تاثیر جداگر لرزه ای لاستیکی بر کنترل سوله صنعتی دو طبقه

مقدمه

در دهه‌های اخیر مطالعات فراوانی در زمینه کنترل پاسخ سازه‌ها در برابر باد و زلزله صورت گرفته است و سه سیستم کنترلی برای مستهلک کردن انرژی و کنترل پاسخ سازه ابداع شده است كه عبارتند از سیستم كنترلی فعال (Active)، نیمه فعال (Semi Active) و غیر فعال (Passive). در سیستم‌های كنترل فعال سازه به سنسورهای پردازشگر مجهز شده و در هر لحظه متناسب با بار جانبی وارد شده، به یک منبع نیرو برای کنترل سازه احتیاج می‌باشد. سیستم‌های كنترلی نیمه فعال عملکردی مشابه سیستم‌های فعال دارند و تنها در زمینه میزان نیروی خارجی با سیستم‌های فعال تفاوت دارند. دسته آخر سیستم‌های غیر فعال هستند که در آنها سازه بوسیله تجهیزات از پیش طراحی شده (مانند میراگر و جداگر) و بدون احتیاج به منبع نیروی خارجی در مقابل بارهای جانبی مقاومت می‌کند. (کلیدواژه: تاثیر جداگر لرزه ای لاستیکی در سوله)

در این میان سیستم‌های کنترل غیرفعال از جایگاه ویژه‌ای برخوردارند، زیرا از یك سو به عنوان روش موثر برای كاهش خسارات سازه‌ها در مقابل پدیده‌های طبیعی محسوب می‌شوند و از سوی دیگر نسبت به سیستم‌های دیگر هزینه كمتری دارند و اقتصادی‌ترند. جداگرها به عنوان سیستم‌های کنترل غیر فعال در بخش‌های خاصی از سازه نصب می‌شوند و بخش نسبتا زیادی از انرژی ورودی را تحت مکانیزم‌های مختلف جذب می‌کنند که در نتیجه سازه اصلی دچار خرابی جدی نمی‌شود. استفاده از این سیستم‌ها می‌تواند در كنترل پاسخ سازه‌های مهم از جمله سازه‌های صنعتی نیز مفید واقع شود و با صرف هزینه اندك اولیه از خسارات جبران ناپذیر آتی جلوگیری به عمل آید.

تاریخچه مطالعات

اولین مطالعات در مورد سیستم های جداسازی لرزه‌ای به اواخر دهه 70 و اوایل دهه 80 میلادی باز می‌گردد كه از مطالعات آن دوره می‌توان به تحقیقات آقای كلی[1] در سال 1979[1] و آقای لی[2] در سال 1984[2] بر روی سیستم‌های ساده جداساز اشاره كرد. از دیگر مطالعات انجام گرفته می‌توان به كار آقای آیزنبرگ[3] و همكاران در سال 1992 در روسیه[3] بر روی جداسازی چند ساختمان اشاره كرد. اولین ساختمان جداسازی شده در آمریكا در سال 1985 ساخته شد ولی مطالعات سازمان یافته در این مورد پس از زلزله لوما در سال 1989 به وقوع پیوست كه انجمن‌های متعددی برای مطالعه بر روی بهسازی و مقاوم‌سازی سازه‌ها شكل گرفت[1]. پس از زلزله چی چی تایوان در سال 1992 نیاز به بهسازی و مقاوم سازی انواع سازه‌ها از جمله سازه‌های صنعتی پدید آمد[1]. در این زمان چالش اصلی استفاده از سیستم‌های ارزان قیمت جداسازی بود كه آقایان سارازین[4] و مورونی[5] در سال 1992 در شیلی[4] و آقای وسترونی[6] و همكارانش در ایتالیا[5] به طور همزمان استفاده از لاستیك طبیعی را پیشنهاد كردند. (کلیدواژه: تاثیر جداگر لرزه ای لاستیکی در سوله)

هندسه و مشخصات سازه صنعتی مورد نظر

سازه مورد نظر دارای کاربری صنعتی است و دارای دو طبقه و یک دهانه می‌باشد که طول، عرض وارتفاع هرطبقه این سازه به ترتیب برابر با 40، 15 و 5/5 متر است. در طبقه اول سوله دو جرثقیل 200 تنی و در طبقه دوم دو جرثقیل 20 تنی نصب شده است. در شكل 1 نمایی از هندسه سوله مورد نظر مشاهده می‌شود.

در سوله مورد مطالعه از سیستم سازه‌ای مركب، متشكل از قاب ساده مهاربندی شده در جهت طولی و قاب خمشی در جهت عرضی استفاده شده است. مشخصات مصالح و مقاطع در نظر گرفته شده برای طراحی این سازه بدین شرح می‌باشد:

مقاطع تیرها و ستون‌های قاب‌های اصلی به صورت غیر منشوری و مقاطع تیر‌های میان قابی به صورت I شكل و قوطی از نوع فولاد ST-37 با تنش تسلیم 2400 کیلو‌گرم بر سانتی‌مترمربع می‌باشد.

•  مقاطع مهاربندی‌ها از نوع ناودانی در نظر گرفته شده است.
• مقاطع به کار رفته در لاپه‌ها ناودانی از نوع فولاد ST-37 با تنش تسلیم 2400 کیلوگرم بر سانتی‌مترمربع می‌باشد.
•  پوشش دیوار در طبقه اول از جنس آجر مجوف و در طبقه دوم از جنس پانل آماده صنعتی با ورق موجدار در نظر گرفته شده است.
•  آرماتور مصرفی از نوع AIII با تنش تسلیم 4000 كیلوگرم بر سانتی‌متر‌مربع می‌باشد.
•  بتن مصرفی فونداسیون با مقاومت 250 کیلوگرم بر سانتی‌مترمربع برای نمونه مکعبی می‌باشد. (کلید واژه: بررسی سوله صنعتی دو طبقه)

فرضیات و محاسبات مربوط به جداساز مورد استفاده

جداسازهای لرزه‌ای را می‌توان به دو دسته جداسازهای لاستیكی و جداسازهای اصطكاكی تقسیم نمود كه انواع جداسازهای لاستیكی عبارتند از: جداسازهای لاستیكی با ورقه های فولادی (میرایی كم)، جداسازهای لاستیكی با میرایی زیاد و جداسازهای لاستیكی با هسته سربی. برای سیستم جداساز لرزه‌ای در این تحقیق از جداسازهای لاستیكی با میرایی زیاد (میرایی 20 درصد) استفاده شده است. علت استفاده از این نوع جداسازها ساده بودن سیستم آنها و هزینه كمتر آنها نسبت به انواع دیگر جداسازها می‌باشد. جهت تحلیل و طراحی جداساز لاستیكی از نشریه 360 (دستورالعمل بهسازی ساختمان‌های موجود)[6] و نشریه 523 (راهنمای طراحی و اجرای سیستم‌های جداساز لرزه‌ای در ساختمان ها)[7] استفاده می‌شود. در تحلیل سازه جداسازی شده می‌توان از روش‌های دینامیكی معمول استفاده كرد كه در این مقاله دو روش تحلیل طیفی و تاریخچه زمانی به كار برده شده است. با توجه به نشریه 523 سختی موثر جداساز را می‌توان مطابق رابطه زیر محاسبه كرد.

در رابطه فوق سختی موثر، ارتباط دهنده جابجایی جداساز و نیروی جداساز می‌باشد

در رابطه (1)، W مجموع بار مرده و زنده وارد بر جداساز بر حسب نیوتن و T_D دوره تناوب اصلی طراحی سازه بر حسب ثانیه می‌باشد كه مطابق با نشریه 523 حداقل باید سه برابر دوره تناوب اصلی نوسانی سازه در نظر گرفته شود. با توجه به روابط فوق می‌توان سختی موثر جداساز مورد استفاده در مدل نرم افزاری را محاسبه نمود. در سوله مورد نظر مجموع بار زنده و مرده وارد بر هر جداساز برابر 500 كیلو نیوتن می‌باشد.

محاسبه دوره تناوب اصلی طراحی سازه:

محاسبه سختی موثر جداساز:

برای تكمیل روند مدل سازی نیروی تسلیم برشی جداساز و نسبت سختی پیش تسلیمی به ترتیب برابر 22500 نیوتن بر متر و 2/0 در نظر گرفته می‌شود. با توجه به آیین‌نامه رفتار جداساز در جهت قائم خطی و در جهت‌های افقی غیر خطی در نظر گرفته می‌شود.

بررسی اثر جداسازی لرزه ای بر پاسخ سازه (کلیدواژه: تاثیر جداگر لرزه ای لاستیکی در سوله)

در این قسمت به بررسی تاثیر جداساز لرزه‌ای بر میزان برش پایه و تغییر مكان نسبی طبقات سوله صنعتی در جهات اصلی X و Y پرداخته می‌شود. بدین منظور از دو روش تحلیل طیفی و تحلیل تاریخچه زمانی استفاده شده است. در تحلیل طیفی از طیف زمین نوع دو آیین نامه 2800 و در تحلیل تاریخچه زمانی از ركورد زلزله‌های منجیل و امپریال ولی استفاده شده است. در اشكال 2 الی 5 نمایی از مدل نرم افزاری قاب‌های جهت X و Y كه به ترتیب بدون جداساز لرزه‌ای و دارای جداساز لرزه‌ای می‌باشند قابل مشاهده است.

همانطور كه در اشكال فوق مشاهده می‌شود جداساز لرزه‌ای باعث كاهش تغییر مكان جانبی سازه در جهت X كه دارای مهار جانبی می‌باشد، شده است كه این نتیجه در ادامه در جداول مربوط به تغییر مكان جانبی نسبی سازه نیز قابل مشاهده است.

در اشكال 4 و 5 مشاهده می‌شود كه جداساز لرزه‌ای باعث افزایش تغییر مكان جانبی سازه در جهت Y كه به صورت قاب خمشی می‌باشد، شده است كه این نتیجه در ادامه در جداول مربوط به تغییر مكان جانبی نسبی سازه نیز قابل مشاهده است.

نتایج حاصل از تحلیل طیفی

نتایج حاصل از تحلیل تاریخچه زمانی

نتایج حاصل از زلزله منجیل

نتایج حاصل از زلزله امپریال ولی

نتیجه گیری (کلیدواژه: تاثیر جداگر لرزه ای لاستیکی در سوله)

•  مشاهده می‌شود كه در حالت تحلیل طیفی استفاده از جداساز لرزه‌ای باعث كاهش برش پایه سازه به میزان 3/35 درصد در جهت قاب ساده و 4/41 درصد در جهت قاب خمشی برای سازه صنعتی مورد مطالعه شده است.
• در مورد تغییر مكان جانبی نسبی در حالت تحلیل طیفی جداساز لرزه‌ای باعث افزایش تغییر مكان نسبی در جهت قاب خمشی شده است كه این مقدار افزایش یافته از حدود مجاز آیین نامه تجاوز نمی‌كند و قابل قبول است. در جهت قاب مهاربندی شده تغییر مكان جانبی نسبی سازه دارای جداساز تقریبا به صفر میل می‌كند.
• مشاهده می‌شود كه در حالت تحلیل تاریخچه زمانی تحت زلزله منجیل استفاده از جداساز لرزه‌ای باعث كاهش برش پایه ماكزیمم سازه به میزان 7/34 درصد در جهت قاب ساده و 8/31 درصد در جهت قاب خمشی شده است.
   در تحلیل تاریخچه زمانی تحت زلزله امپریال ولی استفاده از جداساز لرزه‌ای باعث كاهش برش پایه ماكزیمم سازه به میزان 8/30 درصد در جهت قاب ساده و 54 درصد در جهت قاب خمشی شده است.
• درحالت تحلیل تاریخچه زمانی نیز جداساز لرزه‌ای باعث افزایش تغییر مكان نسبی در جهت قاب خمشی شده است كه افزایش آن از حدود مجاز آیین نامه تجاوز نمی‌كند و قابل قبول است و در جهت قاب مهاربندی شده تغییر مكان جانبی نسبی به صفر میل می‌كند.
• با توجه به نتایج فوق الذكر، برای یك سوله دو طبقه مشابه سازه مورد مطالعه استفاده از جداساز لرزه‌ای لاستیكی باعث بهبود رفتار دینامیكی سازه و كنترل ارتعاشات آن تحت بار زلزله می‌شود و استفاده از آن توصیه می‌گردد.

نویسندگان: عليرضا لطفي ، ثنا عظيمی ، همايون استكانچی | سوله ساز مقاله حاضر را فقط باز انتشار داده است

مراجع (کلیدواژه: تاثیر جداگر لرزه ای لاستیکی در سوله)

Kelly, James M. “The implementation of base isolation in the United States.” ASME-PUBLICATIONS-PVP 256 (1993) Lee, L. “A Base isolation measure for aseismic buildings in China.” In Proc. 8WCEE, vol. 6, pp. 791-798. San Francisco, CA, 1984.
 Eisenberg, J. M., A. M. Melentyev, V. I. Smirnov, and A. N. Nemykin. “Applications of seismic isolation in the USSR.” In Proc. 10th WCEE, vol. 4, pp. 2039-2046. 1992.

 Sarrazin, M., and M. O. Moroni. “Design of a base isolated confined masonry building.” In Proc. 10th World Conference on Earthquake Engineering, Madrid, Spain, pp. 2505-2508. 1992.

 Vestroni, F., Capecchi, D. Meghella, .M, Mazza, G., and Pizzigalli, E. “Dynamic behavior of isolated buildings.” In Proc. 10th World Conference on Earthquake Engineering, Madrid, Spain, pp. 2473-2478. 1992.

[6] نشریه 360 ( دستورالعمل بهسازی لرزه ای ساختمان های موجود )، سال 1392.

[7] نشریه 523 ( راهنمای طراحی و اجرای سیستم های جداساز لرزه ای در ساختمان ها) ، سال 1389.