کره ای شکل، فنر اصطکاکی و تجهیزات مایع برگشت پذیر کاهنده نیرو نصب می شود در شکل(شماره6) نمونه ای از این میراگرها نشان داده شده است. تعداد زیادی از مهندسان بر این باورند که اضافه کردن میراگرها بیشتر مربوط به افزایش شکل پذیری ساختمان در قاب خمشی فولادی و بتنی می شود میراگرها باید برای جابجای زیاد تطبیق داده شده باشند.
پژوهش های گسترده و تکمیلی در نحوه طراحی این چنین ساختمان هایی با وسایل میراکننده انرژی انجام داده شده است که شامل طراحی مختلف و مثال های از بهسازی لرزه ای با استفاده از میراگرهای غیرفعال بود. اضافه کردن میراگر بسیار شبیه اضافه کردن بادبند است و در نتیجه بر معماری ساختمان تاثیرگذار است. بعضی از میراگرها به سازه اضافه می شود که این امر باعث تصحیح طراحی می شود میراگرهای سازه ای زیادی در بازار در دسترس است. مشخصات مصالح، آزمایشات انجام شده، محدودیت ها و جزییات اجرایی همانند اجزا جداگرهای لرزه ای به نوع محصول استناد می شود. تمامی میراگرهای معمولا در ابتدای طراحی انتخاب می شوند زیرا محاسبه و جزییات عمدتا با نوع دیگر میراگرها تفاوت دارد.
5- نتیجه گیری
هر یک از روش های ارائه شده دارای مزایا و محدودیت هائی می باشد که طراح با توجه به امکانات موجود این روش ها به تنهایی و یا تلفیقی از این چند روش برای ساختمان در نظر می گیرد. همچنین استفاده از میراگرها و جداگرها می تواند در هنگام زلزله کمک زیادی به سازه کند اما دقت در نحوه طراحی و مدل کردن آن ها به صورت رغیر خطی امری مهم است و با توجه به تنوع این ابزارها در بازار باید انواع آزمایش کشش و ... برای بررسی صحت آن چه که در مشخصات فنی شرکت سازنده نوشته انجام گیرد.
