کارشناس رسمی دادگستری -رشته راه وساختمان

1- مقدمه

مدتهاست زلزله عنوان قویترین عامل طبیعی مخرب موثر بر ساختمان شناخته شده است و بشر همواره سعی بر آن داشته است تا این نیرو را به طور صحیح شناسایی و آن را کنترل کند تا خسارات جانی ومالی را در زمان زمین لرزه کاهش دهد . برای کنترل سازه در برابر زلزله ابتدا باید ماهیت این نیرو شناخته شود و سپس نقاط اثر این نیرو و عوامل موثر بر تخریب سازه در هنگام زلزله مورد بررسی قرار گیرند لذا ابتدا اشاره ای به ماهیت نیروی زلزله داریم .

2- تعریف زلزله

سطح زمین از صفحه هایی تشکیل شده که این صفحات در محل گسلها نسبت به یکدیگر حرکت دارند و این حرکت باعث ایجاد تنش برشی در صفحات می شود که هر گاه این تنش بیش از ظرفیت مالشی سطح و یا مقاومت مصالح سنگی گردد ، لغزش در سطح گسل به وجود آمده که خد موجب ایجاد امواجی در سطح صفحه می شود که به ان زلزله می گویند .

امواج زلزله به دو گروه و شاخه های زیر تقسیم میشود :

امواج حجمی : 1- امواجp 2- امواج s

امواج سطحی : 1- امواج لاو 2- امواج رایلی

با توجه به مطالب فوق میتوان دریافت که زلزله از قوانین مربوط به امواج پیروی می کند و نیروی زلزله به صورت دینامیکی و در طی زمان اعمال می شود .

2-1- بررسی نیروهای وارد بر سازه و پاسخ سازه

با توجه به ماهیت فوق می توان دریافت که زلزله از قوانین مربوط به امواج پیروی می کند و نیروی زلزله به صورت دینامیکی و در طی زمان اعمال می شود .

2-2- بررسی نیروهای وارد بر سازه و پاسخ سازه

با توجه به اهمیت دینامیکی زلزله و پیکره آزاد سازه میتوان رابطه زیر را بیان کرد

رابطه فوق رابطه حرکت سیستم یک درجه آزادی تحت اثر بار دینامیکی p میباشد . در رابطه فوق

M : جرم سازه K : سختی سازه U’ :سرعت سازه

C : میرایی U :جابجایی سازه U” : شتاب سازه

P :نیروی دینامیکی زلزله می باشند .

2-3- بررسی روشهای کاهش نیروی زلزله وارد بر سازه

برای کاهش نیروی وارد بر سازه باید مقدار  u  کاهش پیدا کند و از ارتعاش زیاد و کوتاه مدت سازه جلوگیری به عل آید لذا با توجه به رابطه فوق اگر تغییرات انجام گیرد ما تقریبا به هدف خود یعنی کاهش نیروی زلزله وارد بر سازه رسیده ایم .

1- کاهش نیروی  P                                                3- افزایش         C

 2- افزایش        K                                                4- افزایش                 M

از میان روشهای فوق روش چهارم روش مناسبی نیست زیرا افزایش M خود باعث افزایش نیروی        میشود و ω ( فرکانس طبیعی سازه ) کاهش پیدا میکند که این عوامل از رسیدن به هدف نهایی جلوگیری به عمل می آورد لذا روش چهارم را نادیده می گیریم .

از فرمول زیر بدست می آید :(U) همچنین مقدار جابجایی سازه

U=e-ξωt ( A cos ωD t+B sin ωD t)            (1)                                                                                                                

در این رابطه دو پارامتر نقش عمده دارند :

ξ : نسبت ضریب میرایی واقعی سازه به ضریب میرایی بحرانی .

ω : فرکانس طبیعی سازه است که از رابطه              = ω  به دست می آید .

با افزیش ξ حداکثر مقدار Uکاهش پیدا میکند و با افزایش  ω تعداد نوسانات کم میشود لذا نیروی وارده سازه کاهش پیدا میکند . نمودار بیان کننده این موضوع می باشد . در رابطه فوق AوB ضرایب ثابتی هستند که با توجه به شرایط اولیه حرکت میتوان آنها را محاسبه نمو د و Dω فرکانس طبیعی سازه در اثر میرایی می باشد که مقدار آن برابر است با :                            ωD =ω                        با توجه به مقادیر ξسه نوع سازه داریم :                      1- فرامیرا (1< ξ)

2-میرا شده بحرانی  (1= ξ)

3- میرایی کم (1> ξ)

نمودار 2 پاسخ سازه را در هر 3 حالت نشان می دهد .

  در حالت ایده آل اگر بتوانیم میرایی سازه را به حالت بحرانی برسانیم کمترین نیروی ممکن بر سازه اعمال خواهد شد . برای افزایش روشهایی تا کنون ارائه گردیده که در این مقاله به معرفی و بررسی این روشها پرداخته خواهد شد .

- روشهای اجرایی کاهش نیروی زلزله وارد بر سازه :

با توجه به مطالب فوق تا کنون روشهای متفاوت و کاربردی ارائه شده که در این مبحث  به معرفی آنها پرداخته می شود .

الف- کاهش نیروی برشی پایه با استفاده از ایزولاتورها :

برای اتلاف انرژی زلزله وارد بر پایه سازه بهترین روش قراردادن لایه ای با شکل پذیری زیاد می باشد . تا نیروی وارده صرف تغییر شکل لایه شود . لذا از ایزولاتورها یا جداکننده های زمین لرزه استفاده می شود .

در زیر نمای شماتیک این ایزولاتورها و نحوه اتصال آن به ستونها و تفاوت سازه های معمولی نمایش شده است

 این ایزولاتور ها از 4 قسمت اصلی تشکیل شده اند :

1- هسته مرکزی  : این قسمت کار عمده اتلف انرژی را بر عهده دارد . جنس این هسته از لاستیک فشرده با قابلیت جذب انرژی بسیار بالا می باشد .

  2- صفحات فولادی : عمده مسئولیت این صفحات مقاومت در برابر نیروی برشی زلزله یا باد و دیگر نییروهای افقی وارد بر سازه میباشد .

 3- لایه لاستیکی : این لایه از جنس لاستیک با قابلیت شکل پذیری و اتلاف انرژی بالا بوده که صفحات فلزی را می پوشاند.

4- صفحات پوششی تحتانی و فوقانی : که اتصال ستون با پی را دارند .

برای ساخت این ایزولاتورها صفحات فولادی را با چسب مخصوصی میپوشانند و لایه لاستیکی را به دور آنها تزریق میکنند سپس در کوره های بخار قرار داده می پزند که البته این روش بسیار گران تمام میشود. و هم اکنون برای پایین آوردن هزینه ساخت و سبکی محصولات بجای صفحات فولادی از الیاف پلیمری و بجای بخار پز کردن از امواج ماکروویو استفاده میکنند .

برای محاسبه و طراحی ایزولاتورها در مقابل زلزله اطلاعاتی ازقبیل نوع کاربری سازه ( پل-ساختمان – نیروگاه و...) – نوع سیستم منطقه از لحاظ ژئوتکنیکی و آب و هوایی و.... مورد نیاز است . شایان ذکر است قیمت تمام شده یک ایزولاتور برای ساختمانی مسکونی با 4 طبقه وبار محوری محدود 80 تن و برشی 10 تن در تهران مبلغی مابین 1500 تا 5000 دلار می باشد .

از نحوه کارکرد این ایزولاتورها فیلمی در ضمیمه مقاله نیز ارائه شده است . همچنین دتایلهای نحوه کاربری در ساختمانهای مختلف و با تاسیسات مختلف در پیوست آمده است .

ب- کاهش نیروی زلزله با اتصالات میرا شده :

در این روش نیروی زلزله به اتصالات و اعضای خاصی اعمال شده و از مقدار آن تا حد زیادی کاسته میشود . در این روش سعی بر آن شده است میرایی سازه افزوده شود . این اتصالات همچون فنری نیروی زلزله وارد شده را به جابجایی تبدیل میکنند

در شکل زیر پاسخ سازه در حالت عادی و در حالت میرا شده نمایش داده شده است .

 در این روش میرا گرهای ویسکوز استفاده می شود . این وسایل تقریبا شکل کمک فنر بوده و از نیروی هیدرولیکی برای مهار زلزله بهره مند هستند . در شکل زیر نمای شماتیک و واقعی این میراگرها را مشاهده می کنید

در سازه میتوان از این میراگرها به عنوان باد بند استفاده نمود یا ترکیبی از میراگرو باد بند ، همچنین ترکیب سیستم میراگر و ایزولاتور نیز ممکن می باشد . در شکل زیر انواع موارد مصرف نشان داده شده است .

در شکل زیر نیز میزان اتلاف انرژی در دو سازه میرا شده و عادی نشان داده شده است .

این سیستم کار آرایی زیادی در محاهایی که امواج دینامیکی فراوان به سازه وارد میشود مثل ایستگاههای پرتاب موشک ، پلها ، نیروگاهها و.. را دارا می باشد .

    ج- کاهش نیروی زلزله با اسفاده از جرم متعادل کننده :

در این روش جرمی متحرک در طبقات فوقانی سازه نصب می شود . که حرکت این جسم توسط    کامپیوتری کنترل می شود . اصول کار این سیستم شبیه به کنترل و تعادل انسان است . بدین صورت که اگر ما به صورت که اگر ما به سمتی در حال سقوط باشیم ، با حرکات خود سعی بر جابجائی نیروی وزن در خلاف جهت سقوط داریم که به عنوان مثال می توان به حرکات دست اشاره کرد.

 در این سیستم نیروی زلزله توسط وسایل اندازه گیری نصب شده مدل سازی می شود و به کامپیوتری که رفتار سازه از پیش برای خلاف از پیش بریا آن تعریف شده است ارسال میشود و کامپیوتر به اکتورها – یا اعمال گر نیرو – دستور میدهد تا جرم واقع در ساختمان را در جهتی خلاف نیروی زلزله تکان دهد . بدین صورت ازمقدار زلزله تاحد زیادی کاسته می شود. شکل زیر مراحل فوق را به صورت شماتیک نمایش میدهد .

سیستم جرم تعدیل کننده   mass damper   دارای این مزیت می باشد که در ساختمانهای قدیمی نیز میتوان از آن بهره جست و احتیاجی به بازسازی نمی باشد .

استفاده از سیستم فوق داشتن دانش و امکانات کافی میباشد که متاسفانه در خیلی کشورها ی دنیا به علت کمبود امکانات نمی توان از این سیتم بهره جست.

در پایان تصویری که شامل سه سیستم بیان شده فوق می باشد را شاهد می باشید .

3-نتیجه گیری

بریا تعدیل و کاهش نیروی زلزله باید روشهای مختلف مورد بحث و بررسی قرار گیرد تا بتوان در آینده از میزان تلفات و خسارات وارد بر سازه کاست . در این مقاله سعی بر آن بود تا نمایی از پیشرفتهای علم در قرن 21 را در اختیار دانشجویان و مهندسین عمران گذاشته شود. امید است با پیشرفتهایی علم زلزله که در آینده انجام میشود خدمتی از سوی مهندسین عمران به نوع بشر شده باشد .

4- مراجع

 solator : http://WWW.dis-inc.com

 Viscous damper : http//WWW.taylordevices.com

 Mass damper and tuned mass damper :from Internet

 مهندس محمدهوشمندزاده -مدرس گروه مهندسی عمران دانشگاه آزاد اسلامی واحد شوشتر