در طول سال‌های مختلف، تکنولوژی ساخت و طراحی سازه‌های مقاوم در برابر زلزله، در جهت کاهش اثر زلزله بر ساختمان‌ها، پل‌ها و نیز ملحقات آسیب‌پذیر آن‌ها، پیشرفت زیادی کرده است. جداسازی لرزه‌ای یک روش نسبتاً جدید در این زمینه به شمار می‌رود. جداسازی لرزه‌ای(base isolation)، در واقع نصب سیستمی است که سازه و یا ملحقات آن را از حرکات لرزه‌ای مخرب زمین و یا تکیه‌گاه جدا می‌سازد. این جداسازی با افزایش انعطاف‌پذیری سیستم و همچنین تأمین میرایی مناسب بدست می‌آید. هدف اصلی در این روش جلوگیری از انتقال مستقیم نیروی زلزله از سازه به پی است. در اکثر موارد جداگرهای ارتعاشی در قسمت تحتانی سازه نصب می‌گردند و به همین علت به نام جداگرهای پی نامیده می‌شوند.
خدمات طراحی سازه:
جداسازهای لرزهایی از جمله سیستم‌های کنترلی غیرفعال می‌باشند. سیستم‌های جداساز پایه، تکنولوژی مؤثر در کاهش تأثیرات لرزهایی بر سازه‌های حساس و استراتژیک از قبیل نیروگاه‌های اتمی، بیمارستان‌ها، مدراس و پل‌ها محسوب می‌شوند. در واقع جداساز لرزه‌ای یکی از روش‌های خیلی مؤثر و اقتصادی می‌باشد که موجب کاهش انرژی حاصل از زلزله در رو سازه می‌شود بدون اینکه خسارتی به آن وارد کند.
ساخت موفقیت‌آمیز تلف کننده‌های انرژی مکانیکی و الاستومترها با میرایی بالا، محرکی برای استفاده از جداسازهای ضد زلزله شد. تلف کننده‌های انرژی مکانیکی در صورتی که به همراه یک جداساز انعطاف‌پذیر مورد استفاده قرار گیرند، می‌توانند پاسخ سازه را با محدود کردن تغییر مکان‌ها و نیروها کنترل کنند و بدین ترتیب کارایی سازه را در برابر زلزله به نحو مؤثری بهبود بخشند. اتلاف انرژی در اجزایی که بدین منظور طراحی شده‌اند، باعث می‌شود وظیفه‌ی اتلاف انرژی از روی تیرها و ستون‌ها برداشته شود. در نتیجه پس از زمین‌لرزه (تیرها و ستون‌ها ) بدون آسیب‌دیدگی به کار خود ادامه خواهند داد.
مهم‌ترین امتیاز جداگرهای ارتعاشی در این است که با انعطاف‌پذیری زیاد خود، باعث افزایش زمان تناوب اصلی سازه و کاهش نیروی وارد بر سازه می‌شوند. جداساز پایه، سازه را از آثار مخرب ناشی از زلزله‌های شدید توسط مکانیزم کاهش انتقال شتاب به سازه‌ی فوقانی حفظ می‌نماید. در این روش سازه بر روی تکیه‌گاه‌هایی که قابلیت تغییر شکل جانبی زیادی دارند، قرار می‌گیرد. در صورت وقوع زلزله عمده تغییر شکل‌ها در تکیه‌گاه رخ داده و سازه مانند جسمی صلب با تغییر شکل‌های کوچکی ارتعاش می‌یابد (شکل1).
شکل(1): مقایسه تغییر مکان در دو حالت با جداساز و پایه ثابت
جداسازی لرزه‌ای پی، که با به کار بردن وسایل جداساز با سختی افقی کم در بین سازه و پی انجام می‌شود، سازه را از مؤلفه‌های افقی حرکات زمین جدا می‌سازد و باعث کاهش قابل توجه نیروها و انرژی زلزله منتقل شده به سازه می‌گردد.
مکانیزم عملکرد جداساز
جداسازی لرزه‌ای عبارت است از جدا کردن کل یا بخشی از سازه از زمین یا قسمت‌های دیگر سازه به منظور کاهش پاسخ لرزه‌ای آن بخش در زمان رویداد زلزله. مفهوم جداسازی لرزه‌ای به عنوان یک ابزار محافظتی در برابر زلزله ، به بیش از 100 سال قبل باز می‌گردد.
روش مرسوم طراحی لرزه‌ای سازه‌ها مبتنی بر افزایش ظرفیت سازه است. در این رویکرد طراحی لرزه‌ای، ایجاد ظرفیت باربری جانبی در سازه، با افزایش مقاومت و تأمین شکل‌پذیری آن صورت می‌گیرد. در نتیجه اجرای این روش ، ابعاد اعضای سازه‌ای و اتصالات افزایش یافته و در سازه ، اعضای مهاربند جانبی همچون بادبند یا دیوار برشی یا سایر اعضای سخت‌کننده در نظر گرفته می‌شوند.
افزایش سختی سازه که جذب نیروی بیشتر ناشی از زلزله را به دنبال داشته و سبب افزایش ابعاد اعضای سازه‌ای به منظور تأمین مقاومت می‌شود، موجب کاهش ارزش اقتصادی پروژه می‌گردد. علاوه بر آن، در روش‌های مرسوم طراحی، به دلیل تغییر شکل‌های غیر خطی در اعضای سازه‌ای و غیر سازه‌ای امکان بروز خرابی در این اعضا و وقوع آسیب در اجزای غیر سازه‌ای و تجهیزات داخل طبقه به دلیل وقوع تغییر مکان و شتاب‌های قابل توجه در طبقه وجود دارد.
بنابراین سیستم‌های جداگر ، روشی برای محافظت ساختمان‌ها در برابر خسارات ناشی از زلزله بوده و این عمل با محدود ساختن اثر تخریبی زلزله و نه مقاوم کردن سازه در مقابل زلزله انجام می‌پذیرد. جداگرهای ارتعاشی اثر تخریبی زلزله را محدود می‌سازند، به طوری که پایه انعطاف‌پذیر سازه باعث جدا شدن آن از حرکات زمین می‌شود و در نتیجه شتاب پاسخ سازه کمتر از شتاب زمین می‌باشد. نیروهایی که به سازه جداسازی شده وارد می‌شود را می‌توان با وسایل میراگر که باعث اتلاف انرژی ناشی از زلزله می‌شوند، کاهش داد.
در شکل (2)، مفهوم جداگرهای ارتعاشی به طور نمایشی نشان داده شده است. در این شکل ساختمان طرف چپ برای مقاومت در برابر زلزله طراحی شده و ساختمان طرف راست بر یک سیستم جداگر ارتعاشی قرار گرفته است همان‌طور که در این شکل مشاهده می‌شود، نیروهای زلزله وارد بر ساختمان سمت چپ که برای مقاومت در برابر زلزله طراحی شده بوده و تغییر شکل‌ها و ترک‌های قابل توجهی را در سازه می‌توان مشاهده کرد. در ساختمان سمت راست که جداسازی ارتعاشی شده است، نیروهای زلزله کمتر بوده و بیشتر تغییر مکان در خود جداگر به وجود می‌آید، به طوری که کل سازه تقریباً به صورت یک جسم صلب حرکت کرده و تغییر شکل‌های سازه کوبک می‌باشد. اتلاف انرژی در سیستم‌های جداگر توسط میراگرهای ویسکوز و یا هیسترتیک صورت می‌پذیرد، در صورتی که در سیستم‌هایی که جداگر ارتعاشی ندارند، این انرژی همراه با ایجاد خسارت سازه‌ای آزاد می‌شود.
شکل(2): پاسخ لرزه‌ای دو ساختمان. سازه سمت چپ به طور معمولی در مقابل زلزله مقاوم شده است و سازه سمت راست بر روی سیستم جداگر لرزه‌ای نصب گردیده است.
تعبیه و نصب جداگرهای لرزه‌ای در محل اتصال سازه به پی ، به عنوان مانعی برای انتقال نیروی زلزله و انرژی حاصل از آن به سازه مطرح می‌شود. در واقع هدف اصلی در جداسازی، جلوگیری از انتقال مستقیم نیروی زلزله از پی به سازه است.
در این روش، کل یا بخشی از سازه برای کاهش پاسخ لرزه‌ای آن بخش در زمان زلزله از زمین یا قسمت‌های دیگر سازه جدا می‌شود. این کار با استفاده از جداسازهایی که بر اساس مشخصات دینامیکی سازه، اهداف عملکردی مورد نظر طراح و شرایط خطر لرزه‌ای ساختگاه، طراحی و ساخته شده‌اند ، صورت می‌گیرد.
وظیفه‌ی اصلی این جداسازها ایجاد فاصله بین دوره تناوب طبیعی سازه و محدوده‌ی دوره‌ی تناوب حاکم در ارتعاش زمین‌لرزه احتمالی در محل سازه مورد نظر است. علاوه بر این، انرژی ارتعاشی ناشی از زلزله نیز با کمک سازه و کارهای مختلفی جذب شده و از انتقال آن به سازه جلوگیری می‌گردد.
از آنجا که در این روش نیروی زلزله به سازه وارد نمی‌شود و یا سهم اندکی از آن به سازه منتقل می‌گردد، نتایج زیر را می‌توان انتظار داشت:
به علت تغییر برخی خواص دینامیکی سازه، یعنی افزایش پریود و میرایی آن، نتایج فوق را می‌توان انتظار داشت. زیرا که با افزایش پریود سازه، شتاب سازه در اثر حرکات زمین کاهش یافته و در نتیجه تغییر شکل‌های زیاد به طور محسوسی کم می‌شود. البته این پدیده در برخی از حالات نظیر زلزله با پریود بلند و یا سازه‌های واقع بر روی خاک نرم، عملکرد سیستم‌های جداگر را نامطلوب می‌سازد. به هر حال این روش برای طراحی و تقویت سازه در برابر بارهای جانبی به خصوص زلزله، دارای ویژگی‌های خاصی بوده و به عنوان یک روش مؤثر قابل طرح است.
در مورد انتخاب و یا عدم انتخاب سیستم جداساز لرزه‌ای برای یک سازه؛ مهندس، معمار و یا کارفرمای آن باید عوامل مختلفی را در نظر بگیرد. اولین موضوعی که باید مد نظر قرار گیرد، خطر زلزله است که بستگی به خصوصیات زمین‌شناختی محلی (مجاورت به گسل، خاک محل)، تاریخچه زلزله‌های ثبت‌شده در منطقه و هر عامل شناخته شده دیگر در مورد خصوصیات احتمالی زلزله (شدت،زمان تناوب و …) دارد. با توجه به شکل و سیستم سازه و همچنین مصالح به کار رفته، می‌توان راه‌حل‌های متفاوتی برای طرح مقاوم‌سازی در برابر زلزله در نظر گرفت که در بعضی از آن‌ها می‌توان از جداساز لرزه‌ای استفاده کرد و در بعضی دیگر استفاده نکرد. سپس می‌توان احتمال خرابی ناشی از زلزله را برای هر طرح مشخص نمود.خرابی ناشی از زلزله به صورت زیر قابل طبقه‌بندی است:
تاکید اصلی در سیستم‌های جداساز لرزه‌ای تغییر میزان خرابی از سطح ردیف‌های (2) و (3) به ردیف(1) می‌باشد، که باعث کاهش خسارات مالی و احتمالاً کاهش هزینه‌های بیمه می‌شود.
هدف بهسازی با به کار بستن معیارهای بهسازی بر اساس راهبردی که نواقص ملاحظه شده در تحلیل لرزه‌ای را برطرف نماید، حاصل می‌شود. هر معیار بهسازی باید به طور توام با دیگر معیارهای بهسازی مورد ارزیابی قرار گیرد به نحوی که سازه موجود مستقلاً از تأمین سطح عملکرد مورد نظر ساختمان برای سطح خطر لرزه‌ای انتخابی در قالب طرح بهسازی، اطمینان دهد. با اتخاذ روش کلی و راهبرد بهسازی لرزه‌ای و به کار بستن معیارهای بهسازی می‌توان به سطح عملکرد مورد نظر ساختمان و تأمین هدف بهسازی دست یافت.
بهسازی لرزه‌ای سازه‌ها، شامل افزایش ظرفیت سازه به لحاظ سختی و مقاومت، افزایش جذب انرژی و کاهش نیاز لرزه‌ای با استفاده از روش‌هایی مانند جداسازی از پی، کاهش جرم سازه و سیستم‌های اتلاف کننده انرژی می‌باشد.
برای بهسازی ساختمان‌های موجود در برابر زلزله، از روش‌هایی متفاوت با روش‌های مقاوم‌سازی سنتی استفاده می‌شود. امروزه استفاده از سیستم‌های شکل‌پذیر یا میراگرهای انرژی، رشد زیادی داشته است. این سیستم‌ها باعث می‌شوند عملیات اجرایی بهسازی از نظر حجم و زمان به حداقل برسد و علاوه بر کاهش هزینه‌های اجرایی، سبب می‌شوند لطمه‌ی کمتری به روند بهره‌برداری از ساختمان وارد شود. عمل جداسازی پایه از نظر بهسازی در برابر زلزله، یک سیستم سازه‌ای انعطاف‌پذیر و مناسب را به وجود می‌آورد. سیستم‌های جداساز لرزه‌ای از گوناگونی زیادی برخوردارند؛ ولی پایه و اساس همگی آن‌ها بر دو سیستم لغزشی و لاستیکی استوار است، که به منظور جداسازی از حرکت‌های زمین در ساختمان‌ها و پل‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
هدف و فلسفه بهسازی لرزه‌ای با استفاده از سیستم‌های جداساز لرزه‌ای مستقیماً به هدف کارفرما و انتظارات او از عملکرد ساختمان بهسازی شده وابسته است. به همین دلیل اهداف بهسازی از پروژه‌ای به پروژه دیگر می‌تواند متفاوت باشد. پنج مورد از مواردی که انگیزه اصلی کارفرمایان در انتخاب سیستم‌های جداساز لرزه‌ای جهت بهسازی ساختمان‌های موجود محسوب می‌شوند، به شرح زیر هستند:
تکنولوژی جداسازی لرزهایی در سال‌های اخیر پیشرفت قابل ملاحظه‌ای داشته است. نصب سیستم‌های جداساز لرزه‌ای منجر به افزایش زمان تناوب اصلی سازه و کاهش نیروهای وارد بر آن می‌گردد. این روش برای ساختمان‌های کوتاه و متوسط به دلیل پایین بودن زمان تناوب آن‌ها، مؤثرتر از ساختمان‌های بلند می‌باشد.
در استفاده از جداسازه ای لرزه‌ای موارد زیر باید مورد توجه قرار گیرد:
در صورت وجود شرایط زیر، سازه‌ها برای جداسازی لرزهایی مناسب هستند:
در کل هر پروژه را باید به طور مستقل در اولین مرحله طراحی سازه مورد بررسی قرار دهیم تا مشخص شود که آیا برای جداسازی ضد زلزله مناسب است یا خیر. برای این منظور باید بین ساختمان‌های جدید و تقویت سازه‌های موجود تفاوت قائل شد.
در سال‌های اخیر مبحث جداسازی لرزهایی ساختمان‌ها مورد توجه قرار گرفته است. برای ساختمان‌های ذیل مطالعه برای انتخاب گزینه‌ی جداسازی لرزه‌ای به طور خاص بر اساس عملکرد و اهمیت توصیه می‌گردد:
سیستم جداساز، انرژی زمین‌لرزه را جذب نمی‌کند، بلکه آن را با استفاده از ویژگی‌های رفتار دینامیکی سیستم منحرف می‌سازد. این اثر ارتباطی به میرایی سیستم ندارد؛ اما برای جلوگیری از وقوع پدیده‌ی تشدید احتمالی در محدوده‌ی فرکانسی برابر فرکانس ارتعاشی سیستم جداساز، مقدار مشخصی میرایی، مفید و ضروری می‌باشد.
سیستم جداساز با سختی افقی پایینی که بین سازه و پی ایجاد می‌کند، ساختمان یا سازه را از مؤلفه‌های افقی حرکت زمین جدا می‌سازد. این عمل سیستمی را به وجود می‌آورد که فرکانس پایه‌ی آن بسیار پایین‌تر از فرکانس‌های غالب زمین‌لرزه و نیز فرکانس پایه‌ی همان ساختمان با اتصال گیردار است.
در سیستم‌های جداسازی شده، قسمت عمده حرکات لرزه‌ای زمین در تراز جداگرهای لرزه‌ای جذب شده و در نتیجه حرکات لرزه‌ای منتقل شده به سازه فوقانی به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. اساس این روش کاهش پاسخ‌ها به وسیله افزایش زمان تناوب و میرایی سازه می‌باشد.
در سیستم‌های جداسازی شده، قسمت عمده حرکات لرزه‌ای زمین در تراز جداگرهای لرزه‌ای جذب شده و در نتیجه حرکات لرزه‌ای منتقل شده به سازه فوقانی به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. اساس این روش کاهش پاسخ‌ها به وسیله افزایش زمان تناوب و میرایی سازه می‌باشد.
مکانیزم عمل سیستم جداساز از دو قسمت اصلی تشکیل می‌شود.
به عبارت دیگر نصب جداگر باعث افزایش زمان تناوب و میرایی سازه می‌گردد. هر کدام از دو تأثیر فوق می‌توانند باعث کاهش نیروی جانبی ناشی از زلزله شوند.
افزایش دوره تناوب طبیعی سازه موجب کاهش پاسخ لرزه‌ای سازه‌ها در زمان وقوع ارتعاشات با دوره تناوب حاکم کوتاه‌تر می‌گردد. در سازه‌های معمول، احتمال وقوع تشابه یا نزدیکی دوره تناوب طبیعی سازه با دوره تناوب حاکم در ارتعاش ناشی از زلزله زیاد است. جداسازی لرزه‌ای در واقع باعث بلندتر شدن دوره تناوب طبیعی سازه می‌شود. این امر با توجه به طیف پاسخ شتاب زلزله، در اغلب موارد منجر به کاهش احتمال وقوع نیروها و شتاب‌های زیاد در سازه می‌گردد.
مهم‌ترین امتیاز جداگرهای ارتعاشی در این است که با انعطاف‌پذیری زیاد خود زمان تناوب طبیعی سازه را افزایش می‌دهند. این پدیده یعنی افزایش زمان تناوب سازه موجب می‌گردد که از عمل تشدید یا از نزدیک شدن به حالت تشدید اجتناب شود. و در نهایت پاسخ سازه کاهش یابد. اثر تغییر زمان تناوب سازه به طور نمایشی در شکل(3) نشان داده شده است.
شکل (3): اثر افزایش انعطاف‌پذیری بر سازه- با افزایش زمان تناوب و میرایی، شتاب پاسخ لرزه‌ای کم می‌شود. افزایش زمان تناوب، تغییر مکان کلی سازه جداسازی شده را افزایش می‌دهد، اما افزایش میرایی تا حد زیادی این موضوع را جبران می‌کند.
افزایش زمان تناوب و در نتیجه افزایش انعطاف‌پذیری بر میزان تغییر مکان افقی سازه اثر می‌گذارد،این موضوع در ساده‌ترین حالت خود یک سیستم صلب تک جرمی می‌باشد که در شکل(5) نشان داده شده است. شکل(5) اثر افزایش میرایی را در جلوگیری از تغییر مکان‌های زیاد نشان می‌دهد. حداکثر تغییر مکان یک سازه بدون میرایی که در آن از جداگرهای ارتعاشی استفاده می‌شود، ممکن است در زلزله‌های بزرگ معمولی به حدود یک متر برسد، اما وجود میرایی می‌تواند این تغییر مکان را به 50 تا 400 میلی‌متر کاهش دهد.
جداگرها به دلایل زیر باعث کاهش نیروی زلزله وارد بر سازه می‌گردند:
به طور کلی جداسازهای لرزه‌ای را می‌توان به دو دسته‌ی جداسازهای لاستیکی و جداسازهای اصطکاکی تقسیم‌بندی کرد.
جداسازهای زیر از جداسازهای لاستیکی به شمار می‌روند:
از جداسازهای اصطکاکی به طور عمده جداسازهای زیر در صنعت تولید می‌شوند:
برای استفاده‌ی همزمان از قابلیت‌های جداسازهای لاستیکی و اصطکاکی، این دو سامانه در موارد زیر با هم ترکیب شد ه اند:
مزیت اصلی سیستم‌های جداساز لرزه‌ای، افزایش زمان تناوب اصلی سازه به منظور انتقال آن از زمان تناوب سازه با پایه گیردار و زمان تناوب غالب زلزله به زمان تناوب بالاتر می‌باشد. از دیگر مزیت های جداسازی لرزه‌ای استهلاک انرژی ورودی به سازه می‌باشد که منجر به کاهش شتاب منتقل شده به سازه فوقانی می‌گردد.
از دیگر مزایای این سیستم می‌توان به حذف و یا کاهش صدمات سازه‌ای و غیر سازه‌ای اشاره کرد. همچنین سطح آرامش ساکنان ساختمان در حین زلزله در صورت استفاده از این روش ارتقا می‌یابد.
از معایب اصلی جداسازی لرزهایی می‌توان به محدودیت آن به سازه‌های کوتاه مرتبه و میان مرتبه اشاره کرد (در سازه‌های بلندمرتبه اجرای آن توصیه نمی‌شود). این سیستم‌ها بسیار هزینه بر هستند که البته در صورت تولید انبوه می‌تواند توجیه اقتصادی داشته باشد.
گردآورنده : فاطمه علی بخشی
چرا عایق رطوبتی دیوار مهم است؟ نکاتی برای جلوگیری از نفوذ رطوبت اهمیت استفاده از…
عایق ساختمانی چیست و چرا اهمیت دارد؟ عایق ساختمانی مجموعه‌ای از مواد و روش‌هاست که…
تعرفه عایق‌سازی ساختمان: هزینه‌ها را بشناسید و صرفه‌جویی کنید! عایق کاری ساختمان به‌عنوان راهکاری برای…
چگونه از نفوذ آب در شرایط فشار بالا جلوگیری کنیم؟ فشارهای وارده به ساختمان که…
آب بندی فشار مثبت بتن چیست؟ آب‌بندی بتن به مجموعه اقداماتی اطلاق می‌شود که با…
وال مش چیست و چرا به صنعت ساخت و ساز معرفی شد؟ اولین دلیل روی…
