میراگر ها و جداسازهای پایه

بخش اول: میراگر ها

    مقدمه
    انرژی وارد بر سازه در اثر زلزله
    معرفی میراگر ها
    تاثیر میرایی بر طیف پاسخ شتاب و جابجایی
    انواع میراگر ها
    میراگرهای ویسکوز    (Viscous fluid Damper)
    میراگر های اصطکاکی
    میراگر های اصطکاکی دورانی   (rotational friction dampers)
    میراگرهای اصطکاکی پال   (Pall Friction Dampers)
    میراگر های تسلیمی یا جاری شونده (yielding dampers)    
    میراگر جرمی تنظیم شده (TMD)
    میراگر های جرمی تنظیم شده انتقالی
    میراگر جرمی تنظیم شده پاندولی

بخش دوم: جداسازی لرزه ای (Seismic Isolation)

    تعریف
    نمودارها
    انواع جداسازها
    جداسازهای لاستیکی با میرایی کم (Rb)
    معایب
    جداسازهای لاستیکی با میرایی بالا (Hdrb)
    نمونه پروژه اجرا شده در مشهد
    جداسازهای لاستیکی دارای هسته سربی (lrb)
    ملاحظات اجرایی در طراحی جداسازهای لرزه ای
    اثر خاک زیرین
    ارتفاع ساختمان
    فاصله آزاد جانبی و قائم
    تاسیسات مکانیکی
    تحلیل سازه ی جداسازی شده
    شرایط استفاده از تحلیل استاتیکی
    سطح خطر لرزه ای
    دستورالعمل طراحی ساختمانهای دارای جداساز لرزه ای
    مراحل طراحی سیستم جداساز

میراگرهای ویسکوز (Viscous fluid Damper)

میراگرهای ویسکوز اولین بار در نیمه پایانی قرن 19 برای خنثی سازی اثرات ضربه توپ ها در کشتی استفاده شدند.در نیمه اول قرن بیستم وارد کمپانی اتومبیل سازی شدند و در اواخر دهه 1980 جهت استفاده از این میراگر در صنعت ساختمان، آزمایشاتی در مرکز ملی مهندسی زلزله در دانشگاه buffalo در نیویورک انجام شد.

ساختمان میراگرهای مایع لزج عموماً از یک پیستون و یک سیلندر تشکیل شده است. مایع لزج داخل سیلندر توسط پیستون فشرده می شود، درون پیستون، سیلندر دیگری وجود دارد که به وسیله سوراخهای ریزی مایع می تواند وارد آن شود، با اعمال فشار به سیستم مایع لزج با سرعت کمی بین دوسیلندر مبادله می شود و مقدار زیادی انرژی را اتلاف می کند.

میراگرهای اصطکاکی:

این نوع میراگر بر اساس مکانیزم اصطکاک بین اجسام صلب نسبت به یکدیگر عمل می کند. در حقیقت اصطکاک یک مکانیزم عالی اتلاف انرژی است.

عملکرد:

عملکرد تمام میراگرهای اصطکاکی به این صورت است که یک قسمت به صورت ثابت قرار گرفته و قسمت دیگر به صورت دینامیکی برروی آن می لغزد. لغزش روی داده در سطح مشخصی از نیرو اتفاق می افتد، به این صورت که تا سطح مشخصی از نیرو هیچ حرکتی روی نمی دهد اما بعد از این سطح ، لغزش و حرکت آغاز می شود.

ترکیب بندی و نحوه قرار گرفتن این سطوح لغزش موجب ایجاد میراگرهای اصطکاکی مختلف می شود.

میراگر های تسلیمی یا جاری شونده (yielding dampers):

عملکرد این میراگرها بر اساس تسلیم فلز مورد استفاده است و از این طریق ظرفیت اتلاف انرژی را افزایش می دهند. در واقع این میراگرها در هنگام بارگذاری ، جاری شده و درنتیجه موجب مستهلک نمودن مقدار زیادی از انرژی ورودی به سازه می گردد. بدین ترتیب ، عمل تخریب دیگر بر روی اسکلت سازه رخ نمی دهد بلکه بر روی قطعه ای از پیش تعیین شده رخ می دهد که بعد از بارگذاری نیز قابل تعویض می باشد.

از معایب این روش، می توان به تغییر شکل دائمی بعد از زلزله اشاره کرد.

این میراگر ها عموما در زیر تیر طبقه و بر روی مهار بندهای شورون قرار می گیرند.

جابجایی بین طبقه ای باعث می شود که قسمت بالای میراگر نسبت به پایین آن یک حرکت نسبی داشته باشد.

میراگر جرمی تنظیم شده (TMD):

این سیستم ابزاری است شامل یک جرم ،یک فنر و یک میراگر که برای کاهش پاسخ دینامیکی سازه به آن نصب می شود و عملکرد آن اساسا برمبنای استهلاک انرژی ارتعاشی سازه بصورت حرکت نوسانی جرم میراگر می باشد.

فرکانس TMD متناسب با یکی از مودهای غالب سازه (معمولا مود اول) تنظیم می گردد. بنابراین زمانیکه این فرکانس تحریک می شود، حرکت TMD در فازی خارج از حرکت سازه تشدید می شود و انرژی از طریق نیروی اینرسی که میراگر به سازه وارد میکند، مستهلک میشود.

میراگر های جرمی تنظیم شده انتقالی:

شکل زیر ساختار عمومی میراگر جرمی تنظیم شده انتقالی یک جهته را نشان می‌دهد. جرم روی یک تکیه گاه که به عنوان غلتک عمل می‌نماید، قرار می‌گیرد که به جرم اجازه می‌دهد به صورت انتقالی – جانبی نسبت به کف حرکت نماید. فنرها و میراگرها بین جرم و اعضای تکیه گاهی عمودی مجاور قرار می‌گیرند که این اعضای تکیه گاهی نیروی جانبی «در فاز مخالف» را به سطح کف و سپس به قاب سازه‌ای انتقال می‌دهند. میراگرهای انتقالی دو جهته به صورت فنر – میراگر در دو جهت عمودی ساخته می‌شوند و امکان کنترل حرکت سازه در دو صفحه عمودی را فراهم می آورند.

میراگر جرمی تنظیم شده پاندولی:

در این روش، جرم توسط کابل به سازه متصل می گردد. حرکت کف پاندول را تحریک می‌نماید و حرکت نسبی پاندول در کابل نیرویی ایجاد می کند. مولفه افقی آن که درخلاف جهت حرکت کف می باشد، باعث کاهش حرکت جانبی کف می شود.

3) جداسازهای لاستیکی دارای هسته سربی (lrb)

برای بالابردن میرایی جداسازهای الاستومری که از لاستیک با میرایی اندک ساخته می شوند، از یک یا چند هسته سربی در مرکز و یا گوشه های آنها استفاده می شود .

هسته سربی که با فشار یا تزریق داخل سوراخ جداساز قرار داده می شود ،تحت اثر برش های ناشی از زمین لرزه، جاری شده و به این ترتیب تحت سیکل های متوالی با تشکیل حلقه های هیسترزیس، انرژی را مستهلک می کند.

اثر خاک زیرین:

جداسازی لرزه ای در خاک های سخت عملکرد مطلوبی دارد. با کاهش سختی خاک یا کاهش سرعت موج برشی در آن، تاثیر جداسازی کاهش می یابد.

فاصله آزاد جانبی و قائم:

سازه جداسازی شده باید امکان حرکت در فضای اطراف خود را داشته باشد. معمولا فاصله افقی بین 1/5 تا 2 برابر تغییر مکان محاسبه شده برای سازه جداسازی شده در زمان رخداد زلزله های شدید برای این منظور درنظر گرفته می شود. در تعیین فاصله آزاد افقی لازم، تغییر مکان ناشی از پیچش سازه نیز باید در نظر گرفته شود.

در تعیین فاصله قائم فراهم شده برای تغییر مکان های موجود در تراز جداسازی ، باید عوامل زیر درنظر گرفته شود:

تغییر شکل های ناشی از خزش در جداساز

تغییر شکل های ناشی از تغییرات دما

تغییر شکل های قائم ناشی از تاب خوردن سازه در زمان ارتعاش

سطح خطر لرزه ای:

زلزله طرح (DBE) : سطحی از حرکت زمین است که احتمال وقوع آن و یا زلزله های بزرگتر از آن در 50سال عمر مفید ساختمان، کمتر از 10درصد باشد.(یعنی زمین لرزه ای با دوره بازگشت 475 سال)

بزرگترین زلزله محتمل (MCE) : بزرگترین زمین لرزه ای که در ساختگاه پروژه احتمال وقوع آن می رود. این سطح زلزله را می توان ناشی از زلزله ای محسوب کرد که احتمال وقوع زلزله بزرگتر از آن در طول یکصد سال کمتر از 10 درصد باشد.(دوره بازگشت 1000 ساله)

مراحل طراحی سیستم جداساز:

تعیین ضوابط لرزه ای با توجه به نوع آیین نامه

انتخاب نوع جداساز (تخمین میرایی موثر) و تعیین ضرایب میرایی Bd و Bm

انتخاب دوره تناوب طبیعی برای سازه جداسازی شده (Td) مقدار اولیه دوره تناوب طبیعی با توجه به قابلیت سامانه جداسازی، وضعیت خطر لرزه ای در منطقه (بین 2 تا 3 ثانیه)

محاسبه سختی موثر سازه با داشتن وزن ساختمان و Td

محاسبه تغییر مکان طرح  Dd

محاسبه برش پایه سازه و توزیع نیرو در طبقات

طراحی اجزای روسازه با توجه به مقدار Vs بدست آمده

طراحی اولیه واحدهای جداساز (با استفاده از مقادیر اولیه تغییر مکان ،سختی ،نیرو و میرایی که در گامهای قبلی بدست آمدند)

میراگر ها و جداسازهای پایه

روش مرسوم طراحی لرزه ای سازه ها مبتنی بر افزایش ظرفیت سازه هاست. در این روش، ایجاد ظرفیت باربری جانبی در سازه، با افزایش مقاومت و تامین شکل پذیری آن صورت می گیرد. در نتیجه، ابعاد اعضای سازه ای و اتصالات افزایش یافته و در سازه، اعضای مهاربند جانبی همچون بادبند یا دیواربرشی یا سایر اعضای سخت کننده در نظر گرفته می شود.

-افزایش سختی سازه که جذب نیروی بیشتر ناشی از زلزله را به دنبال داشته و سبب افزایش ابعاد سازه به منظور تامین مقاومت می شود ،موجب کاهش ارزش اقتصادی پروژه می گردد.

میراگرها

به طور کلی میراگرهای جاذب انرژی به منظور کاستن پاسخ دینامیکی سازه در برابر بارگذاری باد و زلزله استفاده می شوند.

مکانیزم عملکردی این میراگرها به گونه ایست که با انجام تغییر شکل های ویژه و اعمال مکانیکی خاص، مقدار زیادی از انرژی ورودی به سازه بر اثر بارگذاری دینامیکی را جذب می کنند. عملکرد این میراگرها موجب می شود که انرژی دریافتی سایر اعضای سازه ای کاهش یافته و درنتیجه تغییر شکل زیادی در آنها ایجاد نمی شود.اتلاف انرژی در این میراگرها به صورت تبدیل انرژی جنبشی به حرارت توسط اصطکاک، حرکت در مایع لزج ،تسلیم شدن فلزات و … رخ می دهد.

جداسازی لرزه ای عبارت است از:

جداکردن کل یا بخشی از سازه از زمین به منظور کاهش پاسخ لرزه ای آن بخش در زمان رویداد زلزله