روش های نوین کاهش شدت لرزه ای در ساختمان های بتنی
چکیده:
بررسی راهکارهای کاهش شدت لرزه ای سازه (C) مورد توجه قرار گرفته شده در این مقاله روش های متفاوتی برای کاهش نیروی لرزه ای وجود دارد که از جمله آن ها کاهش وزن سازه می باشد که این امر باعث کاهش نیروی لرزه ای وارد شده می گردد . یکی دیگر از این روش ها نصب جداگرها می باشد . جداگرها با افزایش جابجایی سازه و کاهش شتاب لرزه ای نیروی زلزله را کاهش می دهند همچنین نصب میراگرها می تواند همانند کمک فنرهای ماشین با اتلاف انرژی و افزایش شکل پذیری تکانه زلزله را کاهش می دهند . یکی از روش کاهش وزن ساختمان در سازه های بتنی برداشتن کامل طبقات فوقانی ساختمان می باشد که همیشه باعث کاهش برش پایه نمی شود زیرا باعث کاهش ارتفاع سازه شده که این امر تغییر در دوره نوسانی ساختمان می گردد و مهندسین عمران و معماری حتما باید به این نکته توجه کنند . جداگر در تراز پی و زیر ستون ها اجرا می گردد و باعث افزایش جابجایی سازه ها می گردد ، میراگرها همانند بادبند نصب می گردد و نباید مانعی برای حرکت آن ها در زلزله مانند دیوارهای صلب وجود نداشته باشد. در این مقاله سعی شده تا خوانندگان با موضوع آشنا و استانداردهای موجود در زمینه مطرح شود.
واژه های کلیدی: جداگر، میراگر، برش پایه، شدت لرزه ای
مقدمه
میهن عزیز ما ایزان جزء کشورهای زلزله خیز جهان محسوب می شود. آشنایی با تغییرات روز دنیا در زمینه پیشرفت های تکنولوژی در کاهش شدت لرزه ای و سیستم ها جدید
سازه ای امری مهم و ضروری به نظر می رسد؛ که با توجه به این امر از دستورالعمل
547-FEMA می توان بهره گیری کرد.روش های بهسازی لرزه ای درپروژه هاروش هایی مانند افزایش مقاومت، افزایش سختی، تقویت مقاطع و بهبود نحوه بارگذارکی سازه
می باشد. روش های دیگری در کاهش نیروی لرزه ای در ساختمان ها وجود دارد، که کمتر رایج هستند. در این مقاله سه روش برای کاهش نیروی لرزه ای درساختمان ها که
شامل :کاهش وزن موثر لرزه ای،جداگر های لرزه ای، و میراگرهای غیر فعال می باشد بررسی می گردد. هر کدام از سه پارامتر یکی از عوامل شکل دهنده معادله دیفرانسیل ارتعاش سازه mx+cx+kx=p(t) می یاشد که ارتعاش متاثر از آن است.
روش کاهش وزن
کاهش وزن ساختمان باعث کاهش نیروی لرزه ای در ساختمان های موجود می شود اما طراح باید به این مسئله توجه داشته باشد که ارزیابی دینامیکی در این روش قبل از اتخاذ طرح مقاوم سازی برای ساختمان محاسبه گردد. روش هایی که می توان در ساختمان احداث شده مورد استفاده قرارداد شامل جایگزین کردن دیوارهای سنگین با دیوارهای جدار نازک سبک، برداشتن بارهای زنده دائمی سنگین،برداشتن کامل طبقات بالای ساختمان می باشد،در ساختمان بتنی به دلیل وزن زیاد ساختمان می توان چند طبقه بالای ساختمان بطور کامل حذف کرد که البته این امر باعث کاهش فضای مفید در ساختمان می شود.
روش کاهش وزن لرزه ای سازه باعث ایجاد عوامل دیگری نظیر کاهش نیروی وارده شده به جوش های اتصالات و وصله ستون های در ساختمان اسکلت فلزی ، کاهش جابجایی طبقات، کاهش لنگر مقاوم واژگونی سازه ،کاهش برش پایه می شود،البته این کاهش دقیقاً به نسبت کاهش وزن لرزه ای نمی باشد. برای مثال برداشتن طبقات بالایی ممکن است سازه را جزو ساختمان های کوتاه مرتبه قرار دهد که این امر منجر کاهش دوره نوسانی سازه می گردد.
تاثیر کاهش دوره نوسانی سازه( ) بیشتر از تاثیر کاهش وزن لرزه ای در ساختمان ها می باشد،که این امر میزان برش پایه را در سازه افزایش می دهد،در ساختمان های بلند بتنی که بیشترین وزن ساختمان در طبقات پایین متمرکز است این روش بسیار نیازمند تحلیل دینامیکی سازه است. در مثال های نشان داده شده زیر بررسی می شود که چگونه ممکن است که برداشتن طبقات بالایی ساختمان کاهش عمده ای در محاسبه کاهش برش پایه نداشته باشد.سازه مورد بررسی قاب خمشی بتنی بوده وبرش پایه براساس
(2005،ASCE) 05-Ascev برآورده شده است. در مثال (شماره1) سازه بتنی با ارتفاع و وزن طبقات معمولی،دوره نوسانی تقریبی سازه محاسبه گردید. مشاهده می گردد که برداشتن وزن طبقات بالای ساختمان باعث کاهش برش شده است در مثال( شماره2) یک مدل مشابه سازه است که دارای تمرکز وزن در طبقات می باشد. مشاهده می گردد که با ابرداشتن وزن طبقات بالای برش پایه ساختمان در اثر کاهش ارتفاع و دوره نوسان ساختمان نه تنها کاهش نیافته بلکه افزایش یافته است.
همان طور که در بالا مشاهده گردید در روش کاهش وزن به وسیله برداشتن طبقات فوقانی ساختمان ها ،که بیشتر در سازه بتنی مورد کابرد قرار می گیرد باید تمرکز وزن ساختمان را در طبقات پایین را مورد توجه و بررسی قرار داد، زیراکاهش ارتفاع سازه باعث کاهش دوره نوسان ساختمان می شود و این امر می توان حتی منجر به افزایش برش پایه گردد.
3- جداگرهای لرزه ای
جداگرهای لرزه ای شامل کل ابعاد ساختمان می شود و نمی توان در بخشی از سازه آن ها را استفاده نمود زیرا این عمل باعث ایجاد تفاوت در جابجایی دو بخش ساختمان می گردند و در کاهش پریوده های لرزه ای و خسارات لرزه ای منتقل شده از زمین به ساختمان تاثیر گذارند. استفاده از آن ها در طراحی های ساختمان جدید بسیار معمول شده است اما در آمریکا از آن ها برای تعداد متعددی ساختمان موجود جهت افزایش شکل پذیری به عنوان راهبرد کلیدی در طراحی پروژه های مقاوم سازی به کار می رود.
انواع جداگرها شامل مفصل انعطاف پذیر (لاستیکی) و مفصل لغزنده می شود. مفصل انعطاف پذیر خود به انواع مختلف شامل کاهنده لاستیکی بلند(high damped rubber) کاهنده لاستیکی کوتاه(damped rubber low ) تقسیم بندی می گردد. کاهنده های نوسانی غالبا جزئی از سیستم جداگرها هستند که جابجایی را محدود می کنند. در شکل(شماره3و4) تعدادی از کاهنده ها دیده می شود. باز دوره نوسانی در سازه هایی که از جداگر استفاده شده است به دلیل کاربرد این جداگرها 2تا4ثانیه تخمین زده می شود. همین طور در ساختمان هایی که بر روی خاک های خیلی ضعیف یا ساختمان خیلی بلندمرتبه می باشد و انعطاف پذیری ممکن است مقدور نباشد استفاده از جداگر می تواند بسیار سودمند باشد. استفاده از جداگر لرزه ای معمولا راهکار مقاوم سازی بسیار گران قیمتی است. این راه حل اصولا در آمریکا برای ساختمان های معروف و مهم استفاده می شود. جابجایی جداگرها بیشتر در طبقات بالا مشخص می شود، اما در ناحیه خطر پذیری زیاد توانایی زلزله برای جابجایی گاهی اوقات تا 75 میلی متر و یا بیشتر می رسد به همین دلیل حذف هر مانعی در نزدیکی سازه که در زمان پاسخ لرزه ای سازه مانع حرکت رفت و برگشتی ( حرکت پاندولی) شود ضروری است(شکل شماره5).
با توجه ببه نوع مفصل جداگرها و افزایش جابجایی ساختمان در هنگام وقوع زمین لرزه ایجاد درز انقطاع در اطراف سازه برای همسازی با جابجایی سازه است ضروری است. درز انقطاع باید پایین تر از صفحه جداگر ایجاد گردد. قسمت های بالای دررز انقطاع می توان به منظور زیبایی و یا مسائل امنیتی با مصالح انعطاف پذیر پوشاند.
در آسمان خراش ها که در آنها از آسانسورهای بسیار بزرگ استفاده می گردد، نمی توان بدون در نظر گرفتن جزییات خاص آن ها را از صفحه تراز جداگر عبور داد. تاسیسات مکانیکی و برقی این ساختمان ها نیاز به توانایی تطبیق با جابجایی جداگر دارد و باید از اتصالات انعطاف پذیر در آن ها استفاده کرد؛ پی هائی که که در زیر جداگر وجود دارد باید توانایی گرفتن نیرو و رساندن آن به جداگر را داشته باشند،صفحه و اتصالاتی که در بالای جداگر وجود دارد باید توانایی این که نیرو را به خوبی به جداگر برگرداند و در مقابل ممان ایجاد شده مقاومت کنند داشته باشد. تمامی این اجزا هزینه ساختمان های دارای جداگر را افزایش می دهد.
در طراحی و محاسبه باید دقت کرد که ساختمان های دارای جداگر جابجایی بسیار
گسترده تری نسبت به سازه های با پایه های ثابت دارند. در تحلیل تاریخچه زمانی این
سازه ها باید حتماً‌تمام جداگرها غیر خطی مدل شود. در این روش مشخصات مصالح باید مطابق با جزییات کارخانه سازنده و گزارش آزمایشگاهی شامل موارد مختلف: آزمایش بارگذاری،حرارت،سرعت،خوردگی،کهنگی و سایر تاثیرات باید در نظر گرفته شود. آزمایش برای اینکه مشخصاتی که شرکت سازنده بیان می کند و حصول اطمینان پیدا کردن از این که مشخصات عضو کاملا صحیح است ضروری است. محل نصب جداگرها در طراحی بسیار تعیین کننده است آن ها معمولا نزدیک به پی ساختمان هستند ولی نمونه های از جداگر وجود دارد که در بالای ستون و زیر سقف های سنگین نصب می شود تا نیرو وارده به ستون را کاهش دهد. پی و جداگر ، هر دو در یک تراز اجرا می گردد،اما بیشترین کاربرد آن ها در پی ساختمان و یا زیر پی ساختمان استفاده می شوند و بعضی دیگر پی اضافی در محل خود دارند. انواع مختلف جداگر دارای اجزای با اندازه های مختلف هستند و لوازمی برای انتقال لنگر دارند. در جداگر مفصل لاستیکی، لنگرهای p-delta را به خود گرفته و نصف آن را به پایین و نصف آن را به بالا انتقال می دهد. در سیستم قدیمی آونگ اصطکاکی، تمام لنگرهایp-delta به بال یا پایین انتقال پیدا می کند که این امر بستگی به جهت تقعر دارد چگونگی مقاومت در برابر لنگرها می تواند منجر به انتخاب نوع خاصی 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.
