مقاله تحلیلی: تکنیک‌ های طراحی ساختمان‌ ها و سازه‌‌ های مقاوم در برابر زلزله

طراحی ساختمان‌ها و سازه‌های مقاوم در برابر زلزله بستگی به پارامترهای مختلفی ازجمله مقاومت، سختی و ظرفیت تغییر شکل غیر الاستیک دارد. این پارامترها باید به‌اندازه کافی بزرگ باشند تا سازه بتواند در مقابل نیروی لرزه‌ای مشخصی مقاومت کند.

زمانی می‌توانیم به این هدف برسیم که ساختار سازه به‌درستی و جزئیات اعضای سازه‌ای‌ دقیق طراحی‌شده باشد. به‌عنوان‌مثال طراحی تیرها، ستون‌ها و اتصالات بین آن‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است.

تمرکز روش‌های پیشرفته امروزی برای ساخت سازه‌های مقاوم در برابر زلزله، بر افزایش مقاومت سازه نیست، بلکه تلاش بر این است که نیروی لرزه‌ای وارد بر سازه کاهش داده شود.

روش‌های طراحی ساختمان‌ها و سازه‌های مقاوم در برابر زلزله

در میان روش‌های مدرن ساخت و طراحی ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله، می‌توان به روش‌‌های زیر اشاره کرد.

• جداسازی لرزه‌ای
• به‌کارگیری سیستم‌های اتلاف انرژی (میراگرها، دمپرها)

روش جداسازی لرزه‌ای

یک سازه جداسازی شده توسط تعدادی صفحات تکیه‌گاهی که بین روسازه و پی ساختمان قرار گرفته‌اند، تشکیل می‌شود (شکل ۱ را ببینید). امروزه انواع مختلفی از جداسازهای لرزه‌ای وجود دارد.

نیروی‌های ناشی از زلزله

برای اینکه یک ایده کلی از نحوه کار جداساز لرزه‌ای داشته باشید، شکل ۲ را ببینید. این تصویر دو ساختمان را نشان می‌دهد که تحت بار زلزله قرار گرفته‌اند. یکی از این ساختمان‌ها تکیه‌گاه معمولی دارد و در دیگری از جداساز لرزه‌ای استفاده‌شده است. در اثر زلزله، زمینی که ساختمان‌ها روی آن قرار گرفته‌اند، شروع به لرزیدن می‌کند. در شکل ۲، حرکت زمین به سمت چپ نشان داده‌شده است.

هر دو ساختمان تمایل دارند به سمت راست حرکت کنند. با این حرکت، ساختمان با زلزله مقابله می‌کند. اینرسی، علت حرکت ساختمان در خلاف جهت زلزله است. نیروهای اینرسی که بر روی ساختمان عمل می‌کنند، مهم‌ترین نیروهایی هستند که در اثر زلزله ایجاد می‌شود.

دانستن این موضوع که نیروهای اینرسی که ساختمان تحمل می‌کند، متناسب با شتاب ساختمان در حین وقوع زلزله هستند، از اهمیت زیادی برخوردار است.

موضوع مهم دیگر این است که ساختمان‌ها در واقع به یک جهت رانده نمی‌شوند. به علت ذات پیچیده‌ای که حرکات ناشی از زلزله دارند، ساختمان در جهات مختلف، حرکات رفت و برگشتی انجام می‌دهد یا به عبارتی می‌لرزد.

تغییر شکل و آسیب‌های وارد بر سازه‌ها

علاوه بر حرکت به سمت راست، ساختمان فاقد جداساز لرزه‌ای دچار تغییر شکل و تغییر فرم سازه‌ای نیز شده است. به این صورت که سازه از فرم مستطیلی به فرم متوازی‌الاضلاع تغییر شکل می‌دهد. علت اصلی که زلزله باعث ایجاد خرابی در سازه‌ها می‌شود همین تغییر شکلی است که سازه در نتیجه نیروهای اینرسی وارد بر آن، متحمل می‌شود.

پاسخ سازه‌های جداسازی شده

باوجود اینکه سازه جداسازی شده تغییر مکان زیادی دارد اما شکل مستطیلی اولیه خود را حفظ می‌کند. در واقع این جداسازهای لاستیکی سربی هستند که تغییر شکل می‌دهند تا سازه بدون تغییر شکل باقی بماند و فقط جابه‌جا شود.

سازه جداسازی شده از خرابی و تغییر شکل رهایی می‌یابد که این موضوع نتیجه کاهش نیروهای اینرسی وارده بر ساختمان جداسازی شده است.

همان‌طور که در بالا اشاره شد، نیروهای اینرسی با کاهش و افزایش شتاب، تغییر می‌کنند و کم و زیاد می‌شوند.

در ساختمان جداسازی شده، شتاب کاهش می‌یابد. علت این است که سیستم جداساز لرزه‌ای، پریود یا دوره تناوب حرکت رفت و برگشتی ساختمان را طولانی‌تر می‌کند. منظور از دوره تناوب سازه مدت زمانی است که سازه یک حرکت رفت و برگشتی انجام می‌دهد. به‌طورکلی سازه‌هایی که پریود‌های ارتعاش بلندتری دارند، شتاب کمتری خواهند داشت، در حالی که ساختمان‌هایی با پریود کوتاه‌تر شتاب‌ می‌گیرند و حتی ممکن است باعث افزایش شتاب شوند.

در پایان، از آنجا که جداسازهای لرزه‌ای لاستیکی تا حد زیادی الاستیک هستند، تحت بار رفت و برگشتی زلزله دچار خرابی نمی‌شوند اما هسته سربی که در وسط جداسازهای لرزه‌ای قرار دارد، متحمل تغییر شکل می‌گردد. هسته سربی در اثر این حرکت رفت و برگشتی داغ می‌شود؛ به‌عبارت‌دیگر، هسته سربی انرژی حرکت لرزه‌ای را کاهش می‌دهد یا اتلاف می‌کند. برای مثال انرژی جنبشی با تبدیل آن به حرارت، اتلاف می‌شود. با کاهش انرژی وارده بر سازه سرعت ارتعاش ساختمان کاهش می‌یابد و موجب می‌گردد ساختمان، نسبت به سازه بدون جداساز، زودتر از حرکت بایستد و متوقف شود؛ به‌عبارت‌دیگر جداساز، ارتعاش ساختمان را میرا می‌کند.

ابزارهای اتلاف انرژی

روش جدید دیگری که برای بهبود مقاومت لرزه‌ای ساختمان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد مبتنی بر میرایی و اتلاف انرژی است اما در این روش میرایی و اتلاف انرژی در سطح گسترده‌تری نسبت به جداسازهای لرزه‌ای صورت می‌گیرد.

هر ساختمان به‌خودی‌خود قادر است تا حدودی انرژی واردشده را اتلاف یا میرا کند. بااین‌حال ظرفیت ساختمان برای اتلاف انرژی پیش از آنکه دچار تغییر شکل و خرابی شود محدود است.

ساختمان اتلاف انرژی را از طریق یکی از دو راه زیر انجام می‌دهد:

• جابه‌جایی‌های خیلی زیاد
• کرنش‌های داخلی در المان‌هایی مانند ستون‌ها و تیرها

هر دوی این روش‌ها نهایتاً منجر به تخریب سازه می‌شوند.

بنابراین، با مجهز کردن یک ساختمان به تجهیزاتی که ظرفیت میرایی بالایی داشته باشند، می‌توانیم انرژی لرزه‌ای وارد بر ساختمان را تا حد زیادی کاهش دهیم و در نتیجه خرابی کمتری در ساختمان داشته باشیم.

با توجه به مطالب گفته‌شده، انواع گوناگونی از ابزارهای اتلاف انرژی در ساختمان‌ها استفاده می‌شود. به ابزارهای اتلاف انرژی، ابزارهای میراگر (دمپر) انرژی نیز گفته می‌شود. انواع گوناگون تجهیزات میرایی موجود را می‌‌توان به چهار دسته کلی تقسیم کرد:

• میراگرهای اصطکاکی: در این میراگر (دمپر)ها از نیروهای اصطکاکی به‌منظور اتلاف انرژی استفاده می‌شود.
• میراگرهای فلزی: در این میراگر (دمپر)ها از تغییر شکل المان‌های فلزی درون میراگر (دمپر) استفاده می‌شود.
• میراگرهای ویسکو الاستیک: در این میراگر (دمپر)ها از برش کنترل‌شده مصالح جامد استفاده می‌شود.
• میراگرهای ویسکوز: در این میراگر (دمپر)ها از جابه‌جایی اجباری مایعات درون میراگر (دمپر) استفاده می‌شود.

تجهیزات میرایی و سیستم‌های مهاربندی

تجهیزات میرایی معمولاً به‌عنوان بخشی از سیستم مهاربندی نصب می‌شوند. شکل ۳ یکی از انواع روش‌های قرارگیری مهاربند-دمپر را نشان می‌دهد. یک سر این میراگر به ستون و سر دیگر به کف متصل می‌شود. این میراگر همچنین نقش تکیه‌گاه را برای ستون ایفا می‌کند.

بیشتر حرکت زمین ناشی از زلزله در جهت افقی است؛ بنابراین به‌طورمعمول این ستون ساختمان است که بیشترین جابه‌جایی را نسبت به حرکت زمین متحمل می‌شود. شکل ۳ ابزار میرایی نصب‌شده به‌عنوان بخشی از سیستم مهاربندی را نشان می‌دهد و به درک مفهوم این بخش کمک می‌کند.

  منبع

 نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.