جداسازها (Seismic Isolator) ، تجهیزات کنترل لرزه ای هستند که به منظور جدا کردن سازه و یا طبقاتی از سازه از زمین برای کاهش نیروی لرزه ای در زمان وقوع زلزله است. این جداسازی معمولا در سطوح نزدیک به پی سازه(یا در مورد پل‌ها بین عرشه و پایه) انجام می شود و دلیل آن این است که با تقسیم کردن سازه در این بخش، نیروی زلزله در تراز جداساز میرا میشود و از وارد شدن نیروی زلزله به سازه تا حد خیلی زیادی جلوگیری شده و سازه انرژی کمتری از زلزله دریافت کرده و احتمال خرابی تا حد زیادی کاهش می یابد. از دیگر تجهیزات کنترل لرزه ای می توان به میراگرها اشاره نمود که می توانید اینجا درباره آنها مطالعه کنید.
در روش جداسازی لرزه ای ، سازه بر روی تکیه گاه هایی که قابلیت تغییرشکل جانبی زیادی دارند قرار می گیرد. بعد از نصب جداساز لرزه ای در صورت وقوع زلزله ، تغییرشکل جانبی در تکیه گاه متمرکز شده و تغییر شکل نسبی طبقات بالای آن به شدت کاهش می یابد بنابراین سازه مانند جسمی صلب با تغییرشکل های کوچکی ارتعاش میکند.
نصب جداسازهای لرزه ای باعث کنترل جابه جایی نسبی در طبقات (دریفت) ، کاهش شتاب وارد به سازه، افزایش زمان تناوب و میرایی سازه میگردد و بدین ترتیب به جای تقویت ظرفیت باربری سازه، نیروی لرزه ای وارد به سازه را مستهلک میکنند. از جداسازها نمی توان فقط در بخشی از سازه بهره برد و باید در کل سازه قرار گیرند. چرا که وجود آن ها در بخشی از سازه عملا میزان جا به جایی های نسبی طبقات را تا حد زیادی تغییر داده و در بخشی از سازه جابه جایی کم و در بخش دیگر جا به جایی بیشتر اتفاق خواهد افتاد که وضعیت سازه را بدتر از حالت بدون جداساز خواهد کرد.
جداسازهای لرزه ای عموما به صورت زیر تقسیم بندی می شوند:
- جداساز اصطکاکی
- جداساز الاستومری یا لاستیکی (با میرایی کم و با میرایی زیاد)
- جداساز آونگ اصطکاکی (FPS)
- جداساز اصطکاک خالص (P-F)
- جداساز با پایه های اصطکاکی پس جهنده (R-FBI)
- جداساز با هسته سربی
- جداساز برمبنای لغزش
- جداساز الاستومری تقویت شده با الیاف (F-REI)
- و استفاده ی ترکیبی به صورت سری و موازی از این جداسازها
جداسازهای لرزه ای با توجه به این که اکثرا روی تراز فونداسیون قرار می گیرند در سازه های بلند، سازه های حساس یا سازه هایی که نیاز به بهسازی لرزه ای دارند کاربرد دارد از پروژه های اجرا شده در کشور می توان به ساختمان های برج مسکونی ویولت گاردن، ساختمان مدیریت بحران تربت حیدریه، پل ارتباطی مجتمع تجاری پالادیوم، بیمارستان امام حسین شهر کرمانشاه، بیمارستان عارفیان ارومیه و شهرک مسکونی پرند اشاره کرد.
جداسازهای لرزه ای الاستومتری :
این جداگرهای لرزه ای شامل ورق های فولادی و لاستیکی است که به صورت یک درمیان در کنار هم نگه داشته شده اند و عملکرد یکپارچه ای از خود بروز می دهند. جداگرهای الاستومریک به دو دسته کلی زیر تقسیم بندی میشوند:
- جداسازهای لرزه ای با میرایی کم (LDRB)
- جداسازهای لرزه ای با میرایی زیاد (HDRB)
تفاوت جداسازهای با میرایی بالا و پایین در نوع لاستیک (ضریب میرایی لاستیک) می باشد. این میراگرها باید با لاستیک طبیعی ساخته شوند. لایه های لاستیک باعث انعطاف پذیری جانبی تکیه گاه جداساز می شود. ورق های فولادی با افزایش سختی قائم در مقابل بارهای محوری بزرگ، از بروز کرنش جانبی لاستیک جلوگیری می کند. اما تاثیر زیادی بر سختی افقی سیستم که به وسیله مدول برشی پائین الاستومر کنترل میشود، نخواهند داشت. رفتار ماده در برش تا کرنش هایی بیش از ۱۰۰% کاملاً خطی بوده و میرایی آن در حدود ۲ تا ۳ درصد مقدار بحرانی می باشد.
جداسازهای لاستیکی در برابر نیروهای کششی مقاومت خوبی از خود نشان نمی‌دهند بنابراین برای سازه هایی که تحت اثر نیروی کششی قرار دارند گزینه مناسبی نبود.
از مزایای نشیمن های لایه ای الاستومری با میرایی پایین میتوان به ساخت آسان و سادگی مدلسازی آنها اشاره نمود. شایان ذکر است پاسخ مکانیکی این نوع نشیمن ها به اثر دما، تاریخچه و پیرشدگی بستگی ندارد. تنها عیب این نشیمن ها آن است که معمولاً به یک سیستم میراگر مکمل (اضافی) نیاز دارند. درسال ۱۹۸۲، شرکت انگلیسی مؤسسه تحقیقات سازندگان مالزیایی لاستیک، یک ترکیب لاستیک طبیعی ابداع کرد که میرایی ذاتی آن به حدی بود که نیاز به استفاده از اجزای میراگر اضافی را از بین برد. میرایی این ترکیب لاستیکی از افزودن بلوک های کربنی بسیار ریز، روغن ها یا رزین ها و سایر پرکننده های ویژه حاصل می شود.
جداسازهای لرزه ای با هسته سربی :
این نشیمن ها، نشیمن های لاستیکی لایه لایه ای مشابه نشیمن های لاستیکی با میرایی پائین بوده اما دارای یک یا چند هسته سربی هستند که در سوراخ هایی قرار گرفته اند. زمانیکه جداساز و هسته سربی در برش دچار تغییرشکل میشوند، سختی الاستیک سرب سختی اولیه را ارائه می دهد اما با افزایش بارجانبی هسته سربی تحت نیروهای نسبتا کم تسلیم میشود و تقریبا به طور کامل رفتار پلاستیک خواهد داشت و با جاری شدن خود سبب اتلاف انرژی هیسترزیس می گردد و از آن لحظه به بعد سختی الاستیک جانبی به تنهایی توسط لاستیک ارائه می شود. از ویژگی های این جداساز می توان به وجود یک سختی اولیه تحت بارهای جانبی پایین و انعطاف پذیری جانبی آن اشاره نمود. جداگرهای لاستیکی هسته سربی مزایای فرآوانی نسبت به سایر جداگرها دارند و مجهز به مکانیزم نیروی بازگرداننده پس از زلزله بوده و می توانند شتاب سازه را در کل سازه به صورت یکنواخت پخش کنند. این جداگرها مقاومت و سختی کافی در برابر بارهای جانبی سرویس (باد و نیروی ترمز …) را داشته و علاوه بر ساختمانها در پل ها نیز می توانند مفید واقع شوند. نشیمن های با هسته سربی در سال ۱۹۷۵ درنیوزلند اختراع شده و به طورگسترده ای در نیوزلند، ژاپن و ایالات متحده مورد استفاده قرار گرفته اند. سیستم های جداسازهای الاستومریک در ساخت ساختمان های انبوه ، به ویژه انبوه سازی مسکن ، می تواند کاربرد فراوانی داشته باشد.
جداسازهای لرزه ای الاستومری تقویت شده با الیاف (F-REI) :
ایده اساسی کاربرد الیاف به جای صفحات فولادی برای تقویت جداسازهای لرزه ای الاستومری از آنجا آغاز شد که کاربرد جداکننده های تقویت شده با صفحات فولادی برای ساختمان های مسکونی بسیار سنگین و گران تمام می شود، بطوریکه یک جداسازهای لرزه ای به تنهایی میتواند وزنی معادل ۱ تن یا بیشتر داشته باشد.
دریک جداسازهای لرزه ای لاستیکی عمده وزن آن ناشی از صفحات تقویت کننده فولادی است که به منظور افزایش سختی قائم جداساز در آن بهکار می رود. راه حلی که هم وزن و هم قیمت جداکننده ها را کاهش دهد، جایگزین کردن الیاف پلیمری به جای صفحات فولادی میباشد. در این روش پیشرفته و جدید از الیاف با سختی زیاد و مقاومت بالا استفاده می شود. از مزایای مهم این سیستم چسبندگی و پیوستگی الیاف با الاستومر است. کاهش وزن جداکننده با کاربرد الیاف به جای صفحات فولادی، هیچ تأثیری در میزان سختی الاستیک جداسازهای لرزه ای ندارد.
کِلی مطالعاتی برروی جداسازهای لرزه ای الاستومری تقویت شده با الیاف انجام داده است. او به کمک روش های تحلیلی خواص مکانیکی جداسازهای الاستومری چند لایه را که به جای صفحات فولادی با الیاف مسلح شده بودند، مورد مطالعه قرار داده است. در ایران نیز کوکبی و بهرامیان به منظور بررسی خواص و ویژگی های جداسازهای الاستومری تقویت شده با الیاف مطالعاتی در این زمینه انجام داده اند.
سیستم های جداسازهای لرزه ای بر مبنای لغزش :
این سیستم نوعی جداگر اصطکاکی است که پس از جداگر سربی یکی از پرکاربردترین جداگرهاست. نخستین و ساده ترین جداساز پیشنهاد شده، یک سیستم لغزنده خالص بوده است. این سیستم در سال ۱۹۰۹ به وسیله یک پزشک انگلیسی به نام کالانتارینتز پیشنهاد شده است. او پیشنهاد کرد که ساختمان به وسیله یک لایه تالک، از پی جدا شود. کالانتارینتز به خوبی دریافته بود که سیستم جداساز، شتاب های وارده به ساختمان جداسازی شده را به ازای تغییر مکانهای نسبی بین ساختمان و پی کاهش میدهد. سیستم های جداگرهای لغزشی در حال حاضر در دو نوع تک قوسی و دو قوسی مورد استفاده قرار میگیرد.
متداولترین مصالحی که برای نشیمن های لغزنده به کار میروند، پلی تترافلوئواتیلن (PTFE یا تفلون) توخالی یا توپر بر روی فولاد ضد زنگ میباشد. ویژگی های اصطکاکی این سیستم به دما، سرعت حرکت سطح مشترک، میزان سائیدگی و تمیزی سطح بستگی دارد. این تکیه گاه ها اغلب در پل ها مورد استفاده قرار میگیرند. با توجه به کاربری و شرایط تکیه گاهی پل ها انواع سیستم های تکیه گاهیی با قابلیت انتقال نیروهای افقی و قائم و یا با قابلیت دوران بین عرشه و پایه های پل وجود دارد.
سیستم جداسازهای لرزه ای با اصطکاک خالص (P-F) :
با وجود ضعف در عملکرد سازه های بنایی در زلزله های گذشته ساخت آنها به علت هزینه های کم همچنان بخصوص در روستاها متداول است. از این جهت فعالیت های زیادی با هدف اصلاح عملکرد آنها در برابر زلزله انجام گرفته که از جمله آنها ارائه سیستم P-F می باشد. از این سیستم بیشتر در سازه های بنایی و سنتی، برای بهبود عملکرد آنها در برابر زلزله استفاده میشود. در این روش با استفاده از مصالح دانه ای مانند شن و ماسه یا پودر گرافیت یا مواد دانه ای که توسط کارخانجات ساخته می شود مانند دلرین که نوعی پلیمر از جنس پلاستیک حرارتی است و دارای مقاومت باربری MPa36 است و یا ورقه هایی از جنس وینیل و یا حتی آسفالت با درصد اختلاط ویژه بصورت لایه لغزنده در زیر دیوارهای باربر و یا ستون های آجری استفاده می شود
سیستم جداسازهای لرزه ای با پایه های اصطکاکی پس جهنده (R-FBI) :
سیستمهای جداسازهای لرزه ای R-FBI اولین بار توسط پروفسور مستقل از دانشگاه یوتا معرفی شد. این نوع جداکننده ترکیبی از لایه های لغزشی همراه با هسته لاستیکی است. در طراحی نشیمن های جداسازی پایه ای اصطکاکی پس جهنده سعی شده که با استفاده از سطوح مشترک لغزنده متعدد در یک نشیمن، مشکل ضریب اصطکاک بالای تفلون بر روی فولاد ضد زنگ در سرعت های بالا حل شود. بنابراین سرعت بین بالا و پایین نشیمن بر تعداد لایه ها تقسیم شده و در نتیجه سرعت هر لایه آنقدر کوچک میشود که ضریب اصطکاک پائینی حاصل شود. علاوه بر المان های لغزنده، هسته مرکزی که از جنس لاستیک است، بار قائمی را حمل نکرده اما یک نیروی بازگرداننده در سیستم ایجاد میکند. آزمایش های صورت گرفته برروی این سیستم نشان میدهند که هسته لاستیکی مانع از تمرکز تغییر مکان در یک سطح مشترک خاص نمیشود، لذا برای رفع این مشکل از یک میله فولادی مرکزی در داخل هسته لاستیکی استفاده شده تا توزیع تغییر مکان بین لایه ها را بهبود بخشد.
سیستم جداسازهای لرزه ای با آونگ اصطکاکی (FPS) :
این سیستم به وسیله هندسه خاص خود، عمل لغزش و نیروی بازگرداننده را فراهم میکند. جداسازهای لرزه ای FPS دارای یک قسمت لغزنده مفصلی است که در تماس با سطح کروی است، با موادی با اصطکاک کم پوشانده شده است. سطح دیگر این لغزنده نیز کروی بوده و با لایه ای از فولاد ضد زنگ پوشانده شده است. این سطح در یک شیار کروی که آن هم از ترکیباتی با اصطکاک کم پوشانده شده است قرار میگیرد. با حرکت قسمت لغزنده روی سطح کروی، جرم موجود از روی آن بلند شده که این امر سبب ایجاد نیروی بازگرداننده در سیستم می شود. اصطکاک بین سطح لغزنده مفصلی و سطح کروی نیز سبب ایجاد میرایی در جداسازها میشود. سختی مؤثر جداساز و دوره تناوب سازه جداسازی شده به وسیله شعاع انحنای سطح محدب کنترل میشود.
در این جداسازها عملا مرکز سختی و مرکز جرم برهم منطبق خواهند شد زیرا سختی جداساز ناشی از اصطکاک می باشد که اصطکاک نیز تابعی از نیروی قائم بر سطح ناشی از جرم روی جداساز خواهد بود. در نتیجه عملا پیچش سازه حذف خواهد شد که مزیت بسیار بزرگ این جداسازها نسبت به جداسازهای لاستیکی می باشد. جداسازهای آونگی اصطکاكی را میتوان در سه نوع طراحی و توليد كرد:
- جداگرهای اصطکاكی آونگی ساده
- جداگرهای اصطکاكی آونگی دوگانه
- جداگرهای اصطکاكی آونگی سه گانه( سه آونگ را با هم بصورت سری بکار میگيرد)
