تکنیک‌های طراحی ساختمان‌ها و سازههای مقاوم در برابر زلزله
برای طراحی ساختمان‌ها و سازههای مقاوم در برابر زلزله باید پارامترهای مختلفی از جمله مقاومت، سختی و ظرفیت تغییر شکل غیر الاستیک برای نیروی زلزله مورد نظر (زلزله‌ای که میخواهیم سازه در مقابل آن مقاوم باشد) تامین گردند.
زمانی می‌توانیم به این هدف برسیم که ساختار سازه به درستی و بادقت به جزئیات اعضای سازه‌ای طراحی شده باشد. به عنوان مثال طراحی تیرها، ستون‌ها و اتصالات بین آن‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است.
روشهای پیشرفته امروزی برای ساخت ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله، بر افزایش مقاومت سازه تمرکز ندارند، بلکه تلاش بر این است که نیروی زلزله‌ای که به آن‌ها وارد می‌شود کاهش داده شود.
روشهای طراحی ساختمان‌ها و سازههای مقاوم در برابر زلزله
در میان روشهای مدرن ساخت و طراحی ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله، میتوان به روشهای زیر اشاره کرد.
- جداسازی لرزه‌ای
- به کار گیری سیستم‌های اتلاف انرژی (میراگر،دمپرها)
روش جداسازی لرزه‌ای
یک سازه جداسازی شده توسط تعدادی صفحات تکیه‌گاهی که بین روسازه و پی ساختمان قرار گرفته‌اند، تشکیل می‌شود (شکل 1 را ببینید). امروزه انواع مختلفی از جداسازهای لرزه‌ای ساخته می‌شوند.
شکل1 : ساختمان جداسازی شده (سمت راست) و ساختمان دارای تکیه گاه گیردار معمولی ( سمت چپ)
نیروی‌های ناشی از زلزله
برای اینکه یک ایده کلی از نحوه کار جداساز لرزه‌ای داشته باشید، شکل 2 را ببینید. این تصویر دو ساختمان را نشان می‌دهد که تحت بار زلزله قرار گرفته‌اند. یکی از این ساختمان‌ها تکیه‌گاه معمولی دارد و در دیگری از جداساز لرزه‌ای استفاده شده است. در اثر زلزله، زمینی که ساختمان‌ها روی آن قرار گرفته‌اند، شروع به لرزیدن می‌کند.
در شکل 2، حرکت زمین به سمت چپ نشان داده شده است.
پاسخ هر دو ساختمان در مقابل زلزله به گونه‌ای است که تمایل دارند به سمت راست حرکت کنند. ساختمان با حرکت به سمت راست در برابر زلزله مقابله می‌کند. اینرسی علت حرکت ساختمان در حلاف جهت زلزله است. نیروهای اینرسی که بر روی ساختمان عمل می کنند مهمترین نیرویی هستند که در اثر زلزله ایجاد می‌شود.
دانستن این موضوع که نیروهای اینرسی که ساختمان تحمل می‌کند متناسب با شتابی است که ساختمان در حین وقوع زلزله پیدا می‌کند، از اهمیت زیادی برخوردار است.
موضوع مهم دیگر این است که ساختمان‌ها در واقع به یک جهت رانده نمی‌شوند. به علت طبیعت پیچیده ایی که حرکات ناشی از زلزله دارند، ساختمان در جهات مختلف حرکات رفت و برگشتی انجام می‌دهد یا به عبارتی ویبره می‌کند و می‌لرزد.
شکل 2: ساختمان جداسازی شده (سمت راست) و ساختمان معمولی(سمت چپ) تحت حرکات ناشی از زلزله
تغییرشکل و خرابی‌های وارد بر سازه‌ها
علاوه بر تغییر مکان به سمت راست، ساختمان فاقد جداساز لرزه‌ای دچار تغییر شکل و تغییر فرم سازه‌ای نیز شده است. به این صورت که سازه از فرم مستطیلی به فرم متوازی الاضلاع تغییر شکل داده است. علت اصلی که زلزله باعث ایجاد خرابی در سازه‌ها می‌شود همین تغییر شکلی است که سازه در نتیجه نیروهای اینرسی که برآن وارد می‌شوند، متحمل می‌شود.
پاسخ سازههای جداسازی شده
با وجود اینکه سازه جداسازی شده تغییر مکان زیادی دارد اما شکل مستطیلی اولیه خود را حقظ کرده است. در واقع این جداسازهای لاستیکی هسته سربی هستند که تغییر شکل می‌دهند تا سازه بدون تغییر شکل باقی بماند و فقط جابه‌جا شود.
سازه جداسازی شده از خرابی و تغییر شکل رهایی می‌یابد که این موضوع نتیجه کاهش نیروهای اینرسی وارده بر ساختمان جداسازی شده است.
همانطور که در بالا اشاره شد، نیروهای اینرسی با کاهش و افزایش شتاب، تغییر می‌کنند و کم و زیاد می‌شوند.
در ساختمان جداسازی شده، شتاب کاهش می‌یابد. علت این است که سیستم جداساز لرزه‌ای پریود یا دوره تناوب حرکت رفت و برگشتی ساختمان را طولانی تر می‌کند. منظور از دوره تناول سازه مدت زمانی است که سازه یک حرکت رفت و برگشتی انجام می‌دهد.
به طور کلی سازه‌هایی که پریود‌های ارتعاش بلند تری دارند، شتاب کمتری خواهند داشت، در حالی که ساختمان‌های با پریود کوتاهتر شتاب می‌گیرند و حتی ممکن است باعث بزرگنمایی و افزایش شتاب شوند.
در پایان، از آنجا که جداسازهای لرزه‌ای لاستیکی تا حد زیادی الاستیک هستند، تحت بار رفت و برگشتی زلزله دچار خرابی نمی‌شوند. اما هسته سربی که در وسط جداسازهای لرزه‌ای هسته سربی قرار دارد، تحت همان تغییر شکل قرار می‌گیرد . هسته سربی در اثر این حرکت رفت و برگشتی داغ می‌شود.
به عبارت دیگر، هسته سربی انرژی حرکت را کاهش می‌دهد یا اتلاف می‌کند.
برای مثال انرژی جنبشی با تبدیل آن به حرارت اتلاف شده و میرا می‌شود. با کاهش انرژی وارده بر سازه، جداساز لرزه‌ای باعث کاهش سرعت ارتعاش ساختمان می‌شود و موجب می‌گردد ساختمان، نسبت به سازه بدون جداساز، زودتر از حرکت بایستد و متوقف شود. به عبارت دیگر جداساز ارتعاش ساختمان را دمپ یا میرا می‌کند.
ابزارهای اتلاف انرژی
روش جدید دیگری که برای بهبود مقاومت لرزه‌ای ساختمان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد بر مبنای میرایی و اتلاف انرژی است اما در این روش میرایی و اتلاف انرژی در سطح گسترده تری نسبت به جداسازهای لرزه‌ای صورت می‌گیرد.
همانطور که گفته شد، مقدار معینی انرژی ارتعاش از طریق حرکات زمین ناشی از زلزله، به سازه وارد می‌شود. هر ساختمانی خود به تنهایی یک توانایی ذاتی در اتلاف یا میرا کردن این انرژی دارد با این حال ظرفیت ساختمان برای اتلاف انرژی پیش از آنکه دچار تغییر شکل و خرابی شوند محدود است.
ساختمان اتلاف انرژی را از طریق یکی از دو راه زیر انجام می‌دهد:
- تحمل جابه‌جایی های خیلی زیاد
- نگه داشتن کرنش‌های داخلی در المان‌هایی مانند ستون‌ها و تیرها
هر دوی این روش‌ها نهایتا منجر به درجات تخریب متفاوتی می‌شوند.
بنابراین، با مجهز کردن یک ساختمان به تجهیزات تکمیلی که ظرفیت میرایی بالایی داشته باشند، می‌توانیم انرژی لرزه‌ای وارد بر ساختمان را تا حد زیادی کاهش دهیم و در نتیجه خرابی کمتری در ساختمان داشته باشیم.
با توجه به مطالب گفته شده، انواع گوناگونی از ابزارهای اتلاف انرزی ساخته شده و در ساختمان‌ها نصب می‌شوند. به ابزارهای اتلاف انرژی، ابزارهای میراگر(دمپر) انرژی نیز گفته می‌شود. انواع گوناگون تجهیزات میرایی موجود را میتوان به چهار دسته کلی تقسیم کرد:
- میراگر(دمپر)های اصطکاکی: در این میراگر(دمپر)ها از نیروهای اصطکاکی به منظور اتلاف انرژی استفاده می‌شود.
- میراگر(دمپر)های فلزی: در این میراگر(دمپر)ها از تغییر شکل المان‌های فلزی درون میراگر(دمپر) استفاده می‌شود.
- میراگر(دمپر)های ویسکو الاستیک : در این میراگر(دمپر)ها از برش کنترل شده مصالح جامد استفاده می‌شود.
- میراگر(دمپر)های ویسکوز: در این میراگر(دمپر)ها از جابه‌جایی اجباری مایعات درون میراگر(دمپر) استفاده می‌شود..
تجهیزات میرایی و سیستم‌های مهاربندی
تجهیزات میرایی معمولا به عنوان بخشی از سیستم مهاربندی نصب می‌شوند. شکل 3 یکی از انواع روشهای قرارگیری مهاربند-دمپر را نشان می‌دهد. در مرحله اول این ساختار تکیه‌گاه تکمیلی برای ستون ایجاد می‌کند.
بیشتر حرکت زمین ناشی از زلزله در جهت افقی است.، بنا براین به طور معمول این ستون ساختمان است که بیشترین جابه‌جایی را نسبت به حرکت زمین دارد. شکل 3 ابزار میرایی نصب شده به عنوان بخشی از سیستم مهاربندی را نشان می‌دهد و به درک مفهوم این بخش کمک می‌کند.
شکل3: ابزار میرایی نصب شده در مهاربند
منبع:
