مفهوم جداسازي لرزه اي بسيار ساده است: سيستم جداساز، با سختي افقي پائيني که بين سازه و پي ايجاد مي کند، ساختمان يا سازه را از مؤلفه هاي افقي حرکت زمين جدا مي سازد. اين عمل سيستمي را به وجود مي آورد که فرکانس پايه آن بسيار پائين تر از فرکانس هاي غالب زمين لرزه و نيز فرکانس پايه همان ساختمان با اتصال گيردار مي باشد. در نخستين مود ديناميکي سازه جداسازي شده، تغيير شکل فقط در سيستم جداساز به وجود مي آيد و رو سازه از هر نظر صلب مي باشد. مودهاي بالاتر که باعث تغيير شکل در سازه مي شوند بر مود اول و در نتيجه حرکت زمين عمود مي باشند. اين مودهاي بالا در حرکت تاثير ندارند و بالطبع انرژي زياد زلزله در اين مود هاي بالا به سازه منتقل نمي گردد. امروزه تحليل، طراحي و ساخت سازه ها با جداسازي لرزه اي به دليل ضوابط پيچده و سخت گيرانة آئين نامهها، دشوار است. در جداسازي لرزه اي، به جاي افزايش ظرفيت لرزه اي سازه، مفهوم کاهش نياز لرزه¬اي مبنا قرار مي گيرد. استفاده صحيح از اين فن آوري سبب بهبود رفتار سازه ها شده و رفتار سازه ها در حين زمين لرزه هاي بزرگ، عمدتاً در محدودة ارتجاعي باقي مي ماند. مفاهيم اين روش به طرز شگفت آوري ساده مي باشند. ايران با ساختار ويژه لرزه زمين ساخت، وجود گسل هاي فعال و لرزه خيزي زياد در زمره مناطق با خطر بالاي زلزله در جهان قرار دارد. گواهي تاريخ، اطلاعات مستند علمي و تجربه وقوع زلزله-هاي مکرر، بويژه در سالهاي اخير، بيانگر اين است که اکثر نقاط کشور و شهرهاي مهم در معرض وقوع زلزله هاي شديد است که به دليل توسعه ناسازگار با خطر زلزله، آسيب پذير و خطرپذير مي باشند. گرچه جلوگيري کامل از خسارات ناشي از زلزله شديد بسيار دشوار است، وليکن با استفاده از توانايي هاي علمي و فناوري هاي کارآمد، سعي مي گردد تا با کاهش خسارت، محيط زيست ايمني در برابر زلزله ايجاد گردد. جداسازي لرزه اي يکي از فناوري هاي مهم براي کنترل و کاهش خطر پذيري بويژه در سازهها و تأسيسات مهم و حياتي است که هنگام بروز زلزله بايد عملکرد مطلوبي داشته باشند و بدون وقفه عملياتي، قابل استفاده باشند. علي رغم آنکه ايده جداسازي لرزه اي به زمانهاي قديم برمي گردد و در ايران به نحوي در ساخت منار جنبان اصفهان نيز به کار رفته، ولي در دهههاي اخير اين فناوري در قالب امروزه خود، پيشرفت قابل توجهي نموده است و روز به روز در بين مهندسين حرفه اي جايگاه خود را به عنوان يک راه حل قابل اعتماد براي مقاوم سازي و افزايش ضريب ايمني سازه باز نموده است. اگرچه امروزه تحليل، طراحي، ساخت و اجراي سازه هاي جداسازي شده، مشکل و پيچيده است، ولي سعي شده و مي شود که با تدوين دستورالعمل و ضوابط آن، به فرايندي ساده تبديل گردد. در اين فصل پس از بيان انگيزه پژوهش به بيان مفهوم جداساز لرزه اي پرداخته شده و در ادامه به پشينه و کاربرد جداسازهاي لرزه اي در دنيا اشاره شده است و در انتها سيستم جداساز شامل غلتک-هاي متعامد به صورت مختصر معرفي گرديده است.
کشور پهناورمان ايران با وجود شرايط آب و هوايي مناسب جهت زندگي، بسيار لرزه خيز مي باشد به طوري که هر چند سال يک بار زلزله مخربي در آن رخ مي دهد که با توجه به آسيب پذيري موارد احداث شده، صدمات جاني و خسارات مالي فراوان آن خاطرات بسيار ناخوشايندي را در اذهان باقي گذاشته است. همانگونه که شعار پژوهشگاه بين المللي زلزله نيز بيان مي کند: " زلزله بلا نيست ،پديده ايست طبيعي كه بي توجهي و عدم آمادگي ما از آن بلا مي سازد. " در جهت آمادگي در برابر اين پديده به عنوان يکي از راهکارهاي پذيرفته شده در دنيا (با توجه به مطالبي که در اين فصل ذکر مي شود) برروي سيستم جداساز لرزه اي تحقيقاتي انجام شده که در نهايت منجر به پيشنهاد يک سيستم جداساز با نام غلتک هاي متعامد گرديده است. به نحوي که در مقايسه با ساير جداسازها از لحاظ اقتصادي داراي توجيه اقتصادي بوده و با تکنولوژي موجود در کشور بتوان جهت ساخت و اجراي آن اقدام نمود. در اين پژوهش به بررسي تکميلي اين جداساز پرداخته شده است.
جمعيت کثيري از مردم جهان در مناطق زلزله خيز دنيا زندگي مي کنند که در آن نواحي خطر وقوع زمين لرزه هايي با شدت و فراواني هاي مختلف وجود دارد. هر ساله وقوع زلزله ها موجب تلفات جاني و خسارات مالي فراوان مي شود. در طول سال هاي مختلف، تکنولوژي ساخت و طراحي سازه هاي مقاوم در برابر زلزله، در جهت کاهش اثر زلزله بر ساختمان ها، پل ها و نيز ملحقات مستعد آسيب پذيري آنها، پيشرفت زيادي کرده است. جداسازي ارتعاشي يک روش نسبتاً جديد و نو در اين زمينه بشمار مي آيد. جداسازي ارتعاشي در واقع نصب سيستمي است که سازه و يا ملحقات آنرا از حرکات لرزه اي مخرب زمين و يا تکيه گاه جدا مي سازد. اين جداسازي با افزايش انعطاف پذيري سيستم و همچنين تأمين ميرائي مناسب بدست مي آيد. در اکثر موارد جداسازهاي ارتعاشي در قسمت تحتاني سازه نصب مي گردند و بهمين علت به نام جداسازهاي پي ناميده مي شوند. هر چند تکنولوژي جداسازهاي ارتعاشي نسبتاً جديد مي باشد اما؛ بررسي و مطالعات فراواني در اين زمينه انجام گرفته و بعنوان نمونه مي توان از مطالعات و تحقيقاتي(لي و ميدلند 1978 ؛ کلي 1986 ؛ اندرسون 1990 )که در اين زمينه انجام داده اند نام برد.
همچنين کارگاه هاي آموزشي بين المللي مختلفي در خصوص اين موضوع مانند کارگاه آموزشي ژاپن-نيوزلند 1987، کارگاه آموزشي ژاپن-ايالات متحده 1990، کارگاه آموزشي اسيسي 1989، کارگاه آموزشي توکيو1992 برگزار شده است و در برنامة کنفرانسهاي بين المللي، منطقه اي و ملي مهندسي زلزله (نظير نهمين و دهمين کنفرانس بين المللي زلزله، در 1998 توکيو و 1992 مادريد، کنفرانس هاي پاسفيک در سال هاي 1987 و 1991 ؛ چهارمين کنفرانس ايالات متحده 1990)نيز اين موضوع مطرح شده و موارد کاربردهاي خاص آن مورد بحث و بررسي و تبادل نظر قرار گرفته است(بعنوان مثال درSMiRT-11 توکيو 1991 ).
جداسازي لرزه اي راه حل مفيدي براي بسياري از مسائل لرزه اي است، بعنوان نمونه، در مورد ساختمان هاي بلند چند طبقه که نقش مهمي در دفاع غير نظامي داشته و بايد بلافاصله بعد از يک زلزله شديد قابل استفاده باشند، نظير ايستگاه مرکزي پليس ولينگتون ، به منظور کاهش خسارات سازه اي و غير سازه اي مي توان از سيستم هاي جداساز که تغيير مکان ها و ميزان انعطاف پذيري لازم را در حد مناسب کاهش مي دهد، استفاده کرد. همچنين يک سازه يا زير سازه که به طور طبيعي داراي شکل پذيري کم بوده و فقط مقاومت متوسطي دارد، همانند مؤسسه انتشاراتي پتون ، استفاده از روش جداسازي، مقاومت لازم در برابر زلزله را به وجود مي آورد که نمي توان اين مقاومت را عملاً با روش هاي ديگر مقابله با زلزله فراهم نمود. مطالعات دقيقي در رابطه با انواع سازه هايي که جداسازي ارتعاشي در مورد آنها کاربرد وسيعي دارد، انجام شده که پل هاي آزادراهها نيز نوع متداول چنين سازه هايي مي باشند.
تعداد سيستم هاي جداساز ارتعاشي که به منظور مقاوم سازي سازه ها هر روزه به کار مي روند، نشان دهنده پذيرش روز افزون اين روش مي باشد. نمونه هايي از اين روش را در کشور نيوزلند در خصوص مقاوم سازي پل هاي موجود و نيز پست هاي خازن هاي الکتريکي در هايوارزد که توسط جداسازهاي ارتعاشي مقاوم سازي شده اند، مي توان يافت. همچنين مقاوم سازي ساختمان قديمي پارلمان نيوزلند توسط جداسازها بررسي شده است. بسياري از ابنيه قديمي که از لحاظ فرهنگي ارزشمند است، مقاومت کمي در برابر زلزله دارند، که بايد به نحوي مقاوم شوند. جداسازي معمولاً هزينه تأمين مقاومت لرزه اي را تا سطح مورد نظر، کاهش مي دهد. شيوه اي که در نيوزلند دنبال مي شود، طراحي به منظور افزايش مقاومت لرزه اي، همراه با کاهش در هزينه ها مي باشد و معمولاً هدف از انجام آن کاهش 5% در هزينه هاي سازه اي است. کاهش در هزينه ها را مي توان بطور عمده با کاهش در نيروهاي ناشي از زلزله مشاهده نمود که در نتيجه اعضاي باربر ساده تر طراحي مي شوند. بنابراين جداسازي ارتعاشي چندين جنبه و وجه مفيد را دارا است که ديگر روش هاي مقاوم در برابر زلزله، فاقد آن ها است. جداسازي لرزه اي به زودي يکي از روش هايي خواهد شدکه توسط مهندسين، معماران و کارفرمايان مورد استفاده قرار مي گيرد. نقش روز افزون جداسازهاي ارتعاشي، به طور چشمگيري در آئين نامه هاي طرح ساختمان ها در برابر زلزله، منعکس شده است. هنگامي که از جداسازهاي ارتعاشي استفاده مي شود، سازه رفتار انعطاف پذيري از خود نشان مي دهد، البته بايد ضوابطي براي تغيير مکان هاي افقي بزرگ آن در نظر گرفته شود. نکته قابل توجه در اين است که علارقم روش هاي متعددي که براي محاسبه توسط طراحان مختلف بکار مي رود، همه روش هاي تغيير مکاني حدود 50 تا 400 ميلي متر را منطقي مي دانند، اين مقادير در صورت حرکات شديد زلزله تا حدود دو برابر نيز معقول خواهد بود. به همين جهت براي تمام سازه هايي که داراي جداسازهاي ارتعاشي مي باشند بايد درز لرزه اي در نظر گرفته شود تا چنين تغيير مکان هايي را در طول زلزله امکان پذير سازد.
ضروري است مالکان و ساکنان کنوني و آيندة ساختمان هايي که با استفاده از روش جداسازي ارتعاشي طراحي و ساخته شده اند از نقش مهم در زلزله و اهميت باز بودن اين فضا مطلع باشند. بعنوان نمونه هنگاميکه يک جاده و يا قسمت انتهايي يک پل، آب بندي و يا روسازي مجدد مي شود، بايد کاملاً دقت شود که مصالح آب بندي، سنگ ريزه و موادي از اين قبيل، در درز زلزله قرار نگيرد. به همين ترتيب درزهاي زلزله که در اطراف ساختمان قرار داده مي شود بايد از مواد زائد محافظت شده و هرگز به صورت انباري از آنها استفاده نگردد. سيستم هاي انفعالي نيازي به انرژي ورودي و يا اندرکنش با يک منبع خارجي ندارند. جداسازي لرزه اي فعال مقولة ديگري است که جنبه هاي متفاوتي را در مقابله با مسائل لرزه اي مطرح مي سازد. در مقايسه با سازه هاي با جداسازهاي انفعالي، سيستم هاي فعال نسبت کوچکي را به خود اختصاص داده اند. شکل معمول اين سيستم، عبارت است از نصب جرمي که درصد کوچکي از جرم سازه بوده اما با شتاب زيادي به حرکت در مي آيد و در نتيجه نيروي اينرسي عکس العملي ايجاد مي کند که اثر حذف کننده بر نيروي اينرسي وارد بر سازه را دارد. اگر چه اين سيستم عملي، گران قيمت است ولي براي کاهش نيروي مؤثر زلزله، در زلزله هاي با شدت متوسط که در بعضي مناطق، فراوان رخ مي دهد، مناسب است. با توجه به محدوديت هاي عملي که در ابعاد و تغيير مکان هاي اين جرم فعال وجود دارد، اين سيستم براي زلزله هاي شديد و بزرگ، به حد کافي مفيد نخواهد بود. به عبارت ديگر، تأمين شرايطي که باعث افزايش توان اين سيستم، در هنگام افزايش شدت زمين لرزه شود، مشکل بوده و اصولاً، چنين سيستم فعالي را مي توان در حالات خاص به صورت تکميلي در سازه اي که داراي سيستم انفعالي نيز مي باشد، استفاده نمود، به عنوان نمونه ساختماني با سيستم انفعالي را در نظر بگيريد که همه نظر مناسب بوده جز آنکه اين ساختمان داراي اجزائي است که در مقابل فرکانس هاي زياد طيف شتاب طبقه به مقدار کافي آسيب پذير باشد. در اين حالت استفاده از توان جرم فعال و تغيير مکان هاي لازم براي خنثي کردن پريودهاي کم طيف شتاب حتي در زلزله هاي شديد مي تواند مناسب باشد. اين توان مناسب را مي توان با يک منبع داخلي تأمين نمود که در اين صورت وجود جداسازها باعث کاهش ضربه زلزله و افزايش کارآيي جرم فعال مي شود. در مورد انتخاب و يا عدم انتخاب سيستم هاي جداساز ارتعاشي براي يک سازه، مهندس، معمار و يا کارفرماي آن بايد عوامل مختلفي را در نظر بگيرد. اولين موضوعي که بايد مد نظر قرار گيرد، خطر زلزله است که بستگي به خصوصيات زمين شناسي محلي(مجاورت به گسل، خاک محل)تاريخچه زلزله هاي ثبت شده در منطقه و هر عامل شناخته شده ديگر در مورد خصوصيات احتمالاتي زلزله (شدت، زمان تناوب و غيره)دارد. با توجه به شکل و سيستم سازه و همچنين مصالح به کار رفته، مي توان راه حل هاي متفاوتي براي طرح مقاوم سازي در مقابل زلزله در نظر گرفت که در بعضي از آن ها مي توان از جداسازهاي ارتعاشي استفاده کرد و در بعضي ديگر استفاده نکرد. سپس مي توان احتمال خرابي ناشي از زلزله را براي هر طرح مشخص نمود. خرابي ناشي از زلزله به صورت زير قابل طبقه بندي است: 1)خرابي جزئي و ناچيز. 2)خرابي قابل تعمير(در صورتي که هزينه تعمير حداکثر 30% هزينه کل ساخت باشد). 3)خرابي غيرقابل تعمير که در نتيجه سازه بايد تخريب گردد. تأکيد اصلي در سيستم جداساز ارتعاشي تغيير ميزان خرابي از سطح رديف هاي (2) و (3) به رديف (1) مي باشد، که باعث کاهش خسارات مالي و احتمالاً کاهش هزينه هاي بيمه مي شود. هزينه هاي نگهداري از سيستم هاي انفعالي بايد تا حد امکان کم باشد هر چند که اين هزينه ها براي سيستم هاي فعال بيشتر است. همانطور که قبلاً عنوان شد، استفاده از سيستم هاي جداساز ارتعاشي معمولاً هزينه ساخت را حدود 5% تا 10% کاهش مي دهد. با برآورد کل هزينه ها و صرفه جويي هايي که هر راه حل خواهد داشت، مي توان راه حل نهائي را تعيين کرد. در اين فرايند بايد ارزشي نيز براي ميزان سالم بودن سازه، بعد از زلزله و نيز ميزان کاهش خطر در اثر کاهش خسارت سازه، قائل شد. در بسياري از حالات اين صرفه جويي اضافي مي-تواند باعث انتخاب سيستم جداساز ارتعاشي شود.
مؤلفه هاي مختلف سيستم هاي جداساز ارتعاشي، به طور مجزا از اعضاي سازه اي طراحي مي شوند و در قسمت پائين سازه يا در نزديکي آن نصب مي گردند. در پل ها، که هدف محافظت از پايه-هاي کم وزن و فونداسيون آن ها مي باشد، معمولاً جداسازهاي ارتعاشي بين عرشه پل و پايه هاي آن قرار مي گيرند. ميرايي ويسکوز و خصوصيات هيسترسيس جداساز را مي توان طوري در نظر گرفت که تمام اعضاي سازه اصلي در محدوده الاستيک باقي بماند و يا در بدترين حالت به گونه اي عمل کند که به طور محدودي رفتار نرم از خود نشان دهند. قسمت اعظم تغيير مکان کلي سازه مربوط به سيستم جداساز است و خود سازه که به صورت يک جسم صلب روي سيستم جداساز قرار گرفته است، تغيير مکان هاي نسبتاً کوچکي خواهد داشت. در صورتيکه در سازه از مهاربند استفاده شود سختي آن افزايش مي يابد، در نتيجه تفاوت بين زمان تناوب اصلي سازه و زمان تناوب مؤثر سيستم جداساز بيشتر شده و تغيير شکل هاي سازه محدودتر مي شود. در اين حالت نيروهاي منتقل شده به سازه و همچنين تغيير مکان هاي سازه کاهش مي يابد و طراحي لرزه اي ساختمان، متعلقات و خدمات رساني آن را ساده تر مي سازد، البته اين موضوع لزوم مناسب بودن اتصالات و ارتباطات خدمات رساني را براي جوابگويي به تغيير مکان هاي بزرگ لاية جداساز نفي نمي کند.
مفهوم جداسازي ارتعاشي براي حفاظت سازه در برابر زلزله در قرن اخير به صور گوناگون پيشنهاد گرديده است. بسياري از اين سيستم ها به صورت استفاده از تکيه گاه غلتکي، تکيه گاه گهواره اي، لغزش روي ماسه يا تالک و يا ستون هاي نرم و تسليم شونده در طبقه اول مطرح شده است. کاربردهاي عملي از سيستمهاي جداساز ارتعاشي در سال هاي اخير توسط مؤسساتي در سراسر جهان توسعه يافته است. با آشکار شدن اين موضوع که سيستم هاي جداساز ارتعاشي يک راه حل مناسب طراحي لرزه اي در بسياري از نواحي لرزه خيز جهان مي باشد، تلاش هاي اين پيشگامان وارد مرحلة جديدي شده است. گروه مؤلفان کتاب در مؤسسه علوم فيزيکي نيوزلندDSIR که قبلاً آزمايشگاه فيزيک و مهندسي گروه تحقيقات علمي و صنعتي(PEL,DSIR) ناميده مي شد، از پيشگامان اين زمينه بوده و در سال1967 تحقيقات خود را شروع کرده اند. روش هاي اجرائي متعددي براي دستيابي به سيستم هاي جداساز ارتعاشي و وسايل اتلاف انرژي، توسط اين گروه معرفي شده که در بيش از 40 ساختمان که با همکاري مهندسين وزارت کار و توسعه و شرکت هاي مهندسين مشاور خصوصي نيوزلند ساخته شده، و مورد بهره برداري قرار گرفته اند. در تمام روش هايي که توسط مرکز علوم فيزيکي معرفي شده است، يک وجه مشترک وجود دارد و آن ايجاد ميرايي توسط رفتار هيسترزيس فولاد يا سرب مي باشد. اتعطاف پذيري توسط وسايل متفاوتي نظير: رفتار گهواره اي عرضي با بالاکشيدگي پي(پل راه آهن رونگهيتيکي جنوبي دودکشي در فرودگاه کريس چرچ)؛ جداسازهاي سربي لاستيکي با انعطاف پذيري افقي(ساختمان ويليام کليتون، ساختمان خبر گزاري ويلينگتن در پتون و تعداد زيادي از پل هاي جاده اي)؛ و فونداسيون شمعيSleeve pile انعطاف پذير (ساختمان يونيون در اوکلند و مرکز پليس ولينگتون)، تأمين شده است. اتلاف انرژي هيسترتيک يا توسط تيرهاي خمشي و تيرهاي پيچشي فولادي(و داکت رونگهيتيکي جنوبي، دودکش فرودگاه کريست چرچ و ساختمان يونيون و پل کرومول و پل هاي مقاوم سازي شده هيکواي) و يا قطعات سربي در تکيه گاه هاي فولاد و لاستيک لايه اي (ساختمان ويليام کليتون و تعداد زيادي از پل هاي جاده اي) و يا مستهلک کننده هاي سرب تزريقي (روزگذرهاي ماشين رو خيابان بولتون و اروراتراس در ويلينگتن و مرکز پليس ولينگتن)، صورت مي گيرد. تمام انواع اين وسايل قبل از اينکه در سازه ها مورد استفاده قرار گيرند در مرکز علوم فيزيکي DSIR آزمايش شده و در دستگاه هاي آزمايشگاه هاي ديناميکي تحت بارگذاري سيسنويسي و بارگذاري شبيه زمين لرزه قرار گرفته اند. آزمايش هاي ديگري نيز در اين خصوص در دانشگاه هاي اُوکلند و کانتربري صورت پذيرفته است. آزمايش هاي ميز لرزان روي تکيه گاه هاي الاستومريک و تکيه گاه-هاي سرب لاستيکي نيز بر روي ميرا کننده هاي فولادي در دانشگاه برکلي کاليفرنيا و در ژاپن بر روي ساختمان هاي مدل مقياس بزرگ انجام شده است. در نيوزلند و ژاپن آزمايش رهايي سريع نيز بر روي سازه هاي واقعي که در آن ها از اين نوع تکيه گاه ها و ميراکننده ها استفاده شده، انجام گرفته است. بعضي از سازه هايي که تاکنون (1992)در آن ها از سيستم جداساز ارتعاشي استفاده شده، تحت زلزله هاي واقعي با شدت کم قرار گرفته و رفتار مناسبي از خود نشان داده اند. تعدادي از مؤسسات در نقاط مختلف جهان، سيستم هاي جداساز متفاوتي را معرفي کرده اند که از جنبه هاي ديگري به غير از رفتار هيسترتيک به اکثر اين نکات توجه شده است، اعضايي با مصالح انعطاف پذير به منظور اتلاف انرژي، محدود نمودن نيروها و انعطاف پذيري پي بيشتر مورد نظر بوده است. در تعدادي از اين سيستم ها از نشيمن هاي الاستومر بدون هسته سربي استفاده شده که ميرايي در آن ها يا با استفاده از لاستيک و نئوپرنِ با اتلاف زياد و يا با استفاده از ميراکننده هاي ويسکوز کمکي تأمين مي شود. همچنين سيستم هاي لغزشي اصطکاکي نيز با رفتار الاستيک و غير الاستيک در چند مورد به کار برده شده است. اخيراً تحقيقات زيادي بر روي وسايلي که بدون جداسازي ارتعاشي باعث اتلاف انرژي مي شوند براي سيستم هايي که نياز به تغيير پريود نداشته و يا به دليل کاهش زياد نيرو در اثر ميرايي هاي بزرگ و يا به علت وسايلي که بطور لاينفک در سازه-هايي با پريود زياد نظير پل هاي معلق و ساختمان هاي بلند به کار مي روند و به کارگيري سيستم هاي جداساز در آن ها استفاده چنداني ندارد، انجام گرديده است. همچنين تحقيقاتي بر روي سيستم هاي اتصال مکانيکي پر هزينه اي که موجب جداسازي سه بعدي مي شوند ، صورت گرفته است. جداسازي ارتعاشي به عنوان يک روش براي سازه ها و يا براي تجهيزاتي که نياز به طراحي لرزه اي خاص دارند مورد بهره برداري قرار گرفته است. از اين روش ممکن است بعلت کاربرد مهم سازه(امکانات صنعتي و تجاري حساس و يا با خطر زياد مانند سيستم هاي کامپيوتري، تأسيسات ساخت نيمه هادي ها، امکانات بيوتکنولوژي و تأسيسات انرژي اتمي)، يا به علت اهميت آن ها بعد از وقوع زلزله (مانند بيمارستان ها، مراکز کنترل بلايا، ايستگاه هاي پليس و پله ايي که ارتباط حياطي را برقرار مي سازند)، يا به علت شرايط نامساعد زمين، مجاورت به يک گسل اصلي و يا مسائل خاص ديگر نظير افزايش مقاومت سازه هاي موجود در مقابل زلزله استفاده گردد. در اين موارد جداسازي لرزه اي امتيازات خاصي نسبت به بقية روش ها دارد و اغلب ايمني بيشتري را تحت حرکات شديد زلزله فراهم مي آورد و استفاده اقتصادي از آن به هيچ وجه محدود به اين موارد نمي شود. در نيوزلند بيشترين مورد استفاده از جداسازهاي ارتعاشي در پل هاي جاده اي دو خطه معمولي با دهانه متوسط است که به هيچ عنوان سازه خاص به حساب نمي آيند. البته در صورت استفاده از جداسازهاي ارتعاشي به جاي نشيمن گاه هاي لايه اي لاستيکي با گوگرد تقويت شده ، بايد در روش هاي طراحي استاندارد اصلاحاتي صورت پذيرد تا اثر تغيير شکل هاي حرارتي و ديگر حرکات سازه در نظر گرفته شود.
با وجود پيشرفت هاي اخير در تحقيقات جداسازي پايه اي، گرايشهاي بيش از حد محافظه کارانه هنوز مانع گسترش سراسري فناوري مي شوند. مثلاً در آمريکا، حجم ضوابط اداري و کاغذبازي که يک مهندس بايد براي جداسازي يک ساختمان انجام دهد (مانند مطالعات انجام پذيري پروژه، مرور توسط همکاران و بازرسي هاي محلي و کارگاهي)آنقدر زياد است که انجام يک پروژه جداسازي به طور چشمگيري غير عملي مي نمايد. استفاده از اين فناوري، تا زماني که نشمين ها به صورت تجاري و با ويژگي هاي ثبت شده در نيامده و ضوابط طراحي به صورت ساده و منطقي (که مشوق استفاده از مزاياي اين روش باشند) در نيايند، دشوار و محدود به چند پروژه در سال مي باشد. از اين مهمتر، تا زمانيکه ضوابط طراحي در آئين نامهUBC به شکل کنوني خود باقي بمانند، نيازهاي آئين نامه¬اي آنقدر محافظه کارانه است که مزاياي بالقوه استفاده از جداسازي پايه (کاهش نيازهاي طراحي در روسازه) از بين مي روند. بسياري از ساختمان ها با جداسازي پايه اي تحت اثر زلزله قرار گرفته و رفتار آنها مطابق آنچه که پيش بيني شده بود مي باشد. به استثناي بيمارستان دانشگاه کاليفرنيا جنوبيUSC در زلزله 1994 نورث ريج، زمين لرزه هايي که به ساختمان هاي جداسازي شده اثر کردند يا کوچک و نزديک به محل سازه بوده اند و يا با شدت متوسط و دور بودند، بنحوي که شتابهاي وارده به آنها بزرگ نبودند. با افرايش ساخت ساختمان هاي جداسازي شده در مناطق لرزه خيز جهان، مهندسان مي توانند در انتظار فراگيري نکات بيشتر و جديدتري درباره رفتار اين سازه ها باشند تابلکه بتوان درجه محافظه کاري فعلي موجود در طراحي اين سازه ها را کاهش داد. زماني که داده¬هاي کافي درباره جزئيات پاسخ سازه¬هاي جداسازي پايه اي شده در برابر زمين لرزه هاي بزرگ موجود باشند، مي توان آئين نامه ها را براي ساختمان هاي گيردار و جداسازي شده بطور جداگانه تنظيم نمود. اين آئين نامه ها بايد بر مبناي يک سطح مشخصي از خطر لرزه اي و عملکرد سازه اي قرار داشته باشد و راه را براي استفاده بهينه اقتصادي از اين فناوري جديد براي ساختمان ها که استفاده از اين روش براي آنها مناسب است، هموار کند. مهمترين موضوع تحقيقات در آينده براي تمام سيستم ها، دوام بلند مدت ويژگي هاي مکانيکي جداسازي و مصالح سازنده آن مي باشد. بهترين راه براي ارزيابي عملکرد بلند مدت جداسازها بازرسي و آزمايش دوباره نمونه هايي است که چندين سال عملاً مورد استفاده قرار گرفته¬اند. سيستم-هاي الاستومري به کار رفته در نشيمن ها، پلهاي غير مقاوم در برابر زلزله، بيش از 30 سال مورد استفاده قرار گرفته اند و سابقه رضايت بخشي از عملکرد خود برجا گذاشته اند. امروزه، جداسازي لرزه اي فن آوري توسعه يافته اي است که در بسياري از کشورها به کار مي رود و تعداد زيادي سيستم هاي جداساز لرزه اي قابل قبول وجود دارند که مباني ساخت آنها به خوبي شناخته شده است. به هر حال به نظر مي رسد که اين مفهوم، جاذبه اجتناب ناپذيري براي مخترعين داشته و هر ساله سيستم هاي نوين و مختلفي از جداسازها پيشنهاد شده و به ثبت مي رسند. با وجود اينکه بسياري از اين سيستم ها غير عملي بوده و برخي حتي مي توانند خطرناک باشند، اما تعداد اين سيستم ها هر سال افزايش مي يابد. بيشتر سيستم هايي که امروزه به کار مي روند يا شامل نشيمن هاي الاستومري هستند، که ماده اوليه آن لاستيک طبيعي يا نئوپرون است و يا در آن ها نشيمن هاي لغزان، که سطح لغزنده از جنس تفلون و فولاد ضد زنگ مي باشد (هر چند که از سطوح لغزان ديگري نيز استفاده شده است) به کار گرفته شده اند. سيستم هاي ديگري نيز پيشنهاد شده اند که در آنها نشيمنهاي الاستومري و لغزان با يکديگر ترکيب شده اند. با افزايش تعداد سيستم هاي جديد و اصلاحات به عمل آمده بر روي سيستم هاي موجود، امکان دارد که بعضي از سيستم ها ذکر نشده باشند. مؤلفين پيشاپيش از مخترعين و سازندگان سيستم هاي جداسازي که به صورت غير عمدي ذکري از کارشان به ميان نيامده، پوزش مي خواهند.
در ادامه مطالعات انجام شده در سال هاي اخير بر روي جداسازهايي که به صورت غلتک مي باشند، محمود حسيني و کامبيز کنگرلو در سال 2007 سيستم جداساز لرزه اي مرکب از زوج غلتک هاي متعامد بر بستر مقعر را ارائه کردند، که تصوير شماتيک آن در شکل 30( مشاهده درپی دی اف)، نمونه آزمايشگاهي آن در شکل 31، مشخصات هندسي نمونه¬ي آزمايشگاهي در شکل 32، خصوصيات مكانيكي و تركيبات شيميايي فولاد استفاده شده در جداول 1 و 2 و نشان داده شده اند. سطوح زير غلتک ها باعث اعمال نيروي بازگرداننده (mg. sinθ) به غلتک ها شده و از تغيير مکان هاي زياد جلوگيري مي-نمايد. در اين سيستم برخلاف جداسازهاي لغزنده و کروي که بار فقط در چند نقطه خاص اعمال مي-گردد و در نتيجه ابعاد بزرگي از آن ها مورد نياز است، (شکل 28مشاهده درپی دی اف)، بار در طول غلتک ها توزيع مي-شود. اختراع اين غلتک¬ها در سازمان ثبت اختراعات کشور در سال 84 به ثبت رسيده است.
در اين فصل به معرفي کلي سيستم مي پردازيم، به نحوي که ابتدا مطالب تئوري مربوط به اصطکاک لغزشي و غلتشي را مطرح مي کنيم. سپس نتايج آزمايش¬هاي انجام شده برروي سيستم جداساز لرزه¬اي مرکب از زوج غلتک هاي متعامد بر بستر مقعر(OPRCB) را ارائه مي نماييم. اين نتايج به دو بخش تقسيم مي شوند: 1- نتايج شامل آزمايشهاي ميز لرزان تحت تحريکات هارمونيک و زلزله 2- نتايج شامل منحني هاي رفتار سيستم تحت بارهاي قائم مختلف و دامنه جابه جايیهاي مختلف. پس از ارائه نتايج آزمايش، معادله ي درجه ي 2 تقريبي جهت بدست آوردن مقاومت غلتشي بر حسب بار قائم بر سيستم بر اساس نتايج آزمايشگاهي بدست آورده ايم. سپس به مطالعه رفتار سيستم با تکنيک اجزاء محدود به کمک نرم افزار ABAQUS پرداخته ايم، و از صحت مدلسازي با مقايسه نتايج نرم افزار با نتايج آزمايشگاهي مطمئن شديم، پس از اين مرحله حداکثر باري که مي توان برروي اين جداسازها قرار داد را بر اساس معيار تنش von Mises بدست آورده ايم. سپس با استفاده از روش لاگرانژ معادله ي حرکت سيستم را بدست آورديم، يکبار در حالت ارتعاش آزاد بدون در نظر گرفتن فنر، ميراکننده، مقاومت غلتشي و شتاب زمين و يکبار در حالت کلي معادله ي حرکت سيستم را بدست آورديم. در نهايت رابطه اي جهت محاسبه فرکانس طبيعي سيستم بدست آورده ايم.
مطابق شکل 1( مشاهده درپی دی اف) در اين فصل، هرگاه دو سطح که با يکديگر در تماسند را بخواهيم نسبت به يکديگر حرکت دهيم، نيروي مماسي بين آنها بوجود مي آيد که اصطکاک نامند. نيروي اصطکاک از مقدار صفر شروع شده و مساوي با نيروي محرک اعمالي به سيستم افزايش مي يابد تا به مقدار حداکثر خود برسد، از آن پس با افزايش نيروي محرک دو سطح نسبت به يکديگر شروع به حرکت مي نمايند. آزمايش ها نشان مي دهند که حداکثر مقدار نيروي اصطکاک از رابطه زير پيروي مي نمايد: Fmax =μ×N
شکل 2 نمودار( مشاهده درپی دی اف) آزاد يک استوانه غلتان به جرم m و شعاع r است، که در امتداد صفحه مايلي حرکت مي¬نمايد. اگر هيچگونه لغزشي در ميان نباشد، نيروي اصطکاک F کاري انجام نمي¬دهد، زيرا اين نيرو در يک لحظه، فقط در نقطه تماس جسم دوار و سطح ثابت به وجود مي آيد؛ و در لحظه ديگر که دو نقطه ديگر از جسم و سطح در تماس با يکديگر قرار مي گيرند ، در آنجا بوجود مي آيد. بنابراين نيروي اصطکاک در يک نقطه مشخص، فقط در حين يک تغيير مکان کوچک اثر مي کند و بعد از آن مقدارش در نقطه مورد نظر صفر مي شود و در نتيجه کار ناشي از آن مساوي صفر است، در واقع نيروي اصطکاک تنها باعث حرکت دوراني مي شود. شکل 2 2- نمودار آزاد استوانه غلتان روي سطح شيبدار( مشاهده درپی دی اف)
در بحث اصطکاک به اين نتيجه رسيديم که نيروي اصطکاک دوراني روي يک جسم غلتان کاري انجام نمي دهد و فقط باعث دوران جسم مي شود، بنابراين چرخي که آزادانه روي زمين افقي مي غلتد مي بايست غلتش خود را تا بي نهايت ادامه دهد، اما تجربه نشان ميدهد که بتدريج حرکت آن کند ميشود تا از حرکت باز بماند. اين پديده به علت وجود نيروي مقاومي است که آنرا مقاومت غلتشي نامند. مقاومت غلتشي بسيار کمتر از اصطکاک لغزشي بوده و ناشي از اين حقيقت است که تحت بار قائم، چرخ و زمين کمي تغيير شکل مي دهند و در نتيجه تماس بين چرخ و زمين تنها در يک نقطه نبوده بلکه روي سطحي معين اتفاق مي افتد ]51[ ، در اين حالت مطابق شکل3 برايند نيروهاي وارد از طرف زمين به چرخ مستقيماً زير مرکز چرخ قرار نمي گيرد، بلکه کمي از آن جلوتر است. شکل 2 3- نمودار حقيقي نيروهاي وارده از سطح زمين به استوانه در حال غلتيدن ( مشاهده درپی دی اف) همانطور که در شکل 3 ديده مي شود، Nd نيريو ناشي از تغيير شکل مياشد که از مقدار نيروي ذخيره شوند در در سيستم Nrبيشتر مي¬باشد. تفاوت نيروي افقي ناشي از اين دو نيرو مقاومت غلتشي ناميده مي شود. يک غلتک هنگامي به حرکت در مي آيد و مي تواند با سرعت ثابت حرکت کند، که بر اين نيرو بتواند غلبه کند، به عبارت ديگر مي توان معادله زير را براي مقاومت غلتشي يک سيستم غلتان بدست آورد. ∑▒M_A >0 →P.r 〖.cos〗θ >W.b →P.r> W.b or P>(W.b )/r در روابط بالا P نيروي افقي لازم براي به حرکت در آوردن چرخ، M مقدار ممان لازم براي دوران چرخ، b راطول درگير در مقاومت غلتشي (the length engage in rolling resistance ) مي نامند. ضريب b بدون بعد نيست بلکه طول را نشان مي دهد. مقدار b به چندين پارامتر بستگي دارد، به عنوان مثال سرعت دوران، فشار اعمالي، ويسکوزيتي دو سطح، زبري سطح و . . . که تاکنون به وضوح بيان نشده اند. مقدار ضريب مقاومت غلتشي از حدود 25 ميليمتر براي چرخ فولادي روي ريل فولادي تا 125 ميليمتر براي چرخ فولادي روي زمين تغيير مي کند. در جدول 2 مقادير ضريب مقاومت غلتشي براي سطوح مختلف ارائه گرديده است. در محاسبات انجام شده تنها دو سطح زير غلتک و روي سطح صاف زيرين در تماس با يکدگر هستند، در صورتي که غلتکي بين دو صفحه قرار گيرد، به سادگي به طريق فوق اثبات مي شودکه مقاومت غلتشي از رابطه ( W×[b_t+b_b ])/(2×r) بدست مي آيد که در آن b_t طول درگير در مقاومت غلتشي بين روي غلتک و زير صفحه بالايي و b_b طول درگير در مقاومت غلتشي بين زير غلتک و روي صفحه پاييني مي باشد. در نتيجه هنگامي که b_t=b_b باشد، به همان رابطه (W.b )/r خواهيم رسيد.
در جداسازهاي لرزه اي به صورت غلتک هاي متعامد دو گروه نيروي مقاوم وجود دارند: 1- نيروي مقاوم شيب 2- نيروي مقاومت غلتشي که مجموع آن ها نيروي مقاوم سيستم را تعيين مي کنند همانطور که از نتايج آزمايشگاهي مشخص است، دقت نتايج در آزمايش هايي که بار قائم آن ها کم است، کم مي باشد. با دقت در اين 20 منحني و قضاوت مهندسي بر اين شکل ها و در نظر گرفتن خطاهاي موجود در هنگام آزمايش مي توان برداشتي کمي از منحني رفتار جداساز بدست آورد. يکي از عوامل مهم در بدست آوردن اين منحني ها، سرعت بارگذاري نمونه آزمايشگاهي مي باشد. سرعت بارگذاري در اين آزمايش ها تقريباً معادل با 1 سانتيمتر بر ثانيه مي باشد که در واقع نمي توان اين آزمايش ها را استاتيکي فرض کرد، زيرا اين سرعت بارگذاري بيشتر از مقداري است که در آزمايش¬هاي استاتيکي در نظر گرفته مي شود. در آزمايشات انتظار مي رود مقدار مقاومت غلتشي در دو آزمايش با مقدار بار قائم ثابت و دامنه هاي جابه جايی هاي مختلف يکي باشد، که در بعضي از نمودار منحني هاي رفتار بدست آمده اين مطلب مشاهده نمي شود، که اين تفاوت را مي توان ناشي از خطاهاي آزمايش دانست، و در نتيجه بين دو مقدار مختلف بدست آمده ميانگيري می کنيم. مقدار مقاومت غلتشي در هر آزمايش در واقع برابر با ارتفاع منحني ها در هنگام شروع حرکت مي باشد. با ميانگيري بين تمام 20 آزمايش انجام شده، مي توان مقدار b را تقريباً برابر با 0.24 ميلي متر در نظر گرفت که در نتيجه ضريب مقاومت غلتشي با توجه به مقدار b/r و اينکه شعاع غلتک 10 ميلي متر مي-باشد برابر با 0.024 بدست مي آيد. البته مي توان مقدار μ را به صورت دقيقتر و برحسب بار قائم بدست آورد. براي بدست آورن اين رابطه، ابتدا بر اساس منحني هاي رفتار بدست آمده مقدار مقاومت غلتشي را بر حسب بار قائم وارد بر سيستم رسم مي نماييم. در شکل 13 نمودار مقاومت غلتشي برحسب بار قائم وارد بر جداساز براساس آزمايش هاي انجام شده، رسم شده است. پس از رسم اين منحني يک تابع درجه 2 بر آن منطبق مي کنيم، به نحوي که در محاسبات آتي اين جداساز مقدار مقاومت غلتشي را مي توانيم بر حسب اين معادله ي درجه ي 2 بدست آوريم. اين معادله در شکل 13 بر روي نمودار نشان داده شده است. اطلاعات اين نمودار در جدول 3 نشان داده شده است. همچنين در هر رديف جدول مقدار μ که از تقسيم مقدار مقاومت غلتشي بر مقدار بار قائم جداساز در هربار آزمايش بدست مي آيد، نشان داده شده است.
در اين بخش جهت بررسي دقيقتر سيستم جداساز و بدست آوردن حداكثر باري كه مي¬توان بر اين سيستم اعمال كرد، به تحليل عددي سيستم با استفاده از نرم افزار ABAQUS پرداخته شده است، و براي اطمينان از مدل¬سازي درست و صحت تحليل¬ها در نرم افزار ABAQUS خروجي¬هاي اين نرم افزار را با منحني¬هاي رفتار به دست آمده از آزمايش¬هاي انجام شده مقايسه مي¬کنيم. با توجه به اينکه هر حرکتي که به سيستم جداساز اعمال شود به دو مولفه متعامد تجزيه مي¬گردد فقط يک جفت از غلتكهاي متعامد به صورت دو بعدي در نرم افزار مدل شدند. البته مطالعه كامل رفتار غلتكها در حالتي که ساختمان داراي رفتار پيچشي باشد بايد به صورت سه بعدي صورت بگيرد. در مدول Part نرم¬افزار ABAQUS چهار قطعه شامل صفحات بالا و پايين و غلتكهاي بين اين دو صفحه تعريف شدند كه در مدول Interaction به معرفي اندركنش افقي سطوح خارجي اين قطعات با يكديگر، با استفاده از معادله اصطكاكي Penalty با ضريب اصطكاك 35/0 و همچنين اندركنش قائم بين سطوح پرداخته شد، به نحوي كه سطح صفحات بالا و پاييني به عنوان Master و سطح غلتك ها به عنوان Slave انتخاب شدند. با توجه به اينكه در آزمايشگاه يک تير آهن با نمره بالا واسطه اعمال جابه¬جايی افقي به صفحه فوقاني بود، در مدل سازي همانگونه که در شكل 52 مشاهده مي¬شود ، ضخامتي معادل با ارتفاع آن تيرآهن در نظر گرفته شد. ابعاد مدل در نرم افزار تطابق كامل با نمونه آزمايشگاهي دارد. شکل 2 52- جداساز مدل شده در ( مشاهده درپی دی اف)ABAQUS رفتار ماده متشکله جداساز و اجزاي آن به صورت كاملاً کشسان و خطي با مدول الاستيسيته 2.1×10^6 و ضريب پواسون 3/0 در نظر گرفته شد و بررسي وارد شدن به حوزه خميري بر اساس مقايسه مقادير تنشهاي von Mises با مقادير حدي صورت گرفت. البته رفتار غيرخطي هندسي سيستم در محاسبات منظور گرديد. قطعات متشکله به صورت بلوك هايي SOLID تعريف شدند كه دربرگيرنده المانهاي خطي چهار گرهي به نام CPS4R به صورت تنش مسطح تحليل مي شدند. در اين المان در هر گره دو درجه آزادي از نوع جابه جايی در نظر گرفته مي شود. صفحه بالايي در ابعاد 5/7 سانتيمتر در جهت افقي و غلتك ها و صفحه پايين در ابعاد1/0 در 1/0 سانتيمتر مش بندي شدند. جهت بارگذاري سيستم در مرحله اول دو درجه آزادي افقي و قائم تمام گره هاي زير صفحه پاييني بسته شد. در مرحله دوم بار قائم به صورت تنش بر روي صفحه بالايي توزيع گرديد، كه نرم افزار آن را به صورت نيروي متمركز به گره ها انتقال مي داد. در مرحله سوم، کنشي از جنس جابه جايی به گره هاي سمت راست سيستم، همان طور كه در شكل54 نشان داده شده اعمال شد. بارگذاري و تحليل سيستم به صورتGeneral Static با در نظرگرفتن جابه جايی هاي بزرگ بود. در پايان هر بار تحليل مقدار عكس العمل در گره هاي سمت راست صفحه بالايي با يكديگر جمع شده و در مقابل جابه جايی متوسط اين گره ها به عنوان منحني رفتار سيستم ترسيم شدند. در اشكال55، 56 و 57 منحني هاي رفتاري بدست آمده براي بارهاي قائم 450 و 500 كيلونيوتن به ازاي جابه جايی 4 سانتيمتر و براي بار قائم 600 كيلو نيوتن به ازاي جابجايی 3 سانتيمتر رسم شده اند. همانگونه كه در شكل ديده مي شود تطابق خوبي بين نتايج آزمايشگاهي و نتايج بدست آمده از تحليل اجزاء محدود سيستم وجود دارد. البته بايد به اين نکته اشاره کرد که منحني رفتار بدست آمده از نرم افزار ABAQUS به صورت نوساني بود و اين منحني هاي رفتار بدست آمده از نرم افزار، در واقع پوش آن نمودارهاي نوساني مي باشد. معادله حرکت سيستم يک درجه آزاد(با در نظر گرفتن مقاومت غلتشي و رفتار غيرخطي سيستم) اولين نکته مهمي که در محاسبات بايد به آن توجه کرد، بررسي شرايط غلتش و يا لغزش سسيتم مورد مطالعه مي باشد. شکل 62 نيروهاي درگير در معادله حرکت جسم را در شرايط غلتيدن جسم بدون لغزش نشان مي دهد. شکل 2 62- دياگرام آزاد نيروهاي درگير در حرکت جسم در حالت غلتيدن بدون لغزش( مشاهده درپی دی اف) براساس شکل 62 معادله حرکت جسم را مي توانيم به شکل زير بنويسيم: ∑▒〖F_y=0 →R_b cos〖θ/2=W〗 〗 ∑▒〖F_x=0 →R_b sin〖θ/2〗=F〗 F=W tan〖θ/2〗 〖F_(f,req)=R〗_b sin〖θ/2〗=F 〖N=R〗_b cos〖θ/2〗=W F_(f.max)=μ_s N=μ_s W F_(f.req)=F=W tan〖θ/2〗≤μ_s W tan〖θ/2〗≤μ_s=0.35 appropriate conditon for rolling without sliding
در اين فصل ابتدا به ارائه روش عددي رونگه-کوتا جهت حل معادله ي ديفرانسيل بدست آمده در فصل پيش پرداخته و سپس به تحليل حساسيت پاسخ سيستم يک درجه آزاد در حالت جداسازي شده و جداسازي نشده مي¬پردازيم. در ادامه فرمول هاي تحليلي براي ساختمان هاي با عملکرد برشي منظم پرداخته شده است. معادلات ديفرانسيل بدست آمده با استفاده از روش رونگه-کوتا صورت مي گيرد، از آنجا که روش رونگه-کوتا روشي عددي مناسب با تعيين گام زماني مطلوب توسط کاربر مي باشد، روشي مناسب جهت بدست آوردن منحني هاي هيسترتيک مي باشد. حل عددي معادله ديفرانسيل غيرخطي سيستم يک درجه آزاد با استفاده از روش رونگه-کوتا همانطور که ملاحظه شد معادله 19 در فصل 2 [2θ ̈ cot〖θ/2〗-θ ̇^2+g/(R-r)=0] يک معادله غيرخطي بوده که داراي حل کلاسيک نمي¬باشد، در اينجا مي¬خواهيم آن را به روش عددي با استفاده از روش رونگه-کوتا مرتبه 4 حل کنيم. حل معادله حرکت با استفاده از روش رونگه-کوتا در حالتي که در معادله ديفرانسيل فقط مشتق مرتبه دوم ظاهر شود به صورت اصلاح شده مطرح مي شود، اين روش اصلاح شده رونگه-کوتا با دقت بيشتري همراه است و حجم محاسبات آن از حالت کلي حل معادلات رونگه-کوتا مرتبه 4 کمتر مي¬باشد، روند آن به اين صورت است که هرگاه مشتق دوم تابعي به صورت زير تعريف شده باشد: Y ̈=f(t_n ,Y_n ,Y ̇_n)
در شکل 13 ( مشاهده درپی دی اف)طرح کلي ساختمان برشي چند درجه آزاد نشان داده شده است. همانند تشکيل معادلات براي سيستم يک درجه، به تشکيل معادلات براي سيستم چند درجه آزاد مي¬پردازيم. جابه-جايی افقي پايه¬ي جداساز برحسب زاويه دوران جداساز در شکل 13 نشان داده شده است. به اثبات اين رابطه در قسمت 2-5 به تفصيل پرداخته شد، درجه ي آزادي در نظر گرفته شده معرف حرکت سطح روي جداساز در محاسبات ديناميکي انجام شده جهت ساختمان چند طبقه برشي همين درجه آزادي دوراني مي باشد.
به علت تأثير مستقيم تغييرات نيروي محوري برروي عملكرد جداسازها در اين قسمت به بررسي تغييرات نيروي محوري در يك ساختمان جداسازي شده با كمك نرم افزار SAP مي پردازيم. در واقع نگراني اصلي به علت تأثيرات Rocking در سيستم مي باشد، به نحوي كه اگر تغييرات نيروي محوري به علت Rocking در سيستم جداسازي شده چنان زياد باشد كه سبب شود كه بر فرض دو ستون دور از هم ساختمان داراي نيروهاي محوري كاملاً متفاوت از هم باشند، در اين صورت غلتك هاي زير سازه در يك ساختمان به نحو يكسان عمل نمي كنند و اين مطلب سبب اختلال در حركت غلتك¬ها در هنگام زلزله مي باشد. جهت بررسي اين نگراني در حالت خاص يك ساختمان 5 طبقه با يك دهانه 15 متري در نرم افزار SAP مدل شده است به نحوي كه ارتفاع هر ستون 3 متر مي باشد، جرم هر طبقه به صورت جرم متمركز 24 تن به تقاطع تيرها و ستون ها اختصاص داده شده است. رفتار جداسازها به صورت لينك غيرخطي Wen چنانچه در شكل 18 نشان داده شده است، معرفي شده اند که به پايه ساختمان متصل هستند. همانطور كه در شکل15 مشاهده مي شود مقاطع اختصاص داده شده به تير و ستون ها در اين تحليل به نحوي محاسبه شده است، كه فرض شده اگر سازه جداسازي نشده تحت زلزله قرار داده شود احتياج به چه مقاطعي دارد كه خطي رفتار كند.در پايه ساختمان مؤلفه افقي زلزله السنترو كه تقريباً شامل محتوي فركانسي اكثر زلزله¬ها مي باشد، قرار داده شده است. در شكل 16 تاريخچه زماني و بسط فوريه اين زلزله نشان داده شده است. خصوصيات هندسي مقاطع BOX50×30 ، BOX40×20 ، PG40×30 ، BOX40×20 که در مدل سازي از آن ها استفاده شده است، در شكل 17 نشان داده شده است. محدوديت در طراحي شعاع غلتک و ابعاد جداساز با توجه به شرط عدم لغزش غلتک ها در حرکت بر روي بستر دايره اي شکل که در بخش¬هاي گذشته مطرح شد، حداکثر طول لازم جهت تصوير افقي بستر دايره¬اي شکل از رابطه زير بدست مي آيد: D_〖max req〗 =2(R-r) sin(0.67)=1.24(R-r) همچنين حداقل شعاع غلتک با استفاده از اين مقدار D_〖max req〗 از رابطه زير بدست مي آيد: r_minreq =0.5R[1-cos〖(0.67)〗 ]=0.11R نتايج مدل هاي حل شده که در فصل چهارم ارائه شده است، به ازاي r=1 cm مي باشد، که در واقع اين مقدار در رابطه فوق صادق نمي باشد، ولي به ازاي r=3 cm که در رابطه فوق برقرار است، نتايج ارائه شده در فصل چهارم، در حد يکصدم درصد تغيير مي-کنند (اين نتيجه با چند آناليز با r=3 cm و مقايسه نتايج بدست آمد)، درنتيجه مي توان در کل برروي نتايج ناشي از در نظرگرفتن r=1 cm که در فصل چهارم ارائه شده است قضاوت کلي نمود. و از طرفي فاصله بين غلتک ها dبايد به نحوي طراحي شود که پايه ساختمان تحت حرکات قوي زمين از داخل جداساز بيرون نرود، که اين عامل را در طراحي با در نظر گرفتن رابطه زير مي توانيم برآورده سازيم. به عبارت ديگر مرکز جسم صفحه روي غلتک ها در حالت حداکثر جابه جايی u_(b max) از محدوده ي عرض صفحه پاييني نبايد خارج شود: u_(b max)<d/2+u_r (R-r)(θ+sinθ)<d/2+(R-r) sinθ d<2*(R-r)*θ که در رابطه فوقu_b جابه جاي افقي برروي جداساز، d فاصله بين غلتک¬ها وu_r جابه جايی افقي غلتک ها مي باشد. يکي ديگر از محدوديت هايي که بايد هنگام طراحي غلتک ها در نظر گرفت با توجه به شکل 13 در فصل 3 دقت در طراحي مقدار b مي باشد، در واقع اين مقدار بايد به نحوي طراحي شود که برفرض اگر صفحه بالايي به سمت راست حرکت کند، در هيچ شرايطي سمت چپ صفحه بالايي از روي غلتک سمت چپ کنار نرود، جهت برقرا شدن اين شرط لازم است که رابطه زير برقرار شود: b>u_(b )-u_r b>(R-r )*θ جهت برقرار شدن شرط فوق در صورتيکه مقدار b بيشتر از d/2 باشد، در اين صورت اگر شرطي که درموردd<2*(R-r)*θ گفته شد، برقرار شود، در اين صورت اين محدوديت اخير نيز برقرار مي شود. بايد دقت شود که در مورد نتايج خروجي فصل چهارم، تمام اين محدوديدت ها با درنظر گرفتن ابعاد لازم جهت طراحي جداساز در نظر گرفته شده است.
در اين فصل کاربرد جداسازهاي لرزه اي در ساختمان هاي جداسازي شده با ارتفاع کوتاه تا متوسط بررسي شده است، به اين ترتيب که چند ساختمان برشي فلزي منظم تحت زلزله هاي توأم افقي و قائم در حالت جداسازي شده با غلتک¬هاي متعامد و جداسازي نشده مقايسه شدهاند. زلزله ها در چهار دسته با حوزه فرکانسي پايين ، متوسط و کوتاه و زلزله هايي با ضربه اوليه ي شديد به عبارتي زلزله هاي حوزه نزديک) دسته بندي شده اند به نحوي که هر کدام از زلزله هاي مذکور با مقادير 0.15PGA,0.35PGA, 0.7PGA مقياس شده اند. هدف از انتخاب زلزله ها در اين دسته بندي آن است که بتوانيم پاسخ جداساز پيشنهادي را تحت انواع محتوي فرکانسي و همچنين در حالت زلزله¬هاي حوزه نزديک که داراي ضربه اوليه شديد هستند، به دقت بررسي کنيم. محاسبات با استفاده از نرم افزار مطلب با استفاده از روش رونگه-کوتا صورت گرفته است. از آنجا که روش رونگه-کوتا روشي عددي مناسب با تعيين گام زماني مطلوب توسط کاربر مي باشد، روشي مناسب جهت بدست آوردن منحني هاي هيسترزيس مي باشد. اين محاسبات بعد از اطمينان خاطر از عملکرد مناسب برنامه نوشته شده در محيط مطلب با استفاده از راستي آزمايي مختلف آن صورت گرفته است، که در انتها بتوان با اطمينان خاطر ، در مورد مؤثر بودن رفتار غلتک ها قضاوت نمود. زمان آناليزهاي انجام شده با نرم افزاز MATLAB ، با توجه به در نظر گرفتن محدوده ي مؤثر هر زلزله جهت کوتاه کردن زمان آناليز و با توجه به گام¬هاي زماني متغير زلزله که معمولاً 0.02 مي¬باشد و زير گام زماني 0.001 که جهت محاسبات رونگه-کوتا در نظر گرفته¬شده است، در ساختمان 14 طبقه زماني به طور ميانگين برابر با 90 دقيقه با توجه به RAM 2GB و CPU1.6GHz موجود بود، که با توجه به شرايط مطرح شده و تعداد طبقات اين زمان تا 200 دقيقه و 20 دقيقه نيز تغيير داشته است. در خروجي هاي برنامه به خاطر مشکلات عددي پرش¬هايي در تنها در خروجي مربوط به شتاب مطلق پارکينگ يا به عبارت ديگر پايه¬ي ساختمان وجود دارد. البته از آنجايي که مقدار شتاب مطلق پارکينگ در طراحي ساختمان نقشي ندارد، بنابراين اين نگراني بي مورد مي باشد. البته اين پرش ها با توجه به حل عددي مسئله دوباره همگرا شده و تاريخچه پاسخ به مقادير صحيح خود برمي گردد. در برداشت خروجي هاي برنامه در بخش سازه جداسازي شده، جابه جايی نسبي پي نسبت به زمين اهميتي ندارد، زيرا اين جابه جايی نسبي (Drift) در اين قسمت شامل خراب شدن هيچ عضو غيرسازه ايي نمي شود، و تنها فاصله از سازه ي مجاور در پايه¬ي سازه از اهميت برخوردار است که در جداول خروجي مقدار آن را با جابه¬جايی BASE نشان داده ايم.
با در نظر گرفتن تمهيداتي در طراحي جداساز از اين اتفاق جلوگيري کرد، بدان معنا که الماني در طراحي OPRCB اضافه شود، که باعث شود در چنين شرايطي جداشدن ساختمان از پايه اتفاق نيفتد و در واقع حرکت قائم ساختمان را به حرکت قائم غلتک¬ها مقيد کنيم به گونه اي که جداساز و ساختمان در هيچ شرايطي از پي ساختمان جدانشوند، که در مطالعات آينده بر روي اين جداساز بايد به تفصيل به اين موضوع پرداخته شود. البته شايان ذکر است که اين اتفاق در تعداد محدودي از زلزله ها رخ مي دهد که داراي مؤلفه قابل توجهي هستند، مؤلفه قائم شتاب نگاشت مذکور برابر با 1.5g مي باشد، که مقدار قابل توجهي مي باشد.
جداسازه لرزه اي پايه به عنوان يک تکنولوژي در جهت کاهش يا حذف خطرات زلزله، اگر چه هنوز به صورت گسترده و عمومي کاربرد عملي نيافته است، ولي مسير صعودي خود را طي مي کند. بديهي است که اين تکنولوژي با موانع و مشکلات عديده اي روبرو است که بايستي بر طرف شوند. اما بايد توجه داشت که انعکاس ضوابط طراحي سيستم هاي مجزا شده از پايه در آيين نامه-هايي نظير UBC و AASHTO و مقبوليت عمومي اين تکنولوژي مي تواند مشکلات بعدي را رفع نمايد. موانع و مشکلات مربوط به سيستم جداساز لرزه اي بايستي از دو ديدگاه فني و اقتصادي مورد بررسي قرار گيرند. از ديدگاه بعضي مهندسين مجرب، سيستم¬هاي جداشده لرزه اي در ايران طرح هاي غير مرسومي هستند که در مقابل طرح هاي معمولي قرار گرفته-اند. اما با بررسي فلسفه طرح سيستم هاي مجزا شده لرزه اي ملاحظه مي شود که چنين نيست، بلکه اين سيستم ها مشکلات مربوط به تأمين نرمي و شکل پذيري لازم در سيستم هاي معمولي را، در جداساز هاي پايه سازه متمرکز نموده¬اند. به هر حال، موارد زير ممکن است موانع اصلي کاربرد اين گونه سيستم ها در ايران محسوب شوند: بيشتر سيستم هاي مجزاکننده ايده طرح مکانيکي دارند تا طرح سازه اي. بسياري از آن ها به نگهداري و بازرسي نياز دارند. از مصالح، تکنولوژي و روش هاي طراحي خاص بهره مي گيرند که مهندسين سازه با خواص و رفتار آن ها آشنايي کامل ندارند. پذيرش اين سيستم ها به دليل غير مرسوم بودن مشکل است. نياز به تغييرات مهم در طرح هاي معمولي دارند که پذيرش اين تغييرات مشکل است. طرح و اجراي آن ها، مقدار قابل ملاحظه اي کار مهندسي و نظارت احتياج دارد. ظرافت و دقت در طرح و جزئيات اين سيستم ها موجب افرايش هزينه هاي ساخت مي شود. در شرايط عملي و واقعي و براي مدت زياد آزمايش نشده اند، در نتيجه پايداري و عمر مفيد آن ها دقيقاً مشخص نيست. از نظر اقتصادي کاربرد اين سيستم ها در ايران مورد ارزيابي قرار نگرفته است. آئين نامه يا ضوابط طراحي خاص در اين زمينه براي کشور ايران موجود نيست.
سختي افقي جداساز شامل جفت غلتک هاي متعامد نسبت به جداسازهاي الاستومري و اصطکاکي بسيار پائين تر مي باشد، همچنين نسبت به جداسازهاي کروي و لغزنده در ابعاد مشابه داري سختي قائم بيشتري است، زيرا نيرو در طول يک استوانه حمل مي شود و در نتيجه با تمرکز تنش کمتري روبرو هستيم. غلتکهاي متعامد با دودرجه آزادي در تمامي جهات داراي عملکرد مناسب است و فرکانسي مستقل از جرم دارد که مي¬توان با تغيير انحنا سطح و شعاع غلتک ها سيستمي با دوره تناوب طبيعي دلخواه ايجاد نمود. از لحاظ اقتصادي اين سيستم شرايط مطلوبي را در اختيار ما قرار مي دهد، زيرا مثلاً در مقايسه با يک سيستم الاستومر، در اين سيستم تنها از يک ماده(فولاد) استفاده مي شود و با همکاري يک تراشکار مي توان با مبلغ تقريباً 600 تا 800 هزار تومان 60 تا 80 عدد از اين قطعات ساخته و براي يک ساختمان با 30 تا 40 عدد ستون، استفاده کرد. در کل جداساز زير هر ستون در صورت توليد انبوه ، حدود 750000 تومان (با قيمت سال 1386) هزينه خواهد داشت که در مقايسه با ساير سيستم¬هاي جداساز به مقدار قابل توجهي کمتر مي باشد، و نيز بايد توجه کرد که با استفاده از هر تکنيک جداسازي مقاطع ساختمان جداسازي شده در مقابل يک ساختمان جداسازي نشده تقريباً به نصف کاهش مي يابد. وزن قطعات غلتک هاي متعامد به نحوي است که براي يک ساختمان پنج طبقه، دو نفر به راحتي مي توانند آن را حمل کنند، در صورتي که در يک سيستم الاستومر ممکن است وزن قطعات به چند صد کيلوگرم برسد، که در اين صورت احتياج به جرثقيل مي باشد. بنابراين از ديگر مزاياي اين سيستم نصب ساده، و تکنولوژي سازه ساخت اين قطعات مي باشد، که اين سهولت در اجرا پيمانکاران را به استفاده از اين سيستم جداساز تشويق مي نمايد. با توجه به دلايل ذکر شده اميد است که جداسازي با غلتکهاي متعامد با دقت بيشتري مورد مطالعه قرار گيرد و با انجام تمهيدات لازم شاهد استفاده اين جداساز در سال هاي آينده در سطح مملکت باشيم.
اگرچه سيستم هاي پيشنهادي مطرح شده در اين پايان نامه و بخصوص تکيه گاه¬هاي الاستومريک مسلح، در تعداد زيادي از ساختمان ها و پل هاي بسياري از کشورهاي زلزله خيز دنيا به کار رفته¬اند، اما در ايران، تجربه چنداني در اين زمينه وجود ندارد. بنابراين، مطالعه جزئيات اين سيستم ها از نظر کاربرد عملي ضروري مي باشد. برنامه تحقيقاتي پيشنهادي، براي مطالعات بعدي به شرح زير ارائه مي شوند: مطالعات آزمايشگاهي و بررسي عملکرد سيستم هاي جداسازي شده به صورت وسيعتر(آزمايش ميز لرزان بر روي يک ساختمان چند طبقه). ساخت يک ساختمان جداسازي شده در يک ناحيه زلزله خيز و کنترل ارتعاشات آن در هنگام زلزله. تدوين ضوابط طراحي ساختمان هاي جداسازي شده براي ايران و الحاق آن به آئين نامه هاي مربوط. بررسي عملکرد سيستم شامل جفت غلتک هاي متعامد به صورت سه بعدي در تحليل سازه اي. بررسي عملکرد غلتک ها در ساختمان هاي پيچشي و ارائه راهکارها و طرح هاي مطلوب تر جهت عملکرد مناسب غلتک ها هنگام وقوع پيچش در ساختمان ارائه روش هاي عددي مطلوب تر جهت حل معادلات عددي شکل گرفته جهت کاهش زمان آناليز و جلوگيري از بروز مشکلات عددي که در شتاب پايه ساختمان در تعدادي از خروجي ها مشاهده شد. مقيد کردن غلتک ها به گونه اي که جداساز و ساختمان در هيچ شرايطي حتي تحت اثر زلزله هاي داراي مؤلفه قائم بيش از شتاب ثقل، از پي ساختمان جدانشوند. در مطالعاتي که در آينده بر روي اين جداساز انجام مي شود، بايد به تفصيل به اين موضوع پرداخته شود. برای دریافت اطلاعات تکمیلی به فایل PDF مراجعه کنید.
خدمات مشابه