روش مقاوم سازی سازه فلزی

مبنای طراحی سازه ها با روشهای رایج افزایش ظرفیت سازه با سیستمهای مقاوم در برابر زلزله میباشند. که این سازه ها در برابر تحریکات شدید زلزله و باد آسیب پذیر میباشند. دلیل روش مقاوم سازی سازه فلزی است که سازه های طراحی شده توسط روشهای رایج طراحی دارای ظرفیت محدود مقاومت در برابر بار و همچنین دارای ظرقیت محدود در اتلاف انرژی میباشند. امروزه به سازه هایی که از تکنیکهای کنترل فعالی نیمه فعالی غیر فعال و هیبرید در ساخت و یا بهسازی آنها استفاده میشود سازه های هوشمند اتلاق میشود.

با استفاده از تکنولوژی سازه های هوشمند تجهیزات و یا سیستمهایی به سازه اضافه میشوند تا ظرفیت مقاومت لرزه ای سازه ها افزایش داده شوند به این ترتیب سازه نه تنها از مقاومت خودش برای مقابله در برابر نیروهای زلزله استفاده میکند بلکه از این تجهیزات و سیستمها برای اتلاف انرژی دینامیکی استفاده می کند.

مسئله اصلی به منظور تأمین مقاومت لرزه ای بالای یک ساختمان چگونگی به حداقل رساندن تغییر مکان بین طبقه ای و شتاب های طبقات میباشد لذا افزایش سختی سازه موجب کاهش تغییر مکان در سازه میشود در مقابل باعث جذب نیروی بیشتر زلزله و افزایش شتاب طبقات میشود بر عکس آن کاهش سختی سازه موجب کاهش شتاب طبقات میشود در مقابل باعث افزایش تغییر مکان در سازه میگردد.

اکثر روش های مرسوم برای مقاوم سازی در برابر زلزله مبتنی بر افزایش مقاومت اعضا و افزایش سختی سازه استوارند و هدف اصلی در روش جداسازی لرزه ای جلوگیری از انتقال مستقیم نیروی زلزله از پی به سازه است. در واقع جداسازی پایه پیشنهاد کاهش تقاضا را به جای افزایش ظرفیت مطرح میکند از آنجایی که ما نمی توانیم جلوی زلزله را بگیریم با بهره گیری از جداسازی سازه از پی میتوانیم از انتقال حرکات به سازه جلوگیری کنیم با توجه به موضوعات ذکر شده و تشریح اهمیت جداسازها در این فصل از پژوهش به بیان مبانی نظری و پیشینه پژوهشهای انجام شده در داخل و خارج از کشور درباره ی جداسازهای LRB می پردازیم.

روش مقاوم سازی سازه فلزی

روشهای مقاوم سازی سازه فلزی به صورت کلاسیک capacity design

اگرچه منظور از مقاوم سازی ساختمان در علم مهندسی عمران بالا بردن مقاومت یک سازه است اما این اصطلاح امروزه برای نیروی زلزله استفاده میشود و به مقاوم سازی در برابر زلزله اشاره دارد. از این رو بهتر است از اصطلاح بهسازی و در حالت خاص تر برای نیروی زلزله از اصطلاح بهسازی لرزه ای برای مقاوم سازی در برابر زلزله استفاده کنید با توجه به اینکه بهسازی لرزه ای به شرط ثابت بودن ساختمان مطرح شده و گاهی اوقات دسترسی به برخی از نواحی که نیاز به تقویت دارند دشوار است بنابراین مقاوم سازی ساختمان از ساخت بنا پیچیده تر خواهد بود.

فرآیند ارتقا سیستم ساختاری یک ساختمان که به منظور بهبود عملکرد آن تحت بارهای موجود و یا برای افزایش قدرت حمل بارهای اضافی بروی ساختمان توصیف میشود مقاوم سازی ساختمان نامیده می شود. استفاده از پوشش بتنی یا ژاکت فلزی برای مقاوم سازی ساختمان و یا بهسازی لرزه ای را در ساختمان یکی از راهکار هاست. مقاوم سازی ساختمان در برابر حوادث طبیعی موضوعی بسیار مهم است.

مقاوم سازی ساختمان برای هر یک از دلایل فرسایش خاک ضعف اصلاحات طراحی شده کیفیت نامطلوب مواد یا ساخت و ساز و همچنین خرابی ناشی از پیری ساختمان و یا بی توجهی در ساخت مورد نیاز است. هر کدام از این عوامل می توانند ثبات ساختمان را تهدید کنند البته برای رفع این مشکل و بهسازی لرزه ای هیچ راه حل واحدی که به عنوان یک متد مستقیم برای هر پروژه ارائه شود وجود ندارد عموماً برای مقاوم سازی ساختمان جهت بازگرداندن و افزایش ظرفیت حمل بار از بتن مسلح مصالح بنایی چوب و سازه های فلزی استفاده می شود.

با توجه به افزایش جمعیت و نیاز گسترده جامعه به مسکن بسیاری از شرکتهای ساختمان سازی که در امر بهسازی لرزه ای و مقاوم سازی ساختمان فعالیت میکنند در تلاش اند تا با استفاده از روشها و مصالح جدید سرعت ساخت و همچنین سبک سازی و عمر مفید ساختمان را افزایش دهند چرا که نیاز سازه های بتنی و فولادی به مقاوم سازی در برابر زلزله پیش از پیش احساس میشود. هدف از بهسازی لرزه ای بهبود عملکرد اجزای سازه است.

برخی از تکنیک های مقاوم سازی نظیر ژاکت فلزی یا پوشش بتنی شاتکریت پیش تنیدگی یا پس تنیدگی دیوار برشی بادبند و مقاوم سازی با استفاده از صفحات یا ورقه های فولادی و بسیاری روشهای دیگر از جمله روشهای کلاسیک مقاوم سازی ساختمان شناخته شده اند که برای اجرای آنها معمولاً به فضای زیادی نیاز است و اغلب در برابر شرایط محیطی آسیب پذیر هستند مقاوم سازی با روشهای کلاسیک را میتوان در قالب موارد زیر بیان کرد

. بسیاری از ساختمانهایی که در ابتدا برای استفاده های خاصی ساخته شده اند با گذشت زمان به دلیل تغییر در استفاده و کاربرد آنها باید بازسازی و مقاوم سازی شوند چراکه ممکن است به ظرفیت بارگذاری بیشتر نیاز داشته باشند. در نتیجه این تقاضاهای بار بالاتر، ساختارهای موجود باید دوباره ارزیابی شده و برای برآورده شدن نیازهای بار اضافی ممکن است مقاوم سازی ساختمان ضرورت یابد.

به طور کلی مقاوم سازی ساختمان ممکن است به دلیل تغییرات کد بهسازی لرزه ای کمبودهای ایجاد شده به دلیل اثرات زیست محیطی مثل خوردگی، تغییر در افزایش بار خدماتی و یا نقص ناشی از ساختار که به دلیل خطا در طراحی یا ساخت و ساز ایجاد شده است. ضرورت یابد.

. برای سازه های فولادی و بتن آرمه مقام سازی در برابر زلزله میتواند با استفاده از یکی از روشهای مختلف نظیر شاتکریت اتصالات قطعات پیش ساخته و چسباندن ورقه های فولادی افزایش سطح مقطع بخش بتنی با بهره گیری از پوشش بتنی و کامپوزیت خارجی فولاد پیوندی خارجی، تقویت خارجی عضو سازه ای با سیستمهای پس از کشش خارجی یا داخلی و همچنین سایر روشها و یا ترکیب آنها انجام شود برای مؤثر بودن و به اشتراک گذاشتن بارهای اعمال شده، مقاوم سازی ساختمان نیز همانند تعمیر سازه ای باید با ترکیب ساختارهای موجود انجام شود.

معایب روشهای سنتی مقاوم سازی به قرار زیر است.

• هزینه بالا
• کاربری سخت
• خطر خوردگی و پوسیدگی در ورقهای فولادی
• غیر انعطاف پذیری
• تغییر در وزن اجزاء سازه و در نتیجه تغییر فرکانس طبیعی عضو سازه ای
• تغییر سختی کلی سازه
• مشکلات سنگینی مصالح و نصب و حمل و نقل مصالح

روشهای مقاوم سازی سازه فلزی به صورت نوین control vibration

روش غیر فعال passive

در این گونه روشها عامل کنترل کننده ارتعاش در محل مناسبی از سازه قرار میگیرد و عملا تا قبل از تحریک سازه به صورت غیر فعال است و با شروع تحریک مثلا زلزله سیستم کنترلی به کار افتاده و عملکرد کنترلی خود را در حین تحریک انجام میدهد و پس از خاتمه ی تحریک مجددا به حالت غیر فعال باز می گردد که به دلیل جذب بخشی از انرژی ورودی به سازه احتمالا شاهد خرابی جزیی یا کلی در آن خواهیم بود. تکنیکهای زیادی از جمله میراگرهای اصطکاکی میراگرهای پاید میراگرهای ویسکوالاستیک

میراگرهای فلزی جرم میراگر متوازن و مایع میراگر متوازن از جمله روشهای کنترل غیر فعال محسوب

می شوند.

روشهای کنترل فعال active

در این گونه روشها پاسخ سازه توسط اعمال نیروهایی در نقاط مختلف آن به صورت هم زمان و با توجه به
شرایط لحظه ای سازه کنترل میشود. این سیستم ها همواره آماده برای شروع فعالیت و کنترل ارتعاشات می باشد که اصطلاحاً فعال نامیده میشوند سیستمهای کنترل فعال را میتوان به صورت عمده به دو بخش تعیین مکانیزم اعمال نیرو بر سازه و نیز الگوریتمهای محاسبه نیروی کنترل تقسیم نمود.

در این گونه سیستم ها ضمن تعیین پاسخ سازه که میتواند شامل شتاب سرعت و یا تغییر مکان باشد در هر لحظه و با  استفاده از یک الگوریتم مشخص نیروی کنترل مورد نیاز تعیین میگردد. سپس با استفاده از یک منبع  انرژی خارجی نسبت به اعمال نیروهای محاسبه شده کنترلی بر سازه اقدام شده و این کار تا زمان کاهش  پاسخ سازه به حد مورد نظر ادامه می یابد.

روشهای کنترل نیمه فعال semi active

در کنترل نیمه فعال ابزار مورد استفاده توانایی تغییر مشخصات دینامیکی خود را داشته و در نتیجه این نوع کنترل برای محدوده وسیع تری از بارگذاریها کارآیی دارد. این ابزار معمولا به انرژی کمی نیاز دارند و بنابراین لزوم وجود یک منبع انرژی خارجی بزرگ را از بین میبرند میراگرهایی از نوع دریچه متغیر ابزار با اصطکاک متغیر میراگرهای با سختی متغیر از این دسته اند.

تعریف تاثیر روش کنترل لرزه ای بر سازه

برای تعریف تاثیر روش کنترل لرزه ای بر سازه یک سازه با یک درجه آزادی را بصورت شماتیک بصورت زیر

در نظر گرفتند که معادله حرکت آن بصورت زیر است.

mx + Cx+kx + 1x = (m + m)

حال اگر به سیستم فوق یک عضو الحاقی بر اساس اصول سیستم Passive اضافه گردد معادله حرکت به

شکل زیر میباشد.

mx + x + kx + 1×2 = (m + m)xg

و عبارت Rx باعث تغییر معادله حرکت شده و پاسخ لرزه ای را بهبود میبخشد Rx بستگی به جنس عضو الحاقی و ضریب میرایی دارد.

وزن عضو الحاقی Passive که بسیار کوچکتر از m و قابل صرف نظر است.

طبقه بندی اعضاء الحاقی غیر فعال

جداساز

تاریخچه جداساز لرزه ای

در سالیان بسیار دور استفاده از این روش در مقاوم سازی سازه های با اهمیت نیز کاربرد داشته مانند معبد کروش کبیر در پاسارگاد و یا برخی از سازه های موجود در تخت جمشید و کاخ الهه اتنا یونان باستان که در تصاویر مشخص میباشد البته جداسازی لرزه ای به صورت مدرن ایده ای با سابقه ی بیش از صد سال است.

اولین گزارش استفاده از جداسازی لرزه ای به سال ۱۸۸۵ میلادی بر میگردد که مایلن معروف به پدر زلزله شناسی نوین ساختمانی را به کمک نوعی غلتک جداسازی نمود. همچنین در آگوست سال ۱۹۰۹ میلادی کلانترییانتس پزشکی از اهالی شمال انگلستان در نامه ای به مسؤل خدمات لرزه شناسی شیلی در سن تیاگو روش ابداعی خویش را در ساخت سازه ها این گونه معرفی میکند ساختمانهای مهم در کشورهای لرزه خیز را میتوان به کمک این اصل و روش به صورت ایمن از زمین جدا نمود و در نتیجه به واسطه ی مفاصل روغن کاری شده ی آزاد زلزله شدت خود را در مواجهه با این سازه ها از دست میدهد.

جدا نمودن کامل سازه ها از زمین در این روش با هدف رهایی کامل سازه از تأثیرات زمین لرزه به صورت یک ایده آل در نظر گرفته شده و در طی سالیان گذشته تلاش شده است تا با ابداع و توسعه ی روشها و تجهیزات گوناگون به این مهم نزدیک شد.

جان میلن انگلیسی در دانشگاه توکیو یک نمونه آزمایشگاهی از یک ساختمان جدا شده را با قرار دادن آن بر روی گویهای چدنی و شمع هایی با لبه گرد ساخت در سی سال اخیر با گسترش نشیمن های (Skopje) چند لایه الاستومری جداسازی لرزه ای به یک واقعیت عملی تبدیل شده است.

نخستین مورد استفاده از یک سیستم جداساز لاستیکی برای محافظت ساختمانها در برابر زمین لرزه در سال ۱۹۶۹ در ساختمان یک مدرسه ابتدایی در اسکوپیه یوگسلاوی سابق میباشد مدرسه پستالوزی یک ساختمان سه طبقه بتنی است که به وسیله مهندسین سوئیسی طراحی و ساخته شده و با سیستمی معروف جداسازی شده )Swiss Full Base Isolation-3D or FBI-3D( به جداسازی پایه کامل سه بعدی سوئیسی است. بلوکهای لاستیکی مورد استفاده در این مدرسه بر خلاف نمونه های جدید امروزی بدون هر گونه تقویت بوده و در نتیجه به دلیل وزن ساختمان دارای انبساط جانبی Bulge) زیادی میباشند.

 عملکرد و مکانیزم جداسازی لرزه ای) پایه

در جداسازی لرزه ای کل یا بخشی از سازه برای کاهش پاسخ لرزه ای آن بخش در زمان زلزله از زمین یا قسمت های دیگر سازه جدا میشود. این کار با استفاده از جداسازهایی که بر اساس مشخصات دینامیکی سازه اهداف عملکردی مورد نظر طراح و شرایط خطر لرزه ای ساختگاه طراحی و ساخته شده اند صورت می گیرد وظیفه ی اصلی این جداسازها ایجاد فاصله بین دوره ی تناوب طبیعی سازه و محدوده ی دوره ی تناوب حاکم در ارتعاش زمین لرزه احتمالی در محل سازه ی مورد نظر است. علاوه بر این انرژی ارتعاشی ناشی از زلزله نیز با کمک سازوکارهای مختلفی جذب شده و از انتقال آن به سازه جلوگیری می گردد.

جداساز سامانسامانه ای است که سازه روی خود را از بخش زیرین خود جدا میکند برای اینکه در زمان بروز زلزله هیچ نیرویی به سازه منتقل نشود لازم است این سامانه سازه را به حالت شناور درآورد. این امر با توجه به نیاز به کنترل تغییر مکانهای نسبی جانبی در زمان تحریک زلزله از نظر اجرایی درست و امکان پذیر نیست.

دو گروه اصلی از جداسازهای لرزه ای برای کنترل نیروی منتقل شده به روسازه در ساختمانها استفاده می شوند

الف استفاده از جداسازهای لاستیکی برای افزایش دوره ی تناوب طبیعی سازه

ب استفاده از جداسازهای اصطکاکی و کنترل حداکثر نیروی منتقل شده به روسازه و استهلاک انرژی در محل جداساز (لی و همکاران، ۲۰۱۹)

جداسازها باید مقاومت لازم برای تحمل وزن سازه روی خود را داشته باشند. در عین حال جداسازهای لاستیکی باید در جهت افقی به اندازه ی کافی نرم باشند در زمان طراحی توجه به این نکته ضروری است که با نرم تر شدن جداسازها تغییر مکان نسبی بین زمین و سازه افزایش مییابد به این ترتیب تغییر مکان

نسبی تر از جداسازی و پاسخ شتاب سازه همواره با هم نسبت عکس دارند در این شرایط با انتخاب سازوکار استهلاک انرژی مناسب در سامانه ی جداسازی لرزه ای میتوان هم به کاهش مورد نیاز در شتاب مجموعه دست پیدا کرد و هم میزان تغییر مکان نسبی ذکر شده را در محدوده ی مورد نظر طراحی نگاه داشت.

به این ترتیب از جداسازها قابلیت تحمل بار تغییر مکانهای زیاد و بازگشت به محل اولیه پس از پایان یافتن زلزله انتظار میرود در جداسازهای اصطکاکی ضریب اصطکاک مناسب عامل کنترل نیروی انتقالی به روسازه و همچنین کنترل تغییر مکان جانبی سازه خواهد بود.

از سوی دیگر این نوع جداسازها ممکن است باعث انتقال ارتعاشات با فرکانسهای نسبتا زیاد به سازه گردند. از این رو استفاده از این تجهیزات در جداسازی سازه هایی که ابزار دقیق و حساس به ارتعاش در فرکانس های بالا در آنها نصب خواهد شد باید با مطالعه ی دقیق صورت پذیرد مسایل اقتصادی، اجرایی و دوام این تجهیزات در زمان طراحی و ساخت آنها باید مورد توجه قرار گیرد.

جداسازی موفق یک سازه خاص، مستلزم انتخاب طراحی و ساخت سامانه ی جداسازی مناسب برای آن است. علاوه بر تامین انعطاف پذیری جانبی کافی و میرایی مناسب همانطور که قبلاً نیز ذکر شد سامانه ی جداسازی باید قادر باشد تا پس از اتمام ارتعاش زلزله به وضعیت اولیه ی خود بازگردد. این سامانه ها باید سختی قائم زیادی برای جلوگیری از تاب خوردن و حرکت گهواره ای سازه و سختی اولیه ی کافی برای جلوگیری از حرکت های ناخواسته ی ناشی از وزش باد و لرزه های با دامنه های کم داشته باشند.

زمین حرکت کند شتاب وارد شده به سازه برابر شتاب زمین است و بین سازه و زمین تغییر مکان نسبی صفر برقرار خواهد بود و سازه و زمین به یک میزان حرکت خواهند کرد ساختمانی که به طور کامل منعطف است دارای پریود صفر است و حرکت زمین در زیر چنین سازه ای شتاب صفر به خود می گیرد و تغییر مکان بین این دو برابر تغییر مکان زمین خواهد بود و در واقع سازه حرکتی نخواهد کرد مانند ژله ی بسیار نرم تحت شتاب زیاد).

برای بیشتر زلزله ها دامنه ای از پریودها وجود دارد که در آن جا شتاب وارد شده به سازه بیشتر از ماکزیمم شتاب زمین خواهد شد. تغییر مکانهای نسبی معمولاً به حداکثر شتاب زمین نمیرسند که همان تغییر مکان پریود بی نهایت است ولی استثنائاتی در این مورد وجود دارد که به طور مشخص میتوان به سایتهایی با خاک نرم و هم چنین سایتهای نزدیک گسلهای زلزله را میتوان اشاره کرد.

– انواع جداساز لرزه ای

جدا سازه های لرزه ای از لحاظ مکانیزم و عملکرد به دو دسته اصلی الاستومری و اصطکاکی تقسیم میشوند که در ادامه به تفکیک بصورت مفصل تر در مورد مکانیزم متریال و کارایی هر کدام توضیح داده خواهد شد.

۱-۳-۴-۲-۲ جداسازهای الاستومری و انواع آن

جدا سازهای پایه ای الاستومری از لایه های ورق فلزی و لاستیکی تشکیل شده است که در واقع ورق های لاستیکی نقش مستهلک کننده انرژی زلزله و ورقهای فازی نقش جلوگیری از شکم دادن لایه های لاستیکی در برابر نیروی محوری میباشد الاستومرهای اولیه از صفحات لاستیک طبیعی ساخته می شدند.

امروزه جهت تقویت این جداساز به طور معمول از ورقهای فلزی داخلی و ورقهای رویه فلزی استفاده میشود که لایه های میانی از پلاستیک و فولاد با لایه های فولادی ورق بالا و پائین محصور و محدود شوند. معمولاً ضخامت این صفحات فولادی ۲۵ میلی متر و ضخامت صفحات لاستیکی بین ۷٫۵ تا ۲۰ سانتی متر میباشد.

استفاده از صفحات فولادی باعث کاهش تغییر شکل قائم الاستومر شده و از بشکه ای شدن لاستیک جلوگیری می نماید. امروزه در ساخت الاستومرها از لاستیکهای مصنوعی مانند نئوپرن نیز استفاده می گردد. بدلیل انعطاف پذیر بودن لاستیک و تغییر شکلهای برشی الاستیک بالا میزان میرایی بحرانی الاستومرها بین ۲ الی ۳ درصد میباشد.

به همین دلیل در رده تکیه گاههای با میرایی پایین قرار میگیرند این جداساز می تواند دایره ای و یا مربعی باشد تولید و ساخت الاستومرها در مقایسه با سایر تکیه گاه ها ساده تر و کم هزینه تر می باشد و خصوصیات مکانیکی آنها تابع دما و زمان نیست هر چند به دلیل میرایی بحرانی کم مقاومت چندانی در برابر بارهای بهره برداری ندارند و جهت کنترل تغییر مکانهای جانبی بالاتر باید از میراگرهای دیگری استفاده گردد.

الاستومتری متشکل از لایه های ورق فلزی و لاستیکی میباشد که لاستیک بعنوان میراکننده انرژی زلزله میباشد. پلی اتیلن و پلی پروپیلن پلیمرهایی هستند با دمای انتقال شیشه ای بسیار پایین و دارای ماهیت بلورینگی که به دلیل همین ماهیت فاقد خواص لاستیک بوده و به عنوان پلاستیک مورد مصرف قرار می گیرند.

با کوپلیمر کردن اتیلن و پروپیلن و برهم زدن نظم ساختمانی هر یک از این هموپلیمرها، میتوان ویژگی بلورینگی را از پلیمر سلب و پلیمری با ویژگی لاستیکی پدید آورد کوپلیمر تشکیل شده با این روش EPR نامیده میشود.

که دارای ماهیت کاملاً اشباع بوده و به دلیل همین ماهیت از مقاومت جوی و حرارتی بالایی برخوردار است اما این الاستومر به علت عدم وجود پیوند دوگانه در ساختار شیمیایی فاقد قابلیت پخت گوگردی و فقط با سیستم پخت پراکسیدی پخت میشود برای حل این مشکل از منومر سومی منومر (DN) در واکنش با اتیلن و پروپیلن استفاده میشود به این ترتیب ترپلیمری حاصل میشود که حاوی پیوند دوگانه بوده و قابلیت پخت گوگردی را پیدا خواهد کرد. این ترپلیمر EPDM نامیده میشود.