جداسازی لرزه ای: استاندارد طلایی حفاظت لرزه ای

جهت گیری به کدام سمت و سو است؟
تصور کنید داخل خانه ای واقع بر دریاچه ای یخ زده و بدون اصطکاک هستید و در این زمان زلزله شدیدی رخ می دهد. صرفنظر از یک سری لغزش های رو به بالا یا رو به پایین چگونه می توانید متوجه لرزش زمین شوید؟ فقدان اتصال افقی یخ با زمین، باعث حرکت افقی یخ بدون اثرگذاری بر روی خانه می گردد. شما، خانه و نه حتی فنجان قهوه روی میز هیچ یک لرزش افقی زلزله را احساس نخواهید کرد. این مثال ایده آل، ایده اصلی سیستم جداسازی لرزه ای ( و یا جداسازی پایه ای) را بخوبی توصیف می کند که بعنوان استاندارد طلایی حفاظت لرزه ای نیز از آن نام برده می شود.
البته در واقعیت جداسازی لرزه ای اینگونه ایده آل نیست، زیرا اکثر سایت های ساختمانی محدوده قانونی معینی برای جابجایی دارند و حتی بعد از یک زلزله شدید هم باید در همان محدوده خریداری شده باقی بمانند. این ملاحظات ملکی باعث می شود که اولا میزان جابجایی یک سازه طی زلزله طرح محدود گردد و ثانیا سازوکاری برای باقی ماندن سازه روی موقعیت اولیه اش لحاظ گردد.
بطور اساسی، جداسازی لرزه ای به سازه اجازه می دهد که به جای جنگیدن با زمین، اصطلاحا به همراه آن برقصد! برای رسیدن به این هدف این سیستم از مفاهیم پذیرفته شده در روش های متداول طراحی لرزه ای- که در آنها سازه باید لزوما در حین یک زلزله شدید با تحمل خسارت به خود از ساکنین ساکن در آن حمایت کند - تخطی می کند. و طبق تعریف آن، جداسازی یک ساختمان از لرزش های لرزه ای موثرترین روش برای حفاظت ساختمان، محتویات و عملکرد آن می باشد. معرفی جداسازی لرزه ای به مهندسی زلزله در اواسط دهه 80 میلادی با افزایش علاقه مندی در میان مهندسین سازه به طراحی لرزه ای براساس روش عملکردی مصادف شد.
با گذشت سی سال پس از آغاز بکارگیری جداسازه ای لرزه ای در آمریکا آزمایشات و تحقیقات گسترده ای در این خصوص انجام گردیده و با وقوع چندین مورد زلزله موثر بودن آن به اثبات رسیده است. با این وجود پذیرش و بکار گیری این سیستم در آمریکا نسبتا کند صورت پذیرفته است. یک مقاله جامع منتشره در مجله Structure در مارس 2012 توسط Aiken و Taylor به بررسی دلایل پایین تر بودن نرخ سرعت بکارگیری این سیستم در آمریکا در مقایسه با سایر نواحی لرزه خیز دنیا پرداخته است. از جمله دلایل عمده اشاره شده در مقاله می توان به پیچیدگی طراحی و نیز افزایش هزینه های اولیه ساخت اشاره نمود. این مقاله قصد دارد بطور مختصر به معرفی جداسازی لرزه ای پرداخته ، گزارشی بروز شده از کاربردهای این تکنولوژی ارائه داده و در نهایت با معرفی پیشرفت های جدید در این عرصه موجبات استفاده بیشتر از آن را در آمریکا فراهم آورد. .

نگاهی به تاریخچه
ایده جداسازی لرزه ای نوین، ریشه در علم جداسازی ارتعاشات ( که در آن از تکیه گاه های ارتجاعی به منظور حفاظت از ساختمان ها در مقابل اختلالات ناشی از ماشین های دوار- با محدوده فرکانسی از قبل مشخص - استفاده می شد) دارد. با این تفاوت که در مورد جداسازی لرزه ای، منبع ارتعاشات (یعنی خود زمین) کاملا از لحاظ فرکانسی غیرقابل پیش بینی می باشد. و تا به امروز هم کسی نتوانسته بطور صحیح مهم ترین اطلاعات ورودی لازم جهت طراحی زلزله را پیش بینی کند که عبارتند از:
- زمان وقوع زلزله.
- نحوه لرزش زمین.
- مدت زمان زلزله.
این فقدان معیارهای ضروری طراحی مانع از طراحی دقیق سیستم حفاظتی لرزه ای هدفمند از جمله جداسازی لرزه ای می گردد. بنابراین طراحی یک سیستم جداساز لرزه ای از طراحی سیستم جداساز ارتعاشات برای ماشین آلات دوار دشوارتر می باشد. با این وجود لرزه شناس ها با مشارکت زمین شناسان و مهندسین ژئوتکنیک قادرند دامنه احتمالی حرکت زمین و فرکانس های غالب لرزه ای را که بدلیل لرزش زمین به یک سایت مشخص می رسد مشخص نمایند. این اطلاعات می تواند توسط مهندس سازه بعنوان مبنایی منطقی برای برآورد و طراحی سیستم جداساز لرزه ای پایدار برای ساختمان ها یا سایر سازه ها بکار رود. امروزه توسعه تکنیک های محاسباتی برای مهندسین راههای عملی فراهم نموده تا از این داده ها جهت تعیین محتمل ترین مودهای دینامیکی یک ساختمان جداسازی شده استفاده نمایند. همچنین این واقعیت که آیین نامه IBC و سایر آیین نامه های مشابه، برای تائید هر نوع خاص جداساز لرزه ای تعداد زیادی نمونه و آزمایش را ضروری می دانند، برای این سیستم اطمینان خاطر خاصی را در مقایسه با سایر سیستم ها فراهم می سازد.
از آنجا که جداسازی لرزه ای اولین بار در دهه 80 میلادی در آمریکا بکار برده شد، بدلیل وجود بازار نسبتا کوچک تنوع و کثرت چندانی در انواع جداگرها ایجاد نگردید. در حقیقت بدلیل فراهم بودن تولیدات داخل، تولید کننده های خارجی نقش به مراتب کمتری در تولید جداگرها داشتند. بهرحال، از آن زمان تا کنون این جداگرها بطور اساسی بهبود یافته و ویژگی های مهندسی آنها امروزه بهتر درک و بکار برده می شود. همچنین از لحاظ اندازه، ظرفیت جابجایی و توان باربری تکیه گاه های جداسازی شده بطور چشمگیری ارتقا پیدا کرده اند.
نحوه عملکرد:
طبق مفاهیم جدید سیستم جداساز لرزه ای با جایگزینی اتصال مستقیم و صلب سازه به وسیله مجموعه ای از تکیه گاههای افقی انعطاف پذیر عمل می نماید. این تکیه گاه ها جابجایی سازه را حتی در زمان حرکت شدید زمین کنترل می نمایند. سیستم جداساز لرزه ای را در تراز پایه و یا در یکی از طبقات سازه اصلی می توان قرار داد. (تصویر شماره 1)

تصویر شماره 1

جابجایی افقی ایجاد شده بین سازه و زمین بشکل موثری پریود اصلی ارتعاش افقی لرزه ای را افزایش می دهد. در نتیجه میزان برش پایه افقی که به سازه وارد می شود کاهش می یابد. بعلاوه با بکارگیری میراگر غیرفعال به منظور کنترل جابجایی های نسبی احتمالی نیز می توان از طریقی دیگر انرژی لرزه ای را تلف نمود. (تصویر شماره 2)

تصویر شماره 2

ابزار کاربردی:
ابزارهای فعلی موجود برای تکیه گاه های جداساز لرزه ای عبارتند از:
- ابزارهای الاستومری چند لایه
- ابزارهای اصطکاکی
- تکیه گاه های توپی شکل
تکیه گاههای جداساز لرزه ای الاستومری درابتدا از روی تکیه گاه های الاستومری پل ها الهام گرفتند و عبارتند از: لایه های چندتایی فشرده الاستومری به همراه صفحات نازک فولادی. دو نوع رایج این تکیه گاه عبارتند از : تگیه گاه لاستیکی- سربی LRB (که شامل یک هسته سربی استوانه ای شکل جهت مستهلک کردن انرژی می باشد) و تکیه گاه لاستیکی با میرایی بالا HDR ( که با بهبود خاصیت لاستیک طبیعی با افزودن موادی مانند کربن سیاه موجب مستهلک شدن انرزی می گردد.) در جایی که نیازی به میرایی نیست و عملکرد بر اساس الاستیسیته خطی کافی می باشد نیز می توان از تکیه گاه لاستیکی طبیعی NBR بهره جست. پرکاربردترین و معروفترین ابزاراصطکاکی موجود آونگ اصطکاکی FP بوده که شامل یک لغزنده مفصلی که روی یک سطح کروی بشقابی بطور افقی حرکت می کند تشکیل شده است. شکل کروی صفحه لغزش پریود انتقالی سیستم جداساز را مشخص نموده و با مقید کردن حرکت در جهت قائم باعث ایجاد یک نیروی بازگرداننده نیز می شود. جدید ترین نوع توسعه یافته این ابزار موسوم به آونگ سه گانه، شامل یک لغزنده مفصلی مرکب به همراه چندین صفحه لغزنده جهت کنترل فرآیند لغزش و چرخه های هیسترسیس می باشد و توسط شرکت Earthquake Protection Systems در تصویر شماره 3 انواع مختلف این جداسازها را می توان ملاحظه کرد.

تصویر شماره3

هرچند بدست آوردن رقم دقیق تعداد کارهای جداسازی لرزه ای انجام شده امری دشوار است، یک تحقیق جدید که توسط Dynamic Isolation Systems انجام شده این تعداد را حدودا برابر 10000 مورد برآورد کرده است. میانگین وزنی این برآورد بسمت آسیا علی الخصوص ژاپن گرایش دارد. به این دلیل که در آن نواحی احتمال بروز آسیب های لرزه ای ناشی از ارتعاش لرزه ای در مناطق مسکونی با تراکم جمعیتی بالا بسیار محتمل است. جدول شماره 1 برحسب کشورها تنظیم شده است.

جدول شماره 1

به این نکته نیز باید اشاره نمود که پس از هر زلزله بزرگ تمایل مهندسین سازه برای استفاده از تکنولوژی های جدید بطور ناگهانی و تصاعدی افزایش می یابد. این تمایل ناگهانی اولین بار بعد از زلزله Loma Prieta در سال 1989 کشف گردید و پس از آن نیز با هر زلزله مخرب بعدی تکرار گردیده است. هم اکنون سازه های بسیاری در سرتاسر دنیا و در نواحی با لرزه خیزی بالا از سیستم جداسازی لرزه ای استفاده می کنند. می توان از این میان به ساختمان ها، پل ها، خطوط لوله، اسکله های فراساحلی، تاسیسات ارتباطی، مخازن سوخت و آب و ... اشاره نمود. و از میان ساختمان های جداسازی متداول می توان به ساختمان های ضروری در بحران مانند بیمارستان ها، مراکز اورژانس، مکان های تاریخی و ساختمان های دارای محتویات باارزش مانند موزه ها اشاره کرد.
برای ساختمان های خاص تر می توان به مراکز نگهداری گیاهان کمیاب و گرانبها ، ساختمان های با معماری غیر متداول (تصویر شماره 4) و کف های جداسازی شده متعلق به ساختمان های دارای اشیا گرانبها (تصویر شماره 5) اشاره نمود. تعجبی ندارد که درحال حاضر برای ساختمان های بلند مرتبه سیستم جداسازی لرزه ای گران ترین روش شناخته می شود. بنابراین در صورت عدم لحاظ نمودن منافع بلند مدت بویژه برای پروژه های با اهمیت کمتر این روش از لحاظ اقتصادی اصلا مقرون به صرفه نخواهد بود.

تصویر شماره 4

این وضعیت با اعمال ضوابط و الزامات اجباری و سختگیرانه آیین نامه ای برای سیستم جداسازی لرزه ای و سایر سیستم های پیشرفته حفاظت لرزه ای مانند میراگرهای غیرفعال تشدید نیز می گردد. حال آنکه اهداف اصلی طراحان اولیه سیستم های جداساز لرزه ای، ساده سازی طراحی لرزه ای و افزایش قابلیت پیش بینی عملکرد سازه بوده است.

تصویر شماره 5

ضوابط خاص آیین نامه IBC فعلی و ASCE برای برآورد لرزه ای و نیز بهسازی ساختمان های موجود برای سیستم جداساز لرزه ای ( و نه سیستم های متعارف) عبارتند از:
انجام مطالعات خاص بررسی حرکت زمین در ساختگاه.
طراحی برمبنای اطلاعات لرزه ای برای دو سطح متفاوت زلزله.
بررسی های دقیق و چند باره توسط افراد مختلف.
این الزامات که همگی گران و زمانبر هستند شاید برای پروژه های پیچیده معقول باشند ولی عموما برای ساختمان های ساده تر غیرضروری هستند.
برای مقایسه مبحث هزینه بین ساختمان های جداسازی شده پایه ای و ساختمان های غیر جداسازی شده R Simpson Gumpertz & Heger اینگونه نتیجه گیری کردند که با درنظر گرفتن مبلغ حق بیمه اضافی، استفاده از سیستم جداساز لرزه ای( بدون هزینه بیمه) مقرون به صرفه تر خواهد بود! به این صورت که در مقایسه با سیستم های متعارف بدون جداسازه ای پایه علیرغم هزینه اولیه بالای سیستم جداساز لرزه ای وقتی که کل هزینه ها از جمله حق بیمه لحاظ گردد سیستم جداساز لرزه ای ارزانتر تمام خواهد شد.
پیشرفت های مثبت
در سالهای اخیر پیشرفت های علمی مفیدی صورت گرفته که می تواند برای تشویق جهت استفاده بیشتر از جداسازی لرزه ای در آینده از آنها بهره جست و عبارتند از:
1- پذیرش بازنگری آیین نامه ای جهت ساده سازی بکارگیری سیستم جداساز لرزه ای:
آیین نامه ملاحظات جداسازی لرزه ای از زمانی که بعنوان یک فصل ضمیمه به آیین نامه UBC1991 معرفی شده بود تا کنون بدون تغییر عمده باقی مانده بود. در اواخر سال 2014 مجوز بازنگری عمده در ASCE2016 (حداقل بارهای طراحی برای ساختمان ها و سایر سازه ها) در فصل 17 آن تحت عنوان ضوابط لازم برای تحلیل، طراحی، آزمایش و بررسی دقیق کاربرد جداسازی لرزه ای گنجانده شد.این ساده سازی ها می تواند این سیستم را اقتصادی تر نموده و باعث شتاب بخشیدن به نرخ استفاده از آن گردد.
2- تحقیقات و پیشرفت های جدید:
در اواخر سال 2014 محققین دانشگاه Stanford بودجه ای 1.3 میلیون دلاری برای تحقیقاتی 2 ساله جهت بررسی دو نوع جدید تکیه گاه لرزه ای برای استفاده در سازه های سبک واقع در مناطق مسکونی اختصاص دادند. تست تائید این پروژه با کمک میز لرزه ای دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو انجام گردید. (تصاویر شماره 6 و 7)

تصویر شماره 6

تصویر شماره 7

در این آزمایش یک قاب چوبی تمام مقیاس مورد آزمایش قرارگرفت. در ابتدا از جداسازهای لغزشی بشقابی شکل مرکزگرا و سپس از جداگرهای لغزشی مسطح استفاده شد. هردو نوع این جداگرها شامل پلاستیک با مقاومت بالا واقع بر صفحات فولادی گالوانیزه می باشند. برآوردهای Stanford نشان می دهد که بکارگیری چنین سیستمی فقط 15000 دلار به هزینه های ساخت 400000 دلاری می افزاید.(حدود چهار درصد) البته به عقیده نویسنده مقاله بهسازی خانه موجود با سیستم جداساز لرزه ای گران تر تمام خواهد شد.

3- وجود مثال های طراحی در دسترس:
SEAOC یک مثال کامل طراحی برای جداسازی لرزه ای طبق آیین نامه 2012IBC منتشر کرده است. مثال مزبور
در مورد هر دو نوع جداگر آونگ اصطکاکی و الاستومری توضیح کاملی ارائه می دهد.

4- قیمت های پایین تر جداگرها:
با گسترش آرام آرام کاربرد جداسازی لرزه ای، تولید جداساز ها موثرتر بوده و در نتیجه قیمت جداگرها نیز به تدریج کاهش می یابد. قسمتی از این موضوع بدلیل افزایش صادرات به خارج از آمریکا می باشد. از دیگر دلایل می توان به افزایش کیفیت محصولات اشاره کرد. همچنین ژاپن بعنوان خریدار اصلی و عمده جداسازهای لرزه ای بعد از زلزله کوبه 1995 قوانین سختگیرانه ای جهت استفاده از سیستم جداساز لرزه ای وضع نمود. بنابراین تولید کنندگان ژاپنی و غیرژاپنی برای باقی ماندن در عرصه اقتصاد ژاپن ناگزیر به افزایش کیفیت محصولات خود شدند. و ازین افزایش کیفیت هم ژاپنی ها و هم آمریکایی ها بهره مند شدند. همچنین با افزایش ظرفیت تنش برشی جداسازهای الاستومری، می توان برای تامین یک میزان جابجایی مشخص از جداسازهایی با اندازه های کوچکتر استفاده کرد که همین باعث کاهش بیشتر قیمت تمام شده می گردد.
5- دسترسی به چرخه های سریعتر جداسازها:
هرچه تعداد اندازه های متفاوت جداساز تولید گردد، تعداد جداسازهای در دسترس بیشتر خواهد شد و باعث کاهش نیاز برای تولید مدل جدید برای هر دو نوع تکیه گاه الاستومری و آونگ اصطکاکی با آهن شکل پذیر می گردد. همچنین تولیدکنندگان کیفیت محصولات خود را بهبود داده اند و اکنون بدلیل افزایش تست های تجربی مرحله پیش تولید موثرتر است.
6- مقبولیت عمومی بیشتر:
تا کنون چندین سازه جداساز لرزه ای شده زلزله های واقعی را تجربه نموده اند. بعنوان یک نمونه بارز بیمارستان صلیب سرخ شهر ایشونومیکی ژاپن بلافاصله بعد از وقوع زلزله شدید در مارس 2011 به لطف سیستم جداساز لرزه ای و عملکرد ژنراتورهای اضطراری اش به خدمت رسانی بی وقفه اش ادامه داد. گزارش این رویداد توسط افراد مختلفی با کمک ویدئو و تصاویر شرح داده شده است.
7- توسعه تکنیک های پیشرفته بررسی خسارت:
تحقیقی که طی یک دوره 9 ساله با بودجه FEMA و توسط ATCانجام گردید منجر به ایجاد یک روش احتمالاتی جدید برای بررسی خسارت سازه ها گردید و در سپتامبر 2012به همراه نرم افزاری رایگان و با استفاده از ادبیاتی که که برای شرکت های بیمه و مستغلات نیز قابل درک و مفید است، ارائه گردید
روش FEMA p-58-1 تغییراتی را در پارامترهای طراحی مانند شتاب یا جابجایی بین طبقه ای را برای برآورد پتانسیل خسارت لرزه ای درنظر گرفته است. و تقاضای پایین تر لرزه ای معادل با ریسک کمتر برای زیان مالی،زمان کمتر وقفه در عملکرد، زخمی شدن ها و ... می باشد.
ممکن است اینگونه به نظر برسد که این پیشرفت ها موجب افزایش سریع تقاضا برای سیستم جداسازی لرزه ای نشود. با این حال، نهایتا این پیشرفت ها مهندسین سازه را در ساده سازی ملاحظات لرزه ای و همچنین بهینه سازی از لحاظ اقتصادی که از اهداف اصلی طراحان اولیه این سیستم بوده یاری خواهند داد.

ترجمه شده توسط تیم خبری 808 

منبع:+