مطالعه ابزارهای جداکننده ساختمان از زمین

باگسترش روش جداسازی ساختمان از زمین برای محافظت آن در مقابل حرکات ناشی از زمین لرزه در سالهای اخیر سیستمهای گوناگونی طراحی و ساخته شده است . در این گزارش انواع سیستمهای موجود بطور خلاصه مورد بررسی قرار میگیرد.  

1- عناصر سیستم جداساز

هر شیوه جداسازی ساختمان باید بتواند اهداف زیر را تأمین کند:

توانایی در ایجاد انعطاف پذیری مناسب برای سازه

کاهش تغییر مکان کف به منظور افت خرابیهای سازه ای و غیرسازه ای

کاهش فرکانس ارتعاشی سازه

کاهش نیروهای طراحی زلزله

به این منظور سه عنصر اساسی زیر در سیستم مورد نظر قرار میگیرد:

1-یک تکیه گاه انعطاف پذیر برای افزایش زمان تناوب سازه و در نتیجه کاهش نیروها

2-یک مستهلک کننده یا جاذب انژری برای کنترل تغییر مکان نسبی سازه و زمین در حد طراحی عملی

3-یک سیستم ایجاد کننده صلبیت در برابر بارهای کم اثر نظیر باد یا زلزله های کوچک

2-سیستمهای جداسازی

یکی از سیستمهای ساده و معمول جداکننده تکیه گاههای لاستیکی است .کاربرد لاستیک برای مهار ارتعاش عمودی بسیار زودتر ازکاربرد آن به صورت جداکننده نیروهای افقی انجام یافت . امروزه با مسلح کردن لاستیک به ورقه های فولادی سختی قایم آن را افزایش میدهند در حالیکه انعطاف پذیری آن در امتداد افقی حفظ میشود. نمونه ای از این سیستم در شکل 1 نشان داده شده است . مدل ریاضی این سیستم با عملکرد موازی فنر و میراکننده قابل بیان است .

استفاده از لاستیک برای ساختمانهای سخت نظیر ساختمانهای اجری یا بتن غیر مسلح که حداکثر 7 طبقه باشند , بخاطر نداشتن فشار برخاستی (Uplift) مناسب است . گاهی این سیستم را با یک سیلندر سربی مرکزی همراه میکنند. هسته سربی افزایش قابل توجهی در استهلاک ایجاد میکند , بطوریکه استهلاک بحرانی لاستیک از حدود 3 درصد به 10 تا 12 درصد میرسد . ضمن اینکه مقاومت در برابر نیروهایکوچک , نظیر باد افزایش مییابد .

امروزه لاستیکهای این جداسازها , از لاستیک طبیعی کاملاً متراکم با خواص مکانیکی مطلوب , جهت چنین سیستمی ساخته میشود . برای کرنشهایکم سختی برشی این لاستیکها زیاد است , اما با نسبتی در حدود 4 به 5 با افزایش کرنش کاهش مییابد, تا اینکه درکرنش برشی 50 درصد به حداقل خود برسد. برایکرنشهای بزرگتر از 100 درصد سختی مجددا شروع به افزایش میکند. پس در بارهایکوچک ناشی از باد یا زلزله خفیف , سیستم دارای سختی بالا و زمان تناوب کوتاه است ولی با افزایش شدت بار , سختی افت میکند. برای بارهای خیلی زیاد نظیر زلزله نیز طراحی سازه به گونه ای است که افزایش مجدد سختی , در جهت افزایش ایمنی در برابر شکست , عمل میکند. تغییر میرای سیستم نیز به همین شیوه اما با تغییرات کمتر میباشد , بطوریکه از یک مقدار اولیه در حدود 20 درصد تا حداقل 10 درصد کاهش مییابد و سپس مجددا زیاد میشود. در طراحی سیستم , مقدار سختی و میرای حداقل فرض میشود و طیف خطی در نظر گرفته میشود. سختی بالای اولیه فقط برای بارهای طراحی باد , و سختی درکرنش زیاد , فقط برای ایمنی در برابر شکست مورد نظرند .

عوامل گوناگون دیگری از جمله خزش کم و حفظ خواص در درجه حرارتهای پایین نیز در طرح این لاستیکها مورد نظر است . خزش زیاد منجر به تنش وکرنش موضعی بالا در لاستیک میشود و در یک وضعیت بحرانی میتواند موجب انحراف ساختمان گردد. از طرف دیگر در حرارتها و فرکانسهای بالاتر از معمول , حساسیت خواص به حرارت و سرعت بار باعث تغییر سختی و استهلاک میشود. یک فرم ساده دیگر از سیستمهای جداکننده سیستم اصطکاکی است . این سیستم در حالت ساده با یک عنصر اصطکاکی مدل میشود (شکل 2). با وجود کارهای تحلیل نظری فراوانی که بر روی این سیستم انجام شده است , ازمایشهای عملی برای ان بویژه در مقیاش بزرگ و با استفاده از میز لرزان بسیار کم انجام گرفته است . این سیستم برای خانه سازی ارزان قیمت بسیار مناسب است زیرا نیاز به تکنولوژی پیشرفته یا مهارت ویژه برای یک ساختمان معمولی ندارد. به همین دلیل برای مثال در چین انتخاب شده است . ایجاد این سیستم نیاز به تأمین یک لایه جداساز در زیر کف سازه دارد. این لایه در چین با استفاده از ماسه تجربه شده است . ساختمانهای آجری یا بلوکهای سیمانیکه نسبتاً سخت و سنگین است و مستعد خرابی در اثرزمین لرزه میباشد میتواند با حضور این لایه لغزنده عملکرد خوبی داشته باشد .

استفاده از عنصر اصطکاک که یک عامل خوب استهلاک انرژی است باعث شده است تا در سیستهای لاستیکی نیز تحولی ایجاد شود یک شیوه تحول یافته جایگزین کردن لایه های لاستیک با لایه های با روکش تفلون است که میتواند در تماس اصطکاکی با هم قرار گیرد . در وسط نیز یک سیلندر مرکزی لاستیکی قرار داده میشود . بنابراین , مدل ریاضی این سیستم از ترکیب موازی عناصر اصطکاکی , با فنر و میراکننده بدست میاید.

مشابه این سیستم توسط Electricite de France طراحی شده است . به این ترتیب که بدنه جداکننده از ورقه های نئوپرن مسلح شده با فولاد , ساخته میشود و در یک ورقه الیاژ سرب – برنز , قرار داده میشود . این صفحه با یک ورقه فولادیکه در سازه , تعبیه میشود تماس اصطکاکی ایجاد میکند . بنابراین سیستمهای اصطکاکی و الاستیک بطور سری با هم ترکیب میشوند. فلسفه طراحی چنین سیستمی اینست که در زلزله های ضعیف انعطاف پذیری جانبی ورقه های نئوپرن وارد عمل شود. اما در یک زلزله شدید عملکرد اصطکاکی ورقه بالای جداکننده , با محدودکردن نیروی منتقل شده , سازه را حفظ نماید. 

در نوع دیگر تکیه گاههای الاستیک که در نیوزلند بکار رفته است هسته سربی برای میراکردن انرژی مطرح میشود. این سیستم از تکیه گاه لاستیکی لایه لایه با یک سیلندر مرکزی تشکیل شده است و انعطاف پذیری جانبی آن توسط لاستیک تأمین میشود. در مدل ریاضی چنین سیستمی یک عنصر هیسترتیک با فنر و میراکننده بطور موازی عمل میکند.

یکی دیگر از سیستمهای پشتیبانی شده اخیر ترکیب جدیدی از عملکردهای اصطکاکی و الاستیک است . در این سیستم ورقه های باروکش تفلون جایگزین ورقه های نئوپرن سیستممیگردد. به این ترتیب میتوان گفت که یک عنصر اصطکاکی در ترکیب سری با عناصر سیستم لایه های روکش تفلون قرار میگیرد. حضور دو عنصر اصطکاکی در این سیستم غالباً عملکرد بهتری نسبت به سیستمهای قبلی نشان داده است . (شکل 6) Electricite de France

سیستمهای مشابه دیگری نیز بر پایه سیستهای بالا طراحی شده است ولی اغلب انها رفتار جدیدی ارائه نمی کند و با مدلهای بیان شده قابل تعریف است . برای مثال به منظور جداکردن تجهیزات داخلی ساختمان از یک سیستم فنر مارپیچ و یک میراکننده ویسکوز استفاده میشود که در واقع همان عملکرد تکیه گاه الاستیک را دارد. همچنین از انجا که در سیستمهای اصطکاکی , نیروی برگرداننده به حالت اولیه پس از یک زلزله , وجود ندارد سیستمهای اصطکاکی اونگی طراحی شده است که در انها با استفاده از یک نیمکره این نیروی جانب مرکز تأمین میشود.