جداساز لرزه ای چیست؟ انواع بیس ایزولیشن کدام است؟

چرا کنترل لرزه‌ای اهمیت دارد؟

زلزله یکی از جدی‌ترین تهدیدها برای پایداری سازه‌ها محسوب می‌شود. در هنگام وقوع زلزله، مقدار قابل‌توجهی انرژی از زمین به سازه منتقل می‌شود و این انتقال می‌تواند منجر به بروز خسارت‌های کوچک تا تخریب‌های گسترده در ساختمان شود. کنترل لرزه‌ای با هدف کاهش اثرات این انرژی مخرب، نقشی کلیدی در ایمن‌سازی سازه‌ها دارد. کنترل لرزه‌ای از جهت افزایش ایمنی، حفظ سرمایه و کاهش خسارت، تضمین عملکرد و افزایش دوام اهمیت زیادی دارد.

در سازه‌های با اهمیت بالا، روش‌های مرسوم مقاوم‌سازی مانند افزایش سختی جانبی به‌تنهایی کافی نیستند. این روش‌ها فقط مقاومت سازه را بالا می‌برند اما از انتقال انرژی زلزله جلوگیری نمی‌کنند. در مقابل، روش‌های نوین کنترل لرزه‌ای مانند جداسازی لرزه‌ای با کاهش شتاب، نیرو و پاسخ سازه، عملکرد بهتری ارائه می‌دهند. جداسازی باعث می‌شود سازه به‌جای جذب مستقیم نیروهای مخرب، با حرکتی کنترل‌شده و ملایم واکنش نشان دهد.

جداساز لرزه‌ای

مطابق نشریه ۵۲۳، جداسازی لرزه‌ای به معنای جدا کردن کل یا بخشی از سازه از زمین یا دیگر بخش‌های سازه به منظور کاهش پاسخ لرزه‌ای آن بخش هنگام زلزله است.

نخستین نشانه‌های استفاده از سیستم‌های جداسازی لرزه‌ای در معماری، در پاسارگاد ایران باستان و در قرن ششم پیش از میلاد مشاهده شده است. این سیستم شامل یک پی عمیق و پهن از سنگ و ملات صاف شده بود که بر روی پی دیگری از سنگ صاف و پهن قرار می‌گرفت. این دو پی به گونه‌ای طراحی شده بودند که صفحه میانی آن‌ها قادر به لغزش به جلو و عقب بود و شواهد تاریخی نشان می‌دهد که در یکی از زلزله‌های آن دوران، سازه بدون آسیب باقی مانده است.

نشریه ۵۲۳ به عنوان راهنمای طراحی و اجرای سیستم‌های جداساز لرزه‌ای در ساختمان‌ها، جزئیات طراحی، اجرا و ضوابط فنی این سیستم‌ها را به‌طور کامل بررسی کرده است. که در قسمت زیر می‌توانید آن را دانلود و مطالعه کنید.

دانلود نشریه ۵۲۳

همچنین نشریه ۵۵۰ با عنوان دستورالعمل طراحی ساختمان‌های دارای جداساز لرزه‌ای، یکی دیگر از منابع معتبر برای مطالعه و استفاده مهندسان و طراحان این سیستم‌ها محسوب می‌شود.

بیس ایزولیشن و هدف استفاده از جداساز لرزه ای

بیس ایزولیشن (Base Isolation) به‌معنای «جداسازی پایه» است و یکی از پیشرفته‌ترین و مؤثرترین روش‌ها برای حفاظت سازه‌های فولادی و بتنی در برابر خسارت‌های ناشی از زلزله به شمار می‌رود. در این سیستم، جداسازهای لرزه‌ای با ایجاد یک لایه انعطاف‌پذیر بین فونداسیون و سازه، مسیر انتقال انرژی لرزه‌ای را تغییر می‌دهند. این لایه انعطاف‌پذیر توانایی جذب و فیلتر کردن بخش عمده‌ای از نیرو و ارتعاشات زمین را دارد و در نتیجه، شتاب و تغییرمکان نسبی طبقات به‌طور چشمگیری کاهش می‌یابد.

جداساز لرزه‌ای، اثرات مخرب زلزله را محدود کرده و موجب می‌شود حرکت سازه از حرکت زمین مستقل شود؛ به‌طوری‌که شتاب پاسخ سازه کمتر از شتاب زمین خواهد بود. این جداسازها در زمان وقوع زلزله رفتار قابل پیش‌بینی دارند و با تبدیل انرژی جنبشی زلزله به گرما، از ورود انرژی اضافی به سازه جلوگیری می‌کنند.

در سیستم جداسازی، از تکیه‌گاه‌هایی استفاده می‌شود که در راستای قائم، سختی بالایی داشته و قادر به تحمل وزن کل سازه هستند؛ اما در راستای افقی بسیار انعطاف‌پذیر عمل می‌کنند. این ویژگی باعث می‌شود زمان تناوب سازه از حدود ۰.۱ تا ۱ ثانیه به حدود ۲ تا ۳ ثانیه افزایش یابد و به‌دنبال آن، فرکانس و شدت نیروهای لرزه‌ای کاهش پیدا کند. در چنین حالتی، بخش رویی سازه مشابه یک جسم صلب حرکت کرده و تغییرشکل‌های مخرب به حداقل می‌رسند. جداسازها معمولاً بین فونداسیون و سازه نصب می‌شوند. اما در صورتی که در ترازهای بالاتر به‌کار روند، لازم است طبقات زیرین به طور کامل صلب شود تا سختی بالایی داشته باشند و اختلاف فاز حرکتی ایجاد نشود.

این فناوری برای ساختمان‌های حیاتی مانند بیمارستان‌ها، مراکز امدادی، پل‌ها، نیروگاه‌ها و مراکز داده که باید پس از زلزله بدون وقفه کار کنند، اهمیت ویژه‌ای دارد. به‌منظور عملکرد صحیح جداسازهای لرزه‌ای، اجزای غیرسازه‌ای از جمله دیوارها و وال‌پست‌ باید با جزئیات مناسب اجرا شوند تا بتوانند جابه‌جایی نسبی طبقات را بدون آسیب تحمل کنند.

مکانیزم عملکرد جداساز لرزه ای

مکانیزم عملکرد جداساز لرزه‌ای بر پایهٔ کاهش مستقیم نیروهای لرزه‌ای وارد به سازه است. در یک سازهٔ معمولی، ساختمان به‌صورت صلب به فونداسیون متصل است و در نتیجه تمام ارتعاشات ناشی از زلزله بدون هیچ‌گونه فیلتر یا کاهش انرژی به سازه منتقل می‌شود. اما در سیستم‌های دارای جداساز لرزه‌ای، لایه‌های انعطاف‌پذیر و مستهلک‌کننده انرژی باعث می‌شوند حرکت زمین از حرکت سازه تا حد زیادی جدا شود. در هنگام زلزله، جداسازها رفتاری مشابه یک فنر همراه با میراگر دارند؛ به این معنا که بخشی از انرژی لرزه‌ای را جذب، مستهلک یا منحرف می‌کنند. عملکرد اصلی این سیستم شامل سه جزء است:

• کاهش فرکانس طبیعی سازه و افزایش زمان تناوب به‌منظور دور کردن آن از فرکانس‌های غالب زلزله و جلوگیری از پدیده تشدید،
• افزایش میرایی مؤثر سیستم از طریق لایه‌های الاستومری و اصطکاکی،
• کاهش تمرکز تنش‌ها در اعضای پایین‌دست سازه مانند ستون‌ها و تیرهای طبقهٔ همکف

به این ترتیب، سیستم جداساز یکی از مؤثرترین روش‌های حفاظت ساختمان در برابر زلزله محسوب می‌شود، زیرا با ایجاد یک پایهٔ انعطاف‌پذیر، حرکت زمین را از سازه جدا و شتاب پاسخ سازه را به‌طور قابل‌توجهی کمتر از شتاب ورودی زمین می‌کند.

در شکل زیر، رفتار لرزه‌ای دو ساختمان—یکی مجهز به جداساز لرزه‌ای و دیگری بدون جداساز—مقایسه شده است. ساختمان جداسازی‌شده دارای پاسخ بسیار نرم‌تر و آرام‌تر است؛ به‌طوری که نیروی برشی طبقات در این سیستم در محدوده زمانی طولانی‌تری ثابت باقی می‌ماند. اما در ساختمان فاقد جداساز، در بخشی از زمان، یک پیک بزرگ نیروی برشی ایجاد می‌شود که می‌تواند به تخریب سازه منجر شود.

افزایش زمان تناوب مؤثرترین مزیت جداسازهاست و باعث می‌شود سازه وارد محدوده‌ای از طیف زلزله شود که شتاب پاسخ بسیار کمتر است. همان‌گونه که در شکل زیر نشان داده شده، با افزایش زمان تناوب و میرایی، مقدار شتاب پاسخ سازه کاهش می‌یابد. در نمودار سمت راست نیز دیده می‌شود که هرچند افزایش زمان تناوب باعث افزایش تغییرمکان می‌شود، اما افزایش میرایی این افزایش را تا حد زیادی کنترل و جبران می‌کند.

رفتار جداساز در برابر بارهای فشاری و کششی نیز اهمیت بالایی دارد. در برابر بارهای فشاری، اگر ارتفاع لایه‌ها برابر بوده و ضخامت هر لایه کاهش یابد و تعداد لایه‌ها افزایش پیدا کند، سختی قائم جداساز بیشتر شده و رابطه نیرو–تغییرمکان رفتاری تقریباً خطی نشان می‌دهد. اما در برابر بارهای کششی، جداساز رفتار غیرخطی دارد. سختی کششی جداساز به‌مراتب کمتر از سختی فشاری آن است و با افزایش بار کششی، حفره‌هایی میان لایه‌های لاستیکی و صفحات فولادی ایجاد می‌شود که منجر به کاهش سختی قائم و ظرفیت باربری می‌گردد.

انواع جداگرهای لرزه‌ای

جداگرهای لرزه‌ای در انواع مختلفی تولید می‌شوند و بر اساس شرایط پروژه، نوع سازه، اهمیت ساختمان و سطح شتاب زمین انتخاب می‌گردند. در این قسمت به بررسی مهم ترین جداسازهای لرزه‌ای می‌پردازیم.

جداگر لغزشی

یکی از مهم‌ترین خانواده‌های این تجهیزات، جداگرهای لغزشی هستند که با تکیه بر مکانیزم لغزش کنترل‌شده، انتقال نیروهای لرزه‌ای به سازه را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهند. این گروه شامل انواع زیر است:

• جداساز لغزشی تخت
• جداساز آونگی اصطکاکی (FPB)
• جداساز اصطکاکی خالص (PF)

در ادامه، هر یک از این سیستم‌ها به‌صورت دقیق و علمی بررسی می‌شوند.

جداساز لغزشی تخت

جداساز لغزشی تخت یکی از ساده‌ترین انواع سیستم‌های جداساز لرزه‌ای است که بر پایه‌ی لغزش خالص عمل می‌کند. در این نوع جداگر، لغزش بین دو سطح صاف انجام می‌شود و رایج‌ترین ترکیب مصالح مورد استفاده عبارت است از:

• لایه‌ی PTFE (پلی‌تترافلوئوراتیلن – تفلون) توپر یا توخالی
• ورق فولاد ضدزنگ پرداخت‌شده به‌عنوان سطح لغزش مقابل

نیروی اصطکاک در این سیستم، عامل اصلی محدودکننده انتقال نیرو است و مقدار آن به عواملی مانند دمای محیط، سرعت لغزش، میزان تمیزی سطح، شرایط سایش، فشار قائم و زبری سطح وابسته است.

جداساز آونگی اصطکاکی

جداساز آونگی اصطکاکی یکی از پیشرفته‌ترین و قابل‌اعتمادترین انواع جداسازهای لرزه‌ای است. اساس عملکرد این سیستم، ترکیب لغزش کنترل‌شده و حرکت آونگی روی یک سطح کروی مقعر است. هنگام وقوع زلزله، لغزنده بر روی سطح مقعر حرکت می‌کند و رفتار سازه مشابه آونگ معکوس خواهد شد. این حرکت سبب ایجاد یک نیروی بازگرداننده طبیعی می‌شود که تمایل دارد سازه را به مرکز تعادل بازگرداند. میرایی نیز از طریق اصطکاک کنترل‌شده تأمین می‌گردد. در این سیستم، مرکز جرم و مرکز سختی منطبق باقی می‌مانند، در نتیجه پیچش سازه در اثر زلزله به حداقل می‌رسد. این ویژگی سبب شده جداساز آونگی اصطکاکی نسبت به جداسازهای لاستیکی در کنترل پیچش کارایی بیشتری داشته باشد.

جداساز اصطکاکی خالص

جداساز اصطکاکی خالص بر پایه‌ی لغزش کنترل‌شده بین دو سطح با اصطکاک ثابت عمل می‌کند. این جداگر بر خلاف جداساز آونگی، فاقد مکانیزم بازگرداننده است و تنها با ایجاد نیروی اصطکاک، انتقال نیرو به سازه را محدود می‌نماید. در واقع انرژی لرزه‌ای از طریق مستهلک شدن در نیروی اصطکاک جذب می‌شود و رفتار سیستم کاملاً وابسته به ضریب اصطکاک سطوح است. این نوع جداگر اغلب در سازه‌های بنایی و تاریخی مورد استفاده قرار می‌گیرد، جایی که هدف، بهبود عملکرد لرزه‌ای بدون اعمال تغییرات حجیم در سازه است. به همین دلیل، جداسازهای اصطکاکی خالص معمولاً زیر دیوارهای باربر یا ستون‌های آجری نصب می‌شوند تا امکان لغزش کنترل‌شده در هنگام زلزله فراهم شود.

جداسازهای الاستومتری

جداسازهای الاستومتری از قابل اعتمادترین و پرکاربردترین انواع جداسازهای لرزه‌ای هستند و در بسیاری از ساختمان‌ها و پل‌ها به‌کار می‌روند. ساختار این جداسازها شامل لایه‌های متناوب لاستیک طبیعی یا مصنوعی و ورق‌های فولادی است. ورق‌های فولادی ضمن افزایش سختی قائم، از کرنش جانبی بیش از حد لاستیک جلوگیری می‌کنند و باعث می‌شوند جداساز تحت بار ثقلی عملکرد مناسبی داشته باشد، در حالی که امکان جابه‌جایی افقی کنترل‌شده فراهم می‌شود. انواع جداسازهای الاستومتری شامل موارد زیر است:

• جداساز لاستیکی با میرایی کم (Low Damping Rubber Bearing)
• جداساز لاستیکی با میرایی زیاد (High Damping Rubber Bearing)
• جداساز لاستیکی با هسته سربی (Lead Rubber Bearing)

در ادامه به بررسی هر یک از این انواع می‌پردازیم.

جداساز لاستیکی با میرایی کم

جداساز لاستیکی با میرایی کم، یکی از رایج‌ترین انواع جداسازهای لرزه‌ای است. تفاوت اصلی آن با جداساز لاستیکی با میرایی زیاد در نوع لاستیک به‌کاررفته و ضریب میرایی ذاتی آن است. لاستیک مورد استفاده در این جداگر دارای میرایی پایین، معمولاً بین ۲ تا ۵ درصد میرایی بحرانی، است. این ویژگی باعث می‌شود که این جداسازها سختی قائم بسیار بالا و انعطاف‌پذیری افقی زیاد داشته باشند، به طوری که بارهای ثقلی را به‌خوبی تحمل کرده و امکان جابه‌جایی افقی کنترل‌شده را فراهم کنند. رفتار جداگر لاستیکی با میرایی کم، خطی-الاستیکی و پایدار است و پاسخ آن در طول زمان و چرخه‌های بارگذاری قابل پیش‌بینی است. با این حال، به دلیل میرایی پایین معمولاً توصیه می‌شود از دمپرهای جانبی تکمیلی همراه با بیس‌ایزولیشن استفاده شود تا انرژی اضافی زلزله به صورت مؤثر مستهلک شود و حفاظت سازه بهینه گردد.

جداساز لاستیکی با میرایی زیاد

جداساز لاستیکی با میرایی زیاد، یک نوع جداساز الاستومتری پیشرفته است که از لایه‌های متناوب لاستیک و فولاد ساخته می‌شود. تفاوت اصلی این جداساز با نمونه با میرایی کم در نوع لاستیک و اصلاحات شیمیایی آن است. لاستیک به‌کاررفته در این جداساز با مواد افزودنی ویژه مانند رزین‌ها، پلیمرهای تقویت‌کننده و دوده اصلاح می‌شود که موجب افزایش میرایی ذاتی تا ۱۰ تا ۲۰ درصد میرایی بحرانی می‌گردد. این مقدار میرایی بالا باعث می‌شود بخش قابل‌توجهی از انرژی زلزله در خود جداساز مستهلک شود و نیاز به استفاده از دمپرهای جانبی کاهش یابد.

به دلیل میرایی بالا، جداساز لاستیکی با میرایی زیاد می‌تواند تغییرمکان‌های افقی سازه را به حداقل برساند و عملکرد لرزه‌ای پایدار و قابل پیش‌بینی ایجاد کند. این ویژگی‌ها این سیستم را به گزینه‌ای مناسب برای ساختمان‌ها و سازه‌های حیاتی در مناطق با خطر زلزله شدید تبدیل می‌کند، جایی که کنترل تغییرمکان و کاهش نیروهای وارده اهمیت ویژه‌ای دارد.

جداساز لاستیکی با هسته سربی

جداساز لاستیکی با هسته سربی (LRB) نوعی جداساز الاستومتری پیشرفته است که یک هسته سربی در مرکز لایه‌های لاستیکی و فولادی قرار دارد. هسته سربی نقش مهمی در افزایش میرایی و اتلاف انرژی دارد و باعث می‌شود سازه در برابر نیروهای کوچک و ارتعاشات جزئی مانند باد یا لرزش‌های محیطی لغزش ناخواسته نداشته باشد.

در هنگام زلزله هسته سربی تحت بار جانبی اولیه مقاومت می‌کند و جلوی جابه‌جایی‌های کوچک را می‌گیرد. با افزایش بار، هسته سربی وارد مرحله تسلیم می‌شود و رفتار پلاستیک از خود نشان می‌دهد. این فرآیند موجب اتلاف انرژی هیسترزیس می‌گردد و بخش عمده انرژی لرزه‌ای در هسته مستهلک می‌شود. پس از تسلیم هسته سربی، لایه‌های لاستیکی وظیفه تأمین سختی جانبی و بازگرداندن سازه به موقعیت اولیه را بر عهده دارند.

ترکیب رفتار الاستیک لاستیک و میرایی پلاستیک سرب باعث می‌شود این جداساز انعطاف‌پذیری بالای سازه و افزایش تغییرمکان کنترل‌شده را فراهم کند، در حالی که نیروهای جانبی وارده به سازه به‌طور مؤثر کاهش می‌یابند. این ویژگی‌ها جداساز لاستیکی با هسته سربی را به گزینه‌ای مناسب برای ساختمان‌ها و پل‌های حیاتی و سازه‌های حساس به زلزله تبدیل کرده است.

جداسازهای هیبریدی

نوع دیگری از جداسازها، جداسازهای هیبریدی هستند که از ترکیب دو یا چند مکانیزم جداسازی در یک سامانه ساخته می‌شوند. این ترکیب امکان استفاده هم‌زمان از مزایای مکانیزم‌های مختلف را فراهم می‌کند و عملکرد لرزه‌ای سازه را بهبود می‌بخشد. از متداول‌ترین انواع جداسازهای هیبریدی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• الاستومتری همراه با مکانیزم لغزش: ترکیبی از لایه‌های لاستیک و ورق فولادی با قابلیت لغزش کنترل‌شده برای افزایش میرایی و کاهش نیروهای جانبی.
• ترکیب لاستیک + هسته سربی + اصطکاک: یک سیستم چندلایه که همزمان سختی جانبی، میرایی هیسترزیس و میرایی اصطکاکی را فراهم می‌کند.
• سیستم‌های دو آونگی (Double FPB): جداسازهایی با دو سطح لغزش و دو مکانیزم آونگی مستقل که کنترل تغییرمکان و میرایی را در زلزله‌های شدید بهینه می‌کنند.

این سیستم‌ها معمولاً در سازه‌های حساس و حیاتی استفاده می‌شوند و به دلیل ترکیبی بودن مکانیزم‌ها، عملکرد لرزه‌ای گسترده‌تر و قابل تنظیم‌تری نسبت به جداسازهای تک‌مکانیزم ارائه می‌دهند.

مزایا و معایب سیستم جداساز لرزه‌ای

سیستم‌های جداساز لرزه‌ای دارای مزایای متعددی هستند که موجب بهبود ایمنی، عملکرد و دوام سازه می‌شوند؛ از جمله:

• حفظ کاربری سازه حین وقوع زلزله و پس از آن
• افزایش زمان تناوب سازه و کاهش اثرات تشدید لرزه‌ای
• کاهش نیروهای لرزه‌ای وارد بر ساختمان تا بیش از ۶۰ درصد
• کاهش خسارات ناشی از زلزله و جلوگیری از آسیب‌های جدی
• کاهش حجم مصالح مصرفی و سبک‌سازی سازه
• کاهش نیاز به سیستم‌های باربر جانبی مقاوم در برابر زلزله
• افزایش ایمنی ساکنان
• افزایش طول عمر مفید سازه

علاوه بر مزایای فراوانی که جداسازی لرزه‌ای دارد، این سیستم دارای محدودیت‌ها و چالش‌هایی نیز هست؛ از جمله:

• هزینه اولیه بالا برای طراحی و نصب جداسازها
• نیاز به طراحی و محاسبات تخصصی
• محدودیت در برخی شرایط خاک و زمین
• نیاز به نگهداری و بازدید دوره‌ای برای حفظ عملکرد مناسب
• محدودیت در ساختمان‌های نامتقارن یا پلان پیچیده
• اجرای دقیق، باید توجه داشت که در ساختمان‌های دارای جداساز لرزه‌ای، اجرای صحیح بتن‌ریزی فونداسیون و جلوگیری از ایجاد درز سرد ضروری است.

سازه‌های ملزم به استفاده از جداساز لرزه‌ای

کاربرد اصلی بیس‌ایزولیشن یا جداسازی لرزه‌ای، کاهش اثرات مخرب زلزله بر سازه از طریق جدا کردن حرکت سازه از حرکت زمین است. مطابق نشریه ۵۲۳، برای ساختمان‌های زیر، مطالعه و بررسی برای انتخاب گزینه جداسازی لرزه‌ای بر اساس اهمیت و عملکرد سازه توصیه می‌شود:

• ساختمان‌های با اهمیت بالا: سازه‌هایی که عملکرد آنها پس از زلزله بحرانی است، مانند ساختمان‌های امدادرسانی و بیمارستان‌ها.
• ساختمان‌های دارای ارزش تاریخی و هنری: به عنوان گزینه‌ای در بهسازی لرزه‌ای سازه‌های تاریخی.
• بخش‌های اصلی شریان‌های حیاتی: مانند پل‌های مهم و نیروگاه‌ها.
• واحدهای تولیدی حساس: دارای تجهیزات یا محصولات گران‌قیمت یا راهبردی.
• سازه‌های با ریسک زیست‌محیطی بالا: جایی که آسیب احتمالی تهدید جدی برای محیط زیست محسوب می‌شود.