مقایسه تکنولوژی های محافظت در برابر زلزله

از تکنولوژی های محافظت در برابر زلزله، برای کنترل خسارات ساختمان هنگام زلزله استفاده می شود. امروزه زمینه مهندسی زلزله بسیار گسترده شده است و روش های بسیاری برای محافظت از ساختمان ها در برابر این نیروهای لرزه ای وجود دارد. روشهای سنتی بیشتر متکی به انعطاف پذیری و آسیب، با استفاده از انرژی زلزله برای ایجاد تغییر شکل در فولاد یا ترک بتن هستند. این روش sها معمولاً به عنوان رویکرد های مبتنی بر نیرو و انعطاف پذیر شناخته می شوند.

تکنولوژی های پایدارتر با استفاده از میراگرها یا جداگرهای لرزه ای (جلوگیری از خسارت) از آسیب حین زلزله جلوگیری می کنند. انواع مختلفی از میراگرهای لرزه ای وجود دارد اما همه آنها از نوعی اصطکاک بین مواد جامد (میراگرهای اصطکاکی) یا درون مایعات استفاده می کنند تا انرژی زلزله را به انرژی حرارتی تبدیل کنند. جداگرهای لرزه ای عموما در سه نوع وجود دارند: الاستومریک، الاستومریک با اتلاف انرژی انعطاف پذیر و اصطکاکی.

در زیر برخی از ویژگی های تکنولوژی های مختلف حفاظت در برابر زلزله آورده شده است.

میراگر اصطکاکی خطی

میراگر اصطکاکی خطی باعث اتلاف انرژی می شود به گونه ای که عناصر میراگر درکشش و فشار نسبت به یکدیگر می لغزند و در یک فرایند غیر مخرب، انرژی جنبشی زمین لرزه را مستقیماً به انرژی حرارتی تبدیل می کنند. به عنوان مثال قابل درک، هنگامی که دستان خود را به روی یکدیگر مالش می دهید، نیرو را از طریق مسافت (انرژی) به گرما تبدیل کرده اید.

مزایای میراگر اصطکاکی خطی

  • هزینه کم وسایل و نصب
  • امکان کاهش اندازه مقاطع سازه را می دهد
  • طراحی آسان و غیر وابسته به سرعت و یا دما
  • حلقه هیسترزیس مستطیلی، بالاترین (حداکثر) اتلاف انرژی در هر چرخه
  • بدون نیاز به تعمیر و نگهداری
  • برای فراهم کردن بارهای بزرگ به صورت موازی قابل نصب است
  • به عنوان وسیله محدود کننده بار عمل می کند (بار لغزش، بارهای کمانش، ستون و فونداسیون را محدود می‌کند.)

معایب میراگر اصطکاکی خطی

  • برای اتلاف انرژی قابل توجه باید به بار لغزش برسد
  • نمی توان از آن برای مستهلک کردن بارهای سرویس استفاده کرد (بار لغزش باید بالاتر از بار سرویس قرار داده شود)

پیامدهای میراگرهای اصطکاکی ضعیف طراحی/ تولید شده

  • به دلیل خزش در سطح تماس اصطکاک یا خزش در واشرها، نیروی اصطکاک می تواند به مرور زمان تغییر کند
  • نیروی اصطکاک به دلیل خوردگی می تواند به مرور زمان تغییر کند
  • جرم حرارتی ناکافی (یک میراگر خیلی سبک است) یا هدایت حرارتی ضعیف می تواند منجر به افزایش دمای زیاد شود.
  • وابستگی قابل توجه به سرعت یا دما می تواند در مواردی که پلاستیک در سطح تماس استفاده می شود، وجود داشته باشد.

روش های آزمایش میراگرهای اصطکاکی

  • آزمایش 100% تولیدات در بار و ضربه کامل
  • آزمایش نمونه (به عنوان مثال 10٪ تولیدات) می تواند به عنوان یک مکمل استفاده شود اما نه به عنوان جایگزینی برای آزمایش 100٪ تولیدات.
  • به منظور ضبط تغییرات اصطکاک استاتیکی و دینامیکی و همچنین هرگونه تغییر در بار لغزش در جابجایی میراگر، باید آزمایش بصورت شبه استاتیکی انجام شود.

پیکربندی های نصب

  • تک قطری
  • موازی (برای بارهای بزرگتر)
  • شورون (در بالا و یا در قطرها)
  • در اتصالات تیرها/ ستون ها
  • جوش شده/ پرچ شده یا مفصل شده
مهاربندهای معمول

مهاربندهای معمول سختی اضافی و در نتیجه مقاومت جانبی ایجاد می کنند و به ساختمان ها در مقاومت در برابر زلزله کمک می کنند. مهاربندهای معمول انرژی را با تسلیم شدن و سخت کرنش در کشش مستهلک می کنند و مقداری انرژی نیز در فشار از طریق کمانش ذخیره/مستهلک می شود.

مزایای اصلی مهاربندهای فولادی سنتی

  • هزینه اولیه کم مهاربندها
  • طراحی آسان، غیر وابسته به سرعت یا دما
  • تعداد زیاد تامین کنندگان در دسترس هستند

معایب مهاربندهای سنتی

  • آزمایش 100% تولیدات امکان پذیر نیست.
  • تنها می تواند انرژی را در کشش مستهلک کند زیرا در فشار دچار کمانش می شود.
  • به طور بالقوه نیاز به مقاوم سازی سایر اعضای سازه دارد، همان طور که این امر صلبیت را افزایش می دهد، هزینه کلی ساختمان را هم افزایش می دهد.
  • بعد از زلزله بزرگ نیاز به تعویض دارد.

پیامدهای مهاربندهای ضعیف طراحی/ تولید شده

  • اگر عناصر دیگر سازه به دلیل در نظر گرفتن سخت شدگی کرنش در کشش، تقویت نشوند، خرابی های موضعی ایجاد می شود.
  • نقاط تسلیم مصالح و سازگاری مصالح به دلیل وابسته بودن به شکل پذیری، بحرانی است. تغییرات مشخصات مصالح می تواند مشکل ساز باشد و باید برای آنها آزمایش در نظر گرفته شود.
  • دوران ناکافی در ورق اتصال باعث ایجاد گشتاور شده و منجر به افزایش بار می شود.

روش های آزمایش مهاربندهای فولادی

  • آزمایش 100٪ تولیدات امکان پذیر نیست زیرا می تواند مخرب باشد. بهترین روش این است که صحت سنجی تنش تسلیم و ویژگی های مصالح طبق آزمایش کارخانه تأیید شود.
  • اطمینان از اینکه ابعاد مهاربندها با مشخصات مطابق دارد و بازرسی بصری برای بررسی خرابی یا خطاهای تولید (به عنوان مثال شکاف).

پیکربندی های نصب

  • تک قطری (مهاربندی همگرا یا واگرا)
  • شورون (مهاربندی همگرا یا واگرا)
  • جوش شده/ پرچ شده یا مفصل شده در اتصالات (معمولا جوش شده)
مهاربندهای کمانش ناپذیر (BRB)

مهاربندهای کمانش ناپذیر باعث اتلاف انرژی از طریق تسلیم شدن و سخت شدگی کرنش می شوند. هنگامی که زمین لرزه باعث می شود نیروها در BRB ظهور کنند، هسته فولادی شروع به جاری شدن می کند. از آنجا که از کمانش هسته با کمک قیدهای بتنی/ فولادی  جلوگیری می شود، تسلیم عمدتاً در هر دو حالت کشش و فشار متقارن است. به عنوان یک مثال قابل درک از اصل اتلاف انرژی انعطاف پذیر، یک گیره کاغذی بگیرید و آن را به عقب و جلو خم کنید، از انرژی ورودی برای تغییر شکل فلز استفاده می شود و باید بتوانید چندین چرخه را انجام دهید و توجه کنید قبل از شکستن فلز سخت می شود.

مزایای مهاربندهای کمانش ناپذیر

  • هزینه کم وسایل
  • طراحی آسان، عدم وابستگی چشمگیر به سرعت و دما
  • جلوگیری از شکست مهاربند (عموما متقارن در کشش و فشار)
  • پتانسیل کاهش تعداد قاب های مورد نیاز مهاربندی نسبت به مهاربندهای استاندارد

معایب مهاربندهای کمانش ناپذیر

  • آزمایش 100% تولیدات ممکن نیست
  • برای اتلاف انرژی قابل توجه باید به نیروی تسلیم برسد، پس از استفاده نیاز به تعویض دارد
  • نیاز به تقویت سایر اعضای سازه ای دارد، به گونه ای که با افزایش صلبیت، هزینه کلی ساختمان نسبت به برخی تکنولوژی های دیگر افزایش می یابد.
  • نصب المان های سنگین بزرگ در هنگام بهسازی می تواند مشکل باشد.

پیامدهای مهاربندهای کمانش ناپذیر ضعیف طراحی/ تولید شده

  • فضای ناکافی برای تسلیم هسته فولادی در ناحیه گذار (تغییر)
  • ناحیه گذار خیلی سریع
  • استفاده از مصالح نامناسب برای هسته فولادی
  • اتصال هسته فولادی درون ناحیه مقید شده.
  • اگر دیگر عناصر سازه ای به دلیل در نظر گرفتن سخت شدگی کرنش تقویت نشوند، می توانند خرابی های موضعی ایجاد کنند.

روش های آزمایش مهاربندهای کمانش ناپذیر

  • آزمایش 100٪ تولیدات با بار و ضربه کامل امکان پذیر نیست زیرا این امر می تواند مخرب باشد. هر ورقی که هسته فولادی از آن بریده شده است باید تحت آزمایش قرار گیرد تا ویژگی های تسلیم مصالح تأیید شود.
  • آزمایش نمونه 5% الی 10% یک سری تولید شده در بار و ضربه کامل انجام می شود. (برای جبران نمونه های تخریب شده، باید واحدهای اضافی تولید شوند)
  • بهترین روش آزمایش 100٪ BRB ها در محدوده الاستیک آنها است تا از سختی پیش بینی شده اطمینان حاصل شود.

پیکربندی های نصب

  • تک قطری
  • شورون
  • جوش شده/ پرچ شده یا مفصل شده به اتصالات
میراگر سیال ویسکوز

میراگرهای سیال ویسکوز، که گاهی اوقات به عنوان میراگرهای ویسکوز نیز شناخته می شوند، از محفظه های پر از سیال سیلیکون تحت فشار برای اتلاف انرژی زلزله استفاده می کنند. همانطور که پیستون درون سیلندر به جلو و عقب می لغزد، انرژی به سیال سیلیکون منتقل می شود و در یک فرآیند غیر مخرب به گرما تبدیل می شود. نیروی واکنش بیشتر به سرعت پیستون بستگی دارد.

مزایای میراگر ویسکوز

  • اجازه کاهش ابعاد مقاطع سازه
  • نیروها عموماً غیر هم فاز هستند (کمترین نیرو در میراگر با سرعت صفر رخ می دهد)
  • همواره انرژی را مستهلک می کند و می تواند انرژی باد را نیز مستهلک کند.

معایب میراگر ویسکوز

  • هزینه اولیه بالای وسایل
  • تعمیر و نگهداری مورد نیاز است
  • تغییر در نیروی میرایی به دلیل پلیمریزاسیون (سخت شدن) روغن سیلیکون مشاهده شده است
  • پیچیده تر بودن برای ادغام در طراحی ها به دلیل وابستگی به سرعت

پیامدهای میراگر ویسکوز ضعیف طراحی/ تولید شده

  • نشت زودهنگام در اطراف درزها و از بین رفتن فشار
  • پوسته شدن / لایه لایه شدن پوشش (هنگامی که از پوشش به جای فولاد ضد زنگ استفاده می شود) روی میله پیستون ایجاد نشت می کند.

روش های آزمایش میراگر ویسکوز

  • آزمایش 100% تولیدات در بار و ضربه کامل
  • میراگرهای ویسکوز به دلیل وابستگی به سرعت، باید در سرعت های مختلف آزمایش شوند.
  • آزمایش نمونه بر روی درصدی از میراگرها انجام می شود اما به عنوان جایگزین آزمایش های 100% تولید نیست.

پیکربندی های نصب

  • تک قطری
  • شورون (در بالا یا بر روی قطرها)
  • عموما اتصال مفصلی مورد نیاز است
جداگرهای لرزه ای الاستومریک (تکیه گاه های لاستیکی/ لاستیکی با هسته سربی)

جداگرهای لرزه ای الاستومریک چگونه کار می کنند؟

دو نوع اصلی جداگر لرزه ای شامل الاستومری و اصطکاکی وجود دارد. جداگرهای  الاستومری به عنوان فنر (با میرایی در موارد دارای هسته های تسلیم شونده مانند LRBs عمل می کنند که عموماً زمان تناوب ساختمان را افزایش می دهد و باعث می شود در سازه اصلی نیروهای طراحی لرزه ای کاهش یابد. عموماً از جداگرهای الاستومری همراه با ساختمان های کوتاه صلب استفاده می شود. دو نوع اصلی جداگر الاستومری وجود دارد، با و بدون هسته تسلیم شونده. در کاربردهای لرزه ای ، LRB (تکیه گاه های لاستیکی با هسته سربی) بیشتر استفاده می شود. LRB ها تکیه گاه های الاستومری با هسته سربی تسلیم شونده هستند که توسط لایه های لاستیکی احاطه شده و روی صفحات فولادی جوش داده شده اند.

مزایای جداگر لرزه ای

  • می توان از آن برای افزایش زمان تناوب ساختمان در ساختمانهای صلب استفاده کرد
  • زیر پایه نصب شده است و فضایی را به خود اختصاص نمی دهد

معایب جداگر لرزه ای LRB

  • آزمایش 100٪ تولیدات در بار و جابجایی کامل امکان پذیر نیست
  • هزینه بالای محصول و نصب
  • برای اتلاف انرژی قابل توجه باید به نیروی تسلیم برسد، پس از استفاده نیاز به تعویض دارد
  • برای ایجاد دامنه حرکت به شکافی در اطراف پی ساختمان احتیاج دارد که به پیچیدگی به ویژه در مقاوم سازی‌ها می افزاید
  • سختی الاستومرها وابسته به دما است. سختی در دماهای پایین افزایش می یابد در حالی که در دماهای بالاتر کاهش می یابد.
  • تجهیزات و تیم های تخصصی برای نصب در ساختمان های موجود لازم است
  • پیچیده بودن ادغام آن با طراحی ها

پیامدهای BRB های ضعیف طراحی/ تولید شده

  • اتصال ضعیف لاستیک به فولاد می تواند باعث جدایی شود
  • انتشار ترک به دلیل خستگی

روش های آزمایش جداگر لرزه ای

  • آزمایش 100٪ جداگرهای لرزه ای زیر حد الاستیک هسته
  • آزمایش نمونه از مصالح اولیه مورد استفاده
  • تست نمونه اصلی برای مفاهیم اولیه طراحی
  • آزمایش های نمونه اصلی باید در حداکثر دمای مورد انتظار انجام شود

پیکربندی های نصب

  • پای ستون ها
میراگر اصطکاکی دروانی

یک میراگر اصطکاکی دورانی،  همانطور که المان های میراگر نسبت به یکدیگر در یک گشتاور اصطکاک ثابت لغزش می کنند، انرژی را مستهلک می کند و انرژی زلزله را در یک فرآیند غیر مخرب به طور مستقیم به گرما تبدیل می کند. از آنجایی که گشتاور ثابت می ماند، نیروی لازم برای فعال کردن میراگر به بازوی اهرم و زاویه اعمال نیرو بستگی دارد. به عنوان مثال قابل درک، هنگامی که دستان خود را با یک حرکت دورانی به یکدیگر مالش می دهید، نیرو را از طریق فاصله (انرژی) به گرما تبدیل کرده اید.

مزایای میراگر اصطکاکی دورانی

  • هزینه کم وسایل و نصب
  • اتلاف انرژی بالا در سیکل
  • عموما بدون نیاز به تعمیر و نگهداری

معایب میراگر اصطکاکی دورانی

  • برای اتلاف انرژی چشمگیر باید به بار لغزش برسد
  • با تغییر زاویه، جابجایی های زیاد باعث تغییر قابل توجه در نیروی لغزش می شوند.
  • نمی توان از آن برای اتلاف بارهای باد استفاده کرد (باید بار لغزش را بالاتر از بار باد تنظیم کرد)

پیامدهای میراگر اصطکاکی دورانی ضعیف طراحی/ تولید شده

  • به دلیل خزش در سطح مشترک اصطکاک یا خزش در واشرها، نیروی اصطکاک می تواند به مرور زمان تغییر کند.
  • نیروی اصطکاک به دلیل خوردگی یا پوشش پدهای اصطکاک نرم می تواند به مرور زمان تغییر کند.
  • جرم حرارتی ناکافی (یک میراگر خیلی سبک است) یا هدایت حرارتی ضعیف می تواند منجر به افزایش دمای زیاد شود.
  • در مواردی که پلاستیک در سطح مشترک استفاده می شود، وابستگی قابل توجه به سرعت یا دما می تواند وجود داشته باشد
  • در زاویه های بزرگتر، نیروهای فشاری می توانند باعث کمانش لینک ها شوند زیرا نیروی لازم برای لغزش میراگر افزایش می یابد.

روش های آزمایش میراگر اصطکاکی دورانی

  • بهترین روش های آزمایش شامل آزمایش 100٪ تولیدات در بار و ضربه کامل است.
  • به منظور نشان دادن تغییرات از اصطکاک استاتیکی به دینامیکی و همچنین هرگونه تغییر در بار لغزش در جابجایی میراگر، باید آزمایش بصورت شبه استاتیکی انجام شود.

پیکربندی های نصب

  • تک قطری
  • موازی (برای بارهای بزرگتر)
  • شورون (در بالا و یا بر روی قطرها)
  • در اتصالات تیر/ ستون
  • عموما اتصال مفصلی مورد نیاز است
میراگر جرمی تنظیم شونده (TMD)

یک میراگر جرمی تنظیم شونده دامنه جابجایی ها را، با ذخیره مقداری از انرژی زلزله در یک جرم بزرگ متحرک که به یک المان فنر متصل شده است، کاهش می دهد. سپس جرم تنظیم شونده به یک اتلاف گر انرژی (عموما یک میراگر ویسکوز) وصل می شود تا انرژی را مستهلک کند (آن را به انرژی حرارتی تبدیل کند). TMD عموما با بقیه ساختمان به صورت غیر هم فاز حرکت می کند یا به عبارت ساده تر: وقتی بقیه ساختمان به سمت راست می رود، TMD به سمت چپ حرکت می کند. معمولاً از این دستگاه برای کاهش دامنه ارتعاش در محدوده کوچکی از فرکانس های مشکل ساز استفاده می شود. معمولاً در سیستم های مکانیکی به عنوان نوسانگر هارمونیک شناخته می شود.

مزایای TMD

  • می توان از آن برای کاهش دامنه ارتعاشات هارمونیک ناشی از باد استفاده کرد
  • می توان از آن برای کاهش دامنه ارتعاشات هارمونیک ناشی از زمین لرزه استفاده کرد

معایب TMD

  • برای اینکه هماهنگ و کارآمد باقی بماند باید با سختی و جرم ساختمان تنظیم شود.
  • نیاز به تخصص مهندسی قابل توجهی برای طراحی دارد.
  • نیاز به تعمیر و نگهداری دارد.
  • هزینه اولیه و بهره برداری بالا است.
  • فضای با ارزشی را در بالاترین (با ارزش ترین) طبقه ساختمانها می گیرد و باعث افزایش هزینه های کلی می‌شود.

پیامدهای TMD های ضعیف طراحی/ تولید شده

  • اصطکاک بیش از حد در اتصالات TMD منجر به ایجاد گشتاورها و عدم مطابقت با مدل مهندسی می‌شود.
  • عدم تطابق بین سختی کابل و سختی مدل شده باعث نوسان متفاوت می شود
  • عدم تطابق بین جرم و سختی مدل شده
  • برای مشاهده عواقب تولید / طراحی ضعیف میراگر ویسکوز، به میراگر ویسکوز مراجعه کنید.

روش های آزمایش TMD

  • آزمایش 100٪ میراگرهای ویسکوز مورد استفاده در بار و ضربه کامل. میراگرهای ویسکوز به دلیل وابستگی به سرعت باید در سرعت های مختلف آزمایش شوند.
  • برای اطمینان از سختی کششی مناسب، کابل ها و اتصالات کابل ها باید تحت آزمایش بار قرار گیرند.

پیکربندی های نصب

  • در بالای ساختمان با استفاده از اتصال کروی

مرجع:

© کپی رایت 1398 - عمران زاگرس