تجهیزات محافظت لرزه‌ای و ارتعاشی

جمعیت کثیری از جهان در مناطق زلزله خیز دنیا از جمله ایران زندگی می کنند که در آن نواحی خطر وقوع زلزله با شدت و فراوانی های مختلف وجود دارد. هر ساله وقوع زلزله ها موجب تلفات جانی وخسارات مالی فراوان می شود. در سالهای اخیر استفاده از مفاهیم انرژی در طراحی سازه های مقاوم لرزه ای رایج شده است و دانشمندان مقدار انرژی ورودی را به عنوان یک پارامتر قابل اعتماد برای تعریف پتانسیل خسارت یکسان زمین لرزه بیان کرده اند. برای آنکه تمام انرژی موجهای حاصل از زلزله به سازه انتقال نیابد از روشهای متعددی می توان استفاده کرد. در طول سال های مختلف تکنولوژی ساخت و طراحی سازه های مقاوم در برابر زلزله ، در جهت کاهش اثر زلزله بر ساختمان ها ، پل ها و نیز ملحقات مستعد آسیب پذیر آنها پیشرفت زیادی کرده است. وقوع  خسارت های بسیار زیاد در اثر رخداد زلزله نشان میدهد که سازه های مختلف برای مقاومت در برابر زلزله باید به دقت بررسی و طراحی شوند. استفاده از روش کنترل لرزه ای و تجهیزات محافظت لرزه ای در طراحی و اجرای انواع سازه ها در سال های اخیر برای مقابله با آثار مخرب انواع زلزله ها بسیار مفید واقع شده است. استفاده از تجهیزات محافظت لرزه ای (Seismic and Vibration Protection Devices) روشی نسبتا جدید و نو در این زمینه به شمار می آید. این تجهیزات در واقع با کم کردن خسارات ناشی از زلزله از ساختمان محافظت می کنند. وظیفه تجهیزات محافظت لرزه‌ای افزایش دادن زمان تناوب سازه و هم چنین جداکردن سازه از زمین است به طوریکه در هنگام وقوع ارتعاشات و تحریکات از طرف زمین کمترین میزان انتقال و تغییر مکان جانبی در سازه پدیدار آید.

انواع تکنیک های کنترل لرزه ای

در سال های اخیر توجه ویژه ای به تحقیق و توسعه تکنیک های کنترل سازه ای شده است که اهمیت ویژه ای در بهبود پاسخ ساختمان ها و پل ها در برابر باد و زلزله دارد. انواع تکنیک های کنترل سازه ای به سه دسته زیر تقسیم بندی میشوند:

• سیستم کنترل فعال
• سیستم کنترل نیمه فعال
• سیستم کنترل غیر فعال

در ادامه به شرح و توصیف هرکدام از تکنیک ها و تجهیزات محافظت لرزه‌ای می پردازیم.

سیستم کنترل فعال

در این سیستم پاسخ های سازه توسط انرژی و نیروی خارجی که بر سازه وارد می شود کاهش پیدا میکند. این سیستم ها دارای ابزار قابل کنترلی هستند که همواره در خلاف جهت نیورهای برشی زلزله به سازه نیرو وارد می کنند. سیستم های فعال از بقیه سیستم ها موثرتر بوده ولی در عین حال مشکل بزرگ هزینه های اجرایی و نگهداری را پیش روی خود میبینند.

از جمله سیستم های کنترل فعال می توان به میراگرهای جرم فعال اشاره کرد.

سیستم کنترل نیمه فعال

سیستم های نیمه فعال سیستم هایی هستند که نسبت به سیستم های فعال نیازمند انرژی به مراتب بسیار کمتری هستند و در این سیستم ها انرژی به طور مرتب به داخل سیستم تزریق نمیشود. در این سیستم ها یک رایانه به اندازه گیری بازخوردها میپردازد و بر اساس ساز و کار از قبل پیش بینی شده سیگنال مناسب جهت عملکرد سیستم نیمه فعال ارسال میکند.اگرچه تاثیر سیستم های کنترل نیمه فعال از سیستم های فعال کمتر است اما هزینه بسیار پایین تامین و نگه داری این سیستم ها، تعبیه آن ها را بسیار قابل توجیه کرده است.

از جمله سیستم های کنترل نیمه فعال میتوان به میراگر با مجرای متغیر برای ایجاد سختی متغیر اشاره کرد.

سیستم کنترل غیرفعال

سیستم های کنترل غیر فعال لرزه ای به منظور کاهش و از بین بردن بخش غظیمی از انرژی ورودی زلزله طراحی شده اند و شامل ابزارها و اجزایی هستند که در طول زمان زلزله تغییر شکل یافته و یا تسلیم می شوند. در نتیجه از آن جایی که تغییر شکل در یک بخش یا اتصال متمرکز شده است،از خسارات و تغییر شکل های سایر نقاط کاسته می شود. این سیستم ها همانطور که از نام آن ها نیز مشخص است به صورت غیر فعال بوده و هیچ نیرو و انرژی اضافه ای برای به کار انداختن آن ها استفاده نمیشود.

انواع تجهیزات محافظت لرزه‌ای و ارتعاشی

یکی از انواع تجهیزات محافظت لرزه‌ای و ارتعاشی جداگرهای لرزه ای  می باشند. این جداگرها با کاهش تغییرات در جابه جایی سازه از ساختمان محافظت می کنند نه افزایش مقاومت سازه.

یکی دیگر از انواع تجهیزات محافظت لرزه‌ای و ارتعاشی، میراگرها می باشند. مهم ترین ویژگی این تجهیزات محافظت لرزه‌ای، ایجاد انعطاف پذیری است که باعث افزایش زمان تناوب طبیعی سازه می شود.

جداسازي لرزه ای عبارت است از جداكردن كل يا بخشی از سازه از زمين يا قسمت های ديگر سازه بمنظور كاهش پاسخ لرزه ای آن بخش در زمان رويداد زلزله. روش مرسوم طراحی لرزه ای و مقاوم سازی ساختمان ها مبتنی بر افزايش ظرفيت سازه است. در اين رويكرد طراحی لرزه ای، ايجاد ظرفيت باربري جانبی در سازه، با افزايش مقاومت و تامين شكل پذيری آن صورت ميگيرد. در نتيجه اجراي اين روش، ابعاد اعضای سازه ای و اتصالات افزايش يافته و در سازه، اعضای مهاربند جانبی همچون بادبند يا ديوار برشی يا ساير اعضای سخت كننده در نظر گرفته ميشود.

افزايش سختی سازه كه جذب نيروی بيشتر ناشی از زلزله را به دنبال داشته و سبب افزايش ابعاد اعضای سازه ای به منظور تامين مقاومت ميشود، موجب كاهش ارزش اقتصادی پروژه ميگردد. علاوه بر آن، در روش های مرسوم طراحی، به دليل تغيير شكل های غيرخطی در اعضای سازه ای و غير سازه ای امكان بروز خرابی در اين اعضا و وقوع آسيب در اجزاي غير سازه ای و تجهيزات داخل طبقه به دليل وقوع تغيير مكان و شتاب های قابل توجه در طبقه وجود دارد. كنترل بروز آسيب در اثر زلزله به خصوص در تكان های نسبتا شديد كار دشواری خواهد بود. با پيشرفت دانش فنی و تجربه ی زلزله های شديد، به مرور تغييراتی در آيين نامه های طراحی سازه ها به وجود آمده و ضمن تغيير در فلسفه ی طراحی سازه ها، فناوري هايی همچون كنترل لرزه ای غيرفعال سازه ها به كار گرفته شده است. جداسازی لرزه ای نيز، با هدف كاستن آسيب لرزه ای در طراحی و ساخت سازه های با اهميت زياد پيشنهاد ميگردد. با استفاده از اين روش، رفتار ديناميكی سازه در حد امكان، در محدوده ی از قبل پيش بيني شده قرار گرفته و ميزان آسيب های لرزه ای به اجزاي سازه ای و غير سازه ای كاهش می یابد.

در جداسازی لرزه ای دوره ی تناوب اصلی سازه به كمك تجهيزاتی كه بين روسازه و بخش پايين دست آن قرارميگيرد افزايش می يابد. افزايش دوره ی تناوب طبيعی سازه موجب كاهش پاسخ لرزه ای سازه ها در زمان وقوع ارتعاشات ميگردد.

انواع جداسازهای لرزه ای

به طور كلی جداسازهای لرزه ای را ميتوان به دو دسته ی جداسازهای لاستيكی و جداسازهای اصطكاكی تقسيم بندی كرد.

انواع جداسازهای لاستیکی به شرح زیر طبقه بندی می شود:

• جداسازهای لاستيكی با ورقه های فولادی (میرایی کم)
• جداساز های لاستیکی با میرایی زیاد
• جداسازهای لاستیکی با هسته سربی

انواع جداسازهای اصکاکاکی نیز به شرح زیر طبقه بندی می شمود:

• جداسازهای اصطکاکی معمولی
• جداسازهای الاستیک اصطکاکی
• جداسازهای اصطکاکی پاندولی

براي استفاده همزمان از قابليت های جداسازهای لاستيكی و اصطكاكی، اين دو سامانه را می توان با هم به شکل های زیر ترکیب کرد:

• تركيب سری جداسازهای اصطكاكی و لاستيكی
• تركيب موازی جداسازهای اصطكاكی و لاستيكی

انواع میراگرهای لرزه ای

براي كاهش تغييرمكان سامانه جداسازی در زمان ارتعاش و محدود كردن آن به مقادير حاصل از دستورالعمل، بايد از تجهیزات محافظت لرزه‌ای با قابليت مناسب در جذب انرژی استفاده نمود. ميراگرها در سامانه ي جداسازی لرزه ای به اين منظور به كار ميروند. مقدار مناسب جذب انرژي در زمان بروز زمين لرزه به شدت لرزه ی ورودی بستگی دارد. با انتخاب ميرايی مناسب علاوه بر كاهش دامنه تغييرمكان، امكان كاهش پاسخ شتاب نيز به وجود خواهد آمد. براي ايجاد استهلاک انرژی، از فرايند تسليم فلزات، اصطكاك و لزجت سيالات استفاده شده است. در مواردی امكان استهلاک انرژی در جداسازها به وجود آمده و ميراگر و جداساز به صورت يكپارچه در يك تجهيز ارايه شده اند. اين تجهيزات بايد قابليت حمل نيروی قائم را نيز داشته باشند. اما در موارد بسياری ميراگرها به صورت مستقل و جداگانه ساخته شده اند و در اين صورت الزامی براي قابليت حمل بار قائم در آنها وجود ندارد.

انواع میراگرهای به کار رفته در سیستم های جداساز لرزه ای را میتوان به دو دسته کلی تقسیم بندی نمود:

• میراگرهای فلزی یا هیسترزیس
• میراگرهای روغنی یا ویسکوز

در میراگرهای هیسترزیس استهلاک انرژی به وسیله رفتار هیسترزیس نیرو و تغییرمکان و در میراگرهای ویسکوز استهلاک انرژی از طریق لزجت سیال موجود در آن انجام می شود.