مقدمه ای بر ساختمان های چند طبقه جداسازی شده

مثال هایی از سیستم های جداسازی شده موجود

در سال های اخیر، به ویژه پس از زلزله کوبه در ژاپن، استفاده از سیستم های جداساز در ساختمان های چند طبقه افزایش زیادی یافته است که  و به طور کل در تمامی مناطق زلزله خیز استفاده از این تکنولوژی در حال افزایش است. به عنوان مقدمه توصیفی از اولین کاربردهای سیستم جداساز و مزایای آن در این مطلب ارائه شده است تا بیانگر نمونه ای از ساختمان هایی که از این سیستم استفاده کرده اند و در هزینه آن ها صرفه جویی شده و دارای بازدهی بالایی هستند، باشد.   

بیمارستان دانشگاهی USC

این ساختمان 8 طبقه که در شکل 1 نشان داده شده  به عنوان یک ساختمان بیمارستانی آموزشی توسط دانشگاه کالیفرنیای جنوبی استفاده شده است. این ساختمان در برابر نیروهای لرزه ای توسط سیستم قاب محیطی فولادی تجهیز شده و هم چنین به میراگر های LRB و NRB نیز تکیه یافته است. طراحی لرزه ای بر اساس طیف پاسخ 0.4g انجام شده و همچنین به دلیل اثرات حوزه نزدیک به مقدار 20 درصد تشدید یافته است. تصمیم به استفاده از سیستم های میراگر در فاز مقدماتی طراحی پروژه انجام شده است. در فاز مطالعاتی مقایسه هزینه ساخت برای سازه های با تراز پایه ثابت و  همچنین  سازه های جداسازی شده انجام شده و مزایای استفاده از جداساز های لرزه ای برای این ساختمان دارای چندین طبقه(چندیدن درجه آزادی) برای تیم محاسب سازه روشن گردیده است.

(شکل1-ساختمان پزشکی کک) 

در طی این بررسی ها این مسئله مشخص شد که صرفه جویی اقتصادی که در قاب سازه انجام می شود برای پرداخت هزینه های کف سازه قرار گرفته در تراز پایه(کف پایه) و سیستم جداساز کفایت می کند. هزینه اضافه شده برای جزییات مکانیکی و معماری برابر با 1.3 درصد بوده و 1.4 در صد صرفه جویی دراستفاده از دیوار حائل کوبیده شده در خاک که در ساختمان های با سیستم جداساز استفاده می شود که در برابر دیوار های حائل که در ساختمان های معمولی که مجهز به این سیستم نیستند، استفاده می شود، حاصل شده است. 

در مطالب قبل رفتار دینامیکی ساختمان های یک طبقه دارای سیستم جداساز را بررسی کردیم. در ادامه به بررسی تحلیل ساختمان های چند طبقه مجهز به سیستم جداساز می پردازیم. 

ساختمان های چند طبقه جداسازی شده 

در مطالب قبل با مطالعه دینامیک ساختمان یک طبقه توانستیم دلایل اثربخشی و کارامدی سیستم های جداساز لرزه ای را درک کنیم. در این مطلب و مطالب آینده قصد داریم تا این مسئله را که چگونه سیستم جداساز رفتار دینامیکی ساختمان چند طبقه را تحت تاثیر قرار می دهد، بررسی کنیم. همانند قبل رفتار سیستم را خطی فرض می کنیم و خواهیم دید مفاهیم کلیدی حاکم بر رفتار جداساز، که با بررسی بر روی دینامیک ساختمان یک طبقه تعیین شد، بر روی سیستم های چند طبقه نیز تعمیم می یابد.

سیستم در نظر گرفته شده و پارامتر های نظیر

ساختمان N طبقه جداسازی شده که قرار است بر روی آن مطالعه کنیم، به صورت یک مدل ایده آل(آرمانی) در شکل 2 نشان داده شده است. بر روی تراز پایه ثابت، این سیستم با ماتریس جرم m_f، ماتریس میرایی c_f، و با ماتریس سختی  k_f، که توسط روش های گفته شده در مطالب گذشته تعیین می شوند، تعریف می گردد. زیر اندیس f به معنای تراز پایه ثابت یا عدم وجود سیستم جداساز می باشد. در صورتی که جرم سازه به صورت متمرکز در تراز طبقات همانند شکل 21.41 فرض شود، m_f یک ماتریس قطری که المان های قطری آن  m_jj=m_j، که جرم های متمرکز شده در در طبقه jام هستند، می باشد. جرم کل ساختمان برابر (M=Ʃ(mj  می باشد. زمان های تناوب طبیعی و مد های ارتعاش سیستم  با تراز پایه ثابت به ترتیب با اسامی T_nf و Φ_nf  مشخص می شود که n=1,2…,N می باشد. میرایی در سازه از نوع کلاسیک فرض می شود و توسط نسبت های میرایی مدی ξ_nf  تعیین می شود. n=1,2,…,N

(شکل2-a-ساختمان N طبقه با تراز پایه ثابت، b-ساختمان N طبقه جداسازی شده)

همان طور که در شکل 2 نشان داده می شود ساختمان N طبقه بر روی کف پایه با جرم m_b استقرار یافته است، که بر روی سیستم جداساز با سختی جانبی k_b و میرایی ویسکوز خطی استقرار یافته است.  دو پارامتر T_b و ξ_b معرفی شدند تا توسط آن ها ویژگی های یک سیستم جداساز تعیین شود. 

(معادله 1)

همانند گذشته، ممکن است T_b  به عنوان زمان تناوب طبیعی ارتعاش و ξ_b به عنوان نسبت میرایی سیستم جداساز معرفی می شود.(به صورتی که ساختمان به صورت صلب فرض می شود). به این دلیل که سیستم جداساز برای کاهش نیروهای القایی زلزله در ساختمان موثر باشد، T_b می بایست دارای مقداری بیشتر از T_1f، زمان تناوب اصلی ساختمان با تراز پایه ثابت باشد. 

ساختمان N  طبقه بر روی سیستم جداساز یک سیستم  (N+1) درجه آزادی با میرایی غیر کلاسیک است، زیرا که میرایی در سیستم جداساز معمولا بیشتر از میرایی موجود در ساختمان است. ماتریس‌های جرم، سختی و میرایی از مرتبه N+1  برای سیستم ترکیبی به ترتیب با اسامی m، k، و c شناخته می شوند. 

روند تحلیل 

توسط جنبش زمین که با طیف طراحی مشخص می شود، روش RSA که در مطالب آتی به تفضیل پرداخته می شود، برای تحلیل دو سیستم استفاده می شود: 

(1)ساختمان قرار گرفته بر روی تراز پایه ثابت.

(2) سازه یکسان که بر روی سیستم جداساز استقرار یافته است. 

برای اعمال روش RSA بر روی سازه جداسازی شده به دلیلی میرایی غیر کلاسیک سازه های متداول سیستم های جداساز از هم بستگی معادلات مدی صرفنظر می شود. نسبت های میرایی مدی سازه جداسازی شده توسط معادله 21.2.4  نشان داده شده است.

 بر روی دو کمیت پاسخ متمرکز می شویم: برش پایه موجود در ساختمان و تغییر مکان تراز پایه(یا تغییر شکل جداساز).

پاسخ های بیشینه در اثر مد n ام ارتعاش با استفاده از معادله 21.2.6 تعیین می شود و این پاسخ های بیشینه مدی توسط روش SRSS ترکیب می شوند. نتایج چنین تحلیل هایی در مطالب آتی بررسی خواهد شد. 

منبع: 

«دپارتمان سازه سامانه کارگشا»

دینامیک سازه ها-چوپرا-ویرایش 4

راهنمای طراحی لرزه ای – فرزاد نعیم- فصل 14

————————————————————————————————————————————–

برای بهره مندی از خدمات محاسبات طراحی سازه‌های مجهز به سیستم جداساز لرزه‌ای درخواست خود را در لینک زیر ثبت نمایید.

(مشاوره آنلاین دپارتمان سازه سامانه کارگشا)