جداساز لرزه ای

تاریخ توسعه سیستم های جداسازی لرزه ای

جداسازی لرزه ای ایده چندان جدیدی نیست. بیش از یک قرن پیش ، در سال 1885 ، جان میلن ، پروفسور ژاپنی یک خانه چوبی کوچک را روی بلبرینگی (گلوله هایی در صفحات چدنی با لبه های نعلبکی مانند) که روی سر شمع ها واقع شده بود، ساخت تا نشان دهد که می توان یک سازه را از ارتعاش ناشی از زمین لرزه ها جدا کرد.

ولی رفتار ساختمان تحت بارهای باد رضایت بخش نبود. بنابراین ، او قطر توپ های دورن بلبرینگ را از 10 اینچ به 1/4 اینچ کاهش داد. به این ترتیب ، ساختمان در برابر بارهای باد پایدار شد و ظاهراً در اثر زلزله واقعی موفق بود. کاوایی در سال 1891 پس از زلزله ناروبی رو سازه ای را پیشنهاد کرد که از ستون ها به وسیله پایه های چوبی در چند لایه در جهت طولی و عرضی جدا شده بود.

در سال 1906 ، ژاکوب بختولد از آلمان اختراعی را ثبت کرد که در آن ساختمان بر روی صفحه ای ساخته شده از متریال محکم بر روی گلوله های سخت قرار می گرفت. در سال 1909 ، پزشکی از انگلستان ، طرحی در اداره ثبت اختراع بریتانیا برای روش ساخت ساختمان ثبت کرده بود. در روش وی ، ساختمان بر روی لایه ای از ماسه ریز ، میکا یا تالک ساخته می شود، این امکان به ساختمان اجازه می دهد در هنگام زلزله لغزیده و در نتیجه نیروی منتقل شده به خود ساختمان را کاهش دهد. در سال 1929 ، روبرت دو مونتالک از نیوزلند طرحی ارائه کرد که به موجب آن یک تخته بین ستون ساختمان و پایه محکم آن قرار می گیرد.

تقریباً صد طرح  شناخته شده برای سیستم های جداسازی لرزه ای قبل از سال 1960 وجود دارد ، اما هیچ کدام اجرا نشده است. دلیل اصلی این موضوع عدم عملی بودن پیشنهاد های مطرح شده و عدم اطمینان حرفه مهندسی آن روز به موفقیت آن ها است. بکی از اولین نمونه های اجرا شده جداسازی لرزه ای،  هتل امپریال فرانک لوید رایت در توکیو است که در سال 1921 ساخته شد. این ساختمان بر روی لایه ای کم عمق از خاک محکم بنا شد ، که توسط یک لایه زیرین گل پشتیبانی می شد. این هتل جلوی حرکت ویرانگر زمین مقاومت می کرد و از زلزله 1923 توکیو جان سالم به در برد . هتل امپریال مدرکی است که نشان می دهد عملیات جداسازی پایه و حفاظت لرزه ای با وسایل نسبتاً ساده ای قابل دستیابی است.

از دهه 1920 ، اتفاقات دیگری رخ داده است که در آن برخی سازه ها از زلزله جان سالم به در برده اند و ساختمانهای مجاور فرو ریخته اند. در زلزله 1933 لانگ بیچ چندین ساختمان بنایی غیر مسلح فقط آسیب جزئی دیدند زیرا قادر به لغزش بر روی ستون های خود بودند. حداقل یک خانه بنایی از زلزله تانگشان در سال 1976 جان سالم به در برد ، زیرا بر روی پی خود به طور ناخواسته لغزید. گزارش ها مواردی از سازه های باریک را شناسایی میکنند که( به دلیل توانایی آنها در تکان خوردن یا تاب خوردن جانبی) از زمین لرزه ها جان سالم به در برده اند. مخازن آب و مجسمه ها ، لوسترها و پل های معلق نمونه هایی از آن هستند.

پژوهشگران در دهه 1930 تلاش کردند تا با طراحی بسیار انعطاف پذیر ستون های طبقه اول ، از طبقات بالای ساختمانهای چند طبقه محافظت کنند. پیشنهاد شد که ستون های طبقه اول باید طوری طراحی شوند که در هنگام زلزله به تسلیم برسند تا عملکردی جداگانه و میراگر ایجاد کنند. برای تولید میرایی کافی ، چندین اینچ جابجایی مورد نیاز است ، و از آنجایی که یک ستون برای تسلیم شدن می بایست بارهای زیادی را متمحل شود خود غیر عملی بودن این طرح را نشان می دهد. برای جلوگیری از حرکت بیش از حد سازه ، اولین طبقه در زیر زمین ساخته شده و اتلاف کننده های انرژی در بالای این طبقه نصب شده است . برای غلبه بر خطرات ذاتی پشتیبانی نرم در پایه ، انواع زیادی از سیستم های غلتک پیشنهاد شده است. غلطک ها و یاتاقان های کروی از نظر میرایی بسیار ضعیف بوده و هیچگونه مقاومت ذاتی در برابر بارهای جانبی ندارند بنابراین برخی مکانیسم های دیگری مورد نیاز است که مهار باد و ظرفیت جذب انرژی را فراهم می کند. مدت زمان طولانی بین دو زلزله پی در پی ممکن است منجر به جوش سرد یاتاقان ها و صفحات شود ، که باعث می شود سیستم پس از مدتی سفت و سخت شود. با توجه به این موضوع ، استفاده از تکیه گاه های نورد محدود به جداسازی اجزای خاص با وزن کم یا متوسط ​​است.

راه حل دیگری که برای افزایش انعطاف پذیری سیستم به نظر می رسید ، استفاده از انعطاف پذیری لاستیک طبیعی بود. اولین استفاده از این طرح در سال 1969 برای یک مدرسه ابتدایی سه طبقه در اسکوپی ، جمهوری مقدونیه بود. این ساختمان از دیوارهای برشی بتنی مسلح ساخته شده بود و توسط 54 بلوک بزرگ از لاستیک سخت پشتیبانی می شد. این بلوک های لاستیکی کاملاً تقویت نشده بودند ، بنابراین وزن ساختمان باعث برجستگی آنها به یک طرف می شد. برای بهبود پایداری ساختمان در برابر ارتعاشات جزئی ، بلوک های شیشه ای در نظر گرفته می شد که به عنوان فیوزهای لرزه ای عمل می کردند که بار لرزه ای از آستانه خاصی فراتر رود. به دلیل سختی یکسان سیستم جداسازی در همه جهات ، ساختمان به عقب و جلو می پرید. این نوع یاتاقان ها برای حفاظت از سازه ها در برابر زلزله نامناسب هستند.

در دهه 1970توسعه بعدی یاتاقان های لاستیکی چند لایه ، جداسازی لرزه ای را به یک واقعیت عملی تبدیل کرد. این یاتاقانها جهت حمل وزن سازه در جهت عمودی بسیار سفت اما از نظر افقی بسیار منعطف هستند تا بتوانند ساختار جدا شده را تحت حرکت شدید زمین به صورت جانبی حرکت دهند. در اوایل دهه 1980 ، پیشرفت در فناوری لاستیک منجر به ترکیبات لاستیکی جدیدی شد که به آنها لاستیک میرایی بالا (HDR) گفته شد .بعدها ، تعداد زیادی از دستگاههای جداسازی ساخته شد. (از جمله غلطک ، فنر ، صفحات لغزش اصطکاکی ، سیستم تعلیق قابلیت پذیر ، شمع های آستین دار و پایه های گهواره ای )در حال حاضر جداسازی لرزه ای برای سازه های مهم به مرحله پذیرش و جایگزینی ساختمان معمولی رسیده است.

این فقط اختراع بلبرینگ الاستومری نیست ، که جداسازی لرزه ای را به یک واقعیت عملی تبدیل کرده است. سه تحول موازی اما مستقل دیگر نیز در موفقیت آن نقش داشته است. اولین مورد توسعه نرم افزارهای قابل اعتماد برای تجزیه و تحلیل رایانه ای سازه ها برای پیش بینی عملکرد آنها و تعیین پارامترهای طراحی بود. توسعه دوم استفاده از میزهای لرزه ای بود ، که قادر به شبیه سازی اثرات حرکت زمین لرزه بر روی انواع مختلف سازه ها بود. سومین پیشرفت مهم در مهارت زلزله شناسی مهندسی و برآورد حرکت زمین در یک مکان خاص است.

جدول 1 به طور خلاصه مزایا و معایب رایج ترین وسایل مورد استفاده برای جداسازی لرزه ای را نشان می دهد. این مزایا و معایب مختصر و ممکن است جامع نباشند. علاوه بر این برخی از تولیدکنندگان احتمالا روشهای خاصی برای کاهش معایب داشته باشند.

مزایا و معایب سیستمهای جداساز متداول

بررسی تقریبی جدول 1 این واقعیت را تأیید می کند که هر یک از سیستم های جداسازی لرزه ای ذکر شده در بالا دارای ویژگی ها و عملکردهای دینامیکی خاصی هستند اما هیچ دستگاهی بی نقص نیست. این امر تلاش ها را برای ارتقاء دستگاههای موجود با هدف دستیابی به حداکثر سطح حفاظتی سازه ها یا نوآوری در سایرین از طریق جداسازی لرزه ای برانگیخته است. متأسفانه ، اکثر سیستم های جداسازی گزارش شده ، محصولات ثبت شده هستند (این امر در مورد اکثر محصولات تازه اختراع شده نیز صادق است) ، اما همه آنها به آسانی برای تهیه و استفاده مستقیم در دسترس نیستند. بخش بعدی برای یک مطالعه موردی با استفاده از یک سیستم جداسازی لرزه ای جدید به نام Roll-in-Cage (RNC) جداساز ارائه می شود ، که تلاشی است با هدف ترکیب بهترین ویژگی های سیستم های جداسازی کنونی ، در عین اجتناب از اشکالات اصلی آن ها انجام می شود.

به شکل 2 توجه کنید.  این یک سیستم جداسازی مبتنی بر نورد برای دستیابی به حداکثر امکان جداسازی سازه از زمین است و برای به حداقل رساندن انتقال نیروی لرزه ای به سازه جدا شده استفاده می شود. این دستگاه برای دستیابی به تعادل در کنترل نیازهای جابجایی جداکننده و شتاب های سازه ای طراحی شده است. این دستگاه در یک واحد تمام عملکردهای لازم برای پشتیبانی محکم و سخت عمودی ، انعطاف پذیری افقی با افزایش ثبات ، اتلاف انرژی پسماند و مقاومت در برابر بارهای کوچک ارتعاشی را ارائه می دهد. اگرچه هسته نورد شبه بیضی شکل است ، جداساز RNC به دلیل انحنای داخلی صفحات بلبرینگ بالا و پایین هیچ گونه نوسان عمودی درسازه جدا شده در حین حرکت ایجاد نمی کند. علاوه بر این ، جداساز RNC با سه ویژگی منحصر به فرد متمایز می شود:

(1) مکانیسم خودکار (بافر) برای محدود کردن جابجایی ایزوله تحت حرکت لرزه ای شدید ، مانند زلزله های نزدیک به گسل ، به مقدار از پیش تعیین شده توسط طراح سازه.

(2) یک مکانیسم خودکار مبتنی بر گرانش که از جابجایی باقیمانده پس از زلزله جلوگیری می کند (این مکانیسم اخیر ناشی از اتخاذ شکل شبه بیضی شکل هسته نورد است)

(3) مقاومت قابل توجه در برابر کشش محوری عمودی که توسط میراگرهای عملکرد فلزی در امتداد محیط آن ارائه می شود.

شکل 2.

جداساز RNC: (الف) نمای ایزومتریک کامل ؛ (ب) نماهای عمودی نیمه مقطعی ؛ (ج) نمای مقطعی جزئی سه بعدی.

جداساز RNC برای بیشترین بهره برداری از مکانیسم حرکت مبتنی بر نورد سازگار با مکانیسم سختی جانبی طراحی شده است. از چنین مزیتی در طراحی مستقل بودن مکانیسم بلبرینگ عمودی و مکانیزمی است که سختی جانبی قبل از عملکرد را در برابر بارهای ارتعاشی جزئی ایجاد می کند. این استقلال امکان تنظیم دقیق سختی اولیه قبل از تسلیم را فراهم می آورد تا امکان شروع فرایند جداسازی لرزه ای یا جداسازی سازه از زمین ، درست پس از آنکه بر خلاف سیستم های جداسازی موجود نیروهای لرزه ای از حداکثر بارهای ارتعاشی جزئی بیشتر شود. برای پشتیبانی از سازه های سنگین و فوق سنگین ، جداساز RNC دارای یک استوانه الاستومری توخالی خطی است که با ضخامت طراحی شده و در اطراف هسته نورد قرار دارد تا نمایانگر ظرفیت حمل بار عمودی اصلی باشد ، در حالی که هسته نورد خود به عنوان یک پشتیبانی ثانویه در این مورد عمل می کند. مورد جداساز RNC می تواند به اشکال دیگری در دسترس باشد تا متناسب با ساختار یا شی مورد حفاظت باشد.

جداسازی لرزه ای ساختمانهای نامتقارن مجاور با استفاده از جداساز RNC

معرفی

پیچش بر سازه های معمولی و سازه هایی که از جداساز استفاده می کنند تأثیر منفی می گذارد. 42 درصد از خسارات وارد بر ابنیه در زلزله 1985 مکزیکو سیتی مربوط به واکنش پیچشی ساختمانهای نامتقارن بود . بسیاری از ساختمان هایی که امروزه ساخته می شوند هنگام لرزش اثرات پیچشی را نشان می دهند. اگر مرکز جرم (CM) ساختمان به طور قابل توجهی از مرکز سختی (CR) فاصله بگیرد این آثار به وضوح قابل پیش بینی است. در چنین حالتی ستون های ساختمان تحت بارهایی قرار می گیرند که هم از جا به جایی و هم از پیچش کلی ساختمان ناشی می شود. میزان اثرات پیچشی نسبت به اثرات جا به جایی توسط عوامل دیگر تنظیم می شود. اگرچه مجموع نیروهای برشی بین طبقه در یک ساختار خارج از مرکز را می توان با مشارکت حالتهای پیچشی ارتعاش کاهش داد ، اما نیروهای برشی و جابجایی هر ستون با افزایش فاصله آن از مرکز سختی سازه افزایش می یابد. بنابراین تنش اجزا در ساختمانی که CM آن از CR آن فاصله دارد بیشتر است. مشکلات اجرایی مانند ناهمگونی اجزا مانع از ساختن ساختمانهایی با مراکز یکسان جرم و سختی می شود. به همین دلیل ، اثرات پیچشی تا حدی در همه ساختمانها وجود دارد.

در نتیجه ، برای اهداف طراحی ، مطلوب است که چنین اثرات منفی را از طریق به حداقل رساندن یا حتی حذف واکنش های پیچشی سازه های نامتقارن محدود کنیم . سیستمهای جداسازی لرزه ای منفعل با کنترل ورودی لرزه ای برای کاهش اثرات مخرب زلزله در ساختمانها و محتویات آنها طراحی شده است. عملاً ، عملکرد سازه های جدا شده از لرزه به شدت تحت تأثیر رفتار پیچشی آن است. تقریباً همه سازه ها در حرکات زمین به دلیل عدم تقارن بین مرکز صلبیت ساختار (CR) و مرکز جرم (CM) واکنش سه بعدی را تجربه می کنند. چندین پژوهشگر واکنش جانبی پیچشی ساختمانهای با پایه ثابت و جدا شده از لرزه را بررسی کرده اند. اکثر تحقیقات نشان داده اند که جفت شدن بین حالتهای پیچشی با حالت رفتاری به طور قابل توجهی بر رفتار سازه های لرزه ای جدا شده تأثیر می گذارد و این اثر باید در تجزیه و تحلیل و طراحی به دقت مورد توجه قرار گیرد.

در مورد رفتار لرزه ای سازه های جداشده چند طبقه نامتقارن ، شواهد موجود نشان می دهد که پاسخ سازه های نامتقارن جدا شده هنوز یک موضوع تحقیقاتی باز است و آثار کمی در این زمینه در دسترس است.

سازه های لرزه ای جدا شده می توانند در حین لرزش های شدید زلزله ، در محل جداسازی، جابجایی های بزرگی را تجربه کنند ، به ویژه برای حرکتهای طولانی مدت زمین در نزدیکی گسل. برای این جابجایی ها فاصله کافی در اطراف فراهم میشود. با این حال ، عرض شکاف لرزه ای انتخاب شده به دلیل محدودیت های اجرایی و معماری و هزینه های مربوطه به ویژه در مناطق شهری محدود است. بنابراین ، تپش لرزه ای بین سازه های مجاور به یک پدیده معمول مشاهده شده در طول زلزله های بزرگ تبدیل شد. ضربات سنگی ممکن است باعث آسیب های معماری و ساختاری شود و در برخی موارد ممکن است منجر به فروپاشی کل سازه شود. به عنوان مثال ، در سال 1985 زمین لرزه ای در مکزیکوسیتی رخ داد که بیش از 40 درصد از 330 ساختمان آسیب دیدند یا به طور کامل تخریب شدند.

تحقیقات زیادی در مورد آسیب های ناشی از زلزله های گذشته و کاهش خطرات لرزش و مدل سازی برخورد بین سازه ها انجام شده است. برخورد بین سازه های مجاور یک پدیده بسیار پیچیده است که ممکن است شامل تغییر شکل پلاستیک ، خرد شدن موضعی و همچنین شکستن در برخورد باشد. این تغییر شکل های غیر خطی را نمی توان به آسانی در مدل سازی ضربات گنجانید. بنابراین ، ساده سازی ها و مفروضات ناگزیر در مدلهای نظری مورد استفاده قرار گرفته اند. برای مثال ، سازه ها به عنوان موانع سخت ، نوسان سازهای یک درجه آزادی یا چند درجه آزادی ساده شده اند. برخورد بین سازه ها با استفاده از سیستم خطی داشپات فنر یا مدل ضربه غیر خطی مدل شده است. علیرغم این ساده سازی ها ، تجزیه و تحلیل نظری در ارائه بینش به مکانیزم های ضربه زدن ارزشمند بوده است ، کارهای تحقیقاتی اخیر مسائل مختلف ضربات ساختاری از جمله مدل سازی ، کاهش و بررسی عناصر محدود را مورد بررسی قرار داده است .

هیچ یک از مطالعات انجام شده اثرات پیچشی ساختارهای نامتقارن جدا شده را تا حد مطلوبی کاهش نداده است. این امر به این دلیل است که همه آنها به سیستمهای جداسازی لرزه ای وابسته اند که دارای مکانیزم های سختی بلبرینگ و سختی ذاتی هستند ، که محدودیت های جدی را در تنظیم سختی الاستیک ایزوله بدون تأثیر بر مکانیسم های تحمل و میرایی آن علاوه بر ابعاد واحد جداسازی و در نتیجه رفتار کلی آن اعمال می کند. علاوه بر این ، هیچ یک از مطالعات فوق پتانسیل ضربات پیچشی را در نظر نگرفت زیرا تحقیقات در این زمینه هنوز ادامه دارد. برخی از مخرب ترین زمین لرزه ها از نوع نزدیک به گسل هستند. به طور کلی ، زمین لرزه نزدیک به گسل تقریباً شدیدترین و مخرب ترین حرکت زمین است.

شکل 3 یک نمودار کلی از سازه نامتقارن ده طبقه خطی جدا شده از RNC را نشان می دهد ، که برای این مطالعه با یک سازه مجاور L شکل سفت و محکم احاطه شده است. فرض می شود که سازه مجاور بدنه ای ثابت و غیر قابل تغییر شکل است که عمدتاً بر تأثیرات روش پیشنهادی بر روی خود سازه نامتقارن در حال بررسی تمرکز می کند. علاوه بر این ، چنین انتخابی از آن سازه مجاور نشان دهنده یک محدوده عمودی مجازی است که نباید توسط سازه نامتقارن جدا شده از RNC تجاوز شود تا به یک مورد واقع بینانه مطالعه در مناطق نزدیک گسل شهری نزدیک شود. سازه شکل L سخت مجاور ، با ارتفاع یکسان ، برای در نظر گرفتن ضربات احتمالی همزمان در جهت X و Y انتخاب شده است. این ساختمان یک ساختمان سه بعدی نامتقارن از 5 خلیج است که هر کدام دارای دهانه 8.0 متر بوده و دارای طناب های انتهایی بیرونی به طول 2.5 متر در هر دو جهت افقی است. این طبقه علاوه بر طبقه پایه جدا شده دارای 10 طبقه با ارتفاع داستان معمولی 3.0 متر است. گریز از مرکز ساختار افقی بین مراکز جرم (CM) و سختی (CR) در جهت X و Y 5098/2 متر و 9090/0 متر است و به ترتیب ex و ey نامیده می شوند. آن گریز از مرکزها به ترتیب معادل 55/12 و 50/4 درصد از نیمی از ابعاد سازه ای در نقشه در جهت X و Y است. ساختمان جدا شده پایه به عنوان یک سازه نوع برشی مدل سازی شده بر روی 36 جداساز RNC با بار سنگین ، یکی در زیر هر ستون ، مدل شده است. هر طبقه دارای دو درجه جابجایی جانبی آزادی (DOF) در کنار یک DOF پیچشی حول محور عمودی است. این سازه توسط اجزای زلزله افقی یک طرفه و دو طرفه جهت های XX و YY برانگیخته می شود.

شکل 3.

ساختمان نامتقارن 10 طبقه ای جدا شده از RNC که تا حدی با سازه مجاور L شکل سفت و محکم احاطه شده است.