محافظت از پی : منشاء ، پیشرفت و توسعه آن

[anthonio montana 3249]

James M. Kelly

استاد امیریتوس ، مهندسی شهرسازی و محیط زیست

دانشگاه كالیفورنیا ، بركلی

در سال های اخیر ، محافظت از پی به شكل فزاینده ای ، تبدیل به یك تكنیك طراحی كاربردی در سازه ساختمان ها و پل ها در مناطقی كه در معرض زلزله قرار دارند ، گشته است.انواع گوناگونی از سازه ها با استفاده از این شیوه ساخته شده اند و بسیاری دیگر نیز در فاز طراحی قرار داشته و یا در حال ساخت هستند.اغلب ساختمان های تكمیل شده و آنهایی كه در حال ساخت هستند ، به شكلی از اسباب حفاظتی لاستیكی در سیستم های خود بهره می برند.

تفكر نهفته در پی مفهوم محافظت از پی ، بسیار ساده است.دو دسته سیستم حفاظتی وجود دارند.سیستمی كه در سال های اخیر به شكل گسترده ای مورد استفاده قرار گرفته است دارای این مشخصه است كه در آن از اسباب الاستومری استفاده شده است ، الاستومری كه از لاستیك طبیعی و یا نئوپرن ساخته شده است.در این شیوه ، ساختمان و یا سازه از مولفه های افقی زمین لرزه با استفاده از یك لایه واسط ، كه دارای سختی افقی پایینی است و در بین سازه و پی قرار دارد ، جدا می گردد.این لایه برای سازه یك بسامد بنیادی ایجاد می كند كه از بسامد پی پایین تر است و همچنین به مراتب از بسامد حاكم بر حركت زمین نیز كمتر است.نخستین لرزه های ایستای اعمال شده به سازه جداسازی شده ، تنها باعث دگردیسی سیستم جداسازی می گردند و سازه ای كه بر روی پی بنا گردیده است ، از هر حیث محكم و استوار خواهد ماند.لرزه های دارای قدرت بیشتر كه باعث دگردیسی سازه می گردند ، بر زاویه های موجود در وضعیت قبل و در نتیجه بر حركت زمین ، عمود هستند.این لرزه های قوی تر بر حركت كلی ساختمان تاثیر گذار نیستند ، چرا كه اگر انرژی بالایی در این بسامد های بالا در حركت زمین وجود دارد ، این انرژی به سازه منتقل نمی گردد.سیستم محافظت از پی ، انرژی موجود در زمین لرزه را جذب نمی كند ؛ بلكه آن را با استفاده از مكانیك حركتی سیستم ، منحرف می نماید.این نوع محافظت از پی ، تنها زمانی كه سیستم خطی است موثر واقع می گردد ؛ با این وجود ، كاهش میزان لرزه به كاهش تشدیدهای احتمالی بوجود آمده در بسامد حفاظتی كمك خواهد كرد.

شكل دوم سیستم های حفاظتی ، دارای این مشخصه هستند كه در آن از سیستم لغزش بهره برده شده است.این امر با استفاده از محدود كردن انتقال لرزه هایی كه در امتداد سیستم حفاظتی قرار دارند ، محقق می گردد.تعداد بسیاری سیستم لغزشی تا كنون پیشنهاد گردیده اند و برخی از آنها نیز مورد استفاده قرار گرفته اند.در چین ، حداقل سه بنا وجود دارند كه در آنها از سیستم لغزشی ای استفاده می گردد كه در آن ، از یك شن ویژه در داخل سیستم استفاده می گردد.یك سیستم حفاظتی كه مبتنی بر یك صفحه از جنس سرب-برنز است كه بر روی فولاد ضد زنگ در مجاورت یك لایه الاستومتریك می لغزد ، برای ساخت یك نیروگاه هسته ای در آفریقای جنوبی مورد استفاده قرار گرفته است.سیستم آونگ اصطكاك ، یك سیستم لغزشی است كه در آن از مواد واسط ویژه ای استفاده گشته است كه بر روی فولاد ضد زنگ می لغزند و برای ساخت پروژه های متعددی در آمریكا ، هم پروژه های جدید و هم پروژه های بازسازی ، مورد استفاده قرار گرفته اند.

[anthonio montana 3249]

تحقیقات در EERC تحقیقات بر روی توسعه اسباب مبتنی بر لاستیك طبیعی برای سیستم های حفاظتی مورد استفاده در ساختمان ها برای مقابله با زمین لرزه ، در سال ۱۹۷۶ در مركز تحقیقات مهندسی زلزله ( EERC ) ، كه اكنون به PEER یعنی مركز تحقیقات مهندسی پاسیفیك مشهور است ، در دانشگاه كالیفورنیا در بركلی آغاز گردید.برنامه تحقیقاتی اولیه ، ثمره تلاش مشتركی از EERC و اتحادیه تحقیقاتی تولید كنندگان لاستیك مالزی ( MRPRA ) بود.این برنامه توسط MRPRA و از طریق اعطا تعدادی كمك هزینه در خلال چندین سال تحقیق ، پشتیبانی مالی گردید كه بعدها توسط بنیاد ملی علوم و موسسه تحقیقات برق قدرت نیز ، حمایت مالی شد.استاد James M. Kelly این تحقیقات را كه با كمك های عملی و نظری فراوان دانشجویان كارشناسی ارشد و دكترا همراه بود ، در EERC رهبری نمود.

اگر چه این ایده در دوران خودش ایده كاملا بدیعی نبود – چرا كه پیش از آن ، شیوه های مبتنی بر نورد و یا لغزنده ها پیشنهاد شده بودند – ولیكن مفهوم محافظت از پی ، توسط بسیاری از صاحبنظران مهندسی سازه ، غیر عملی ارزیابی شده بود.این پروژه تحقیقاتی ، با استفاده از مقداری اسباب آلات دست ساز از جنس لاستیك كه در یك مدل ۲۰ تنی ، تك منظوره و سه طبقه مورد استفاده قرار گرفته بود ، آغاز گردید.آزمایش های لرزه نگاری حاكی از آن بودند كه اسباب آلات حفاظتی ، در مقایسه با طراحی های مرسوم ، با ضریبی در حدود ده برابر منجر به كاهش لرزه می گشتند و همانگونه كه انتظار می رفت ، مدل دارای ثبات بالایی بود و تمام دگردیسی صورت پذیرفته در مدل ، در سیستم حفاظتی آن متمركز می گشت.آشكار بود كه سیستم تا حدودی ، نیاز به كاهش میزان لرزه داشت و مقیاس مدل هم برای این كه امكان استفاده عملی از تركیبات لاستیك فراهم شود ، بسیار كوچك می نمود.

در سال ۱۹۷۸ ، نمود متقاعد كننده ای از مفهوم حفاظت با استفاده از یك مدل واقع گرایانه چند منظوره و پنج طبقه كه دارای وزنی بالغ بر ۴۰ تن بود و با استفاده از اسباب كاهنده ای كه بر اساس تكنیك های تجاری ساخته شده بود ، ارائه گردید.توجه اصلی در خلال این تحقیقات كه در EERC انجام پذیرفت ، بر روی تاثیر این تكنیك بر روی واكنش تجهیزات و سازه بود كه اغلب زمانی كه از شیوه های مرسوم در طراحی های مقاوم در برابر زمین لرزه استفاده می شود ، متحمل بیشترین میزان تخریب می گردند و در اكثر غریب به اتفاق ساختمان ها ، دارای ارزش بیشتری حتی در مقایسه با خود سازه هم هستند.یك سری آزمایش های جامع بر روی اسكلت ۵ طبقه ، نشانگر این بود كه حفاظت با استفاده از اسباب لاستیكی می تواند منجر به كاهش قابل توجه لرزه هایی گردد كه بر روی تجهیزات داخلی تاثیر گذار است و میزان این كاهش حاصله ، از كاهشی كه سازه موجب آن می گردد نیز ، بیشتر است.با این وجود ، همین آزمایش ها حاكی از این بودند كه زمانی كه عوامل اضافی ( از قبیل ابزار جاذب انرژی از جنس فولاد ، سیستم های اصطكاكی و یا اتصالات سربی ) به منظور كاهش میزان لرزه به سیستم حفاظتی اضافه گردیدند ، كاهشی در لرزه منتقل شده به تجهیزات مشاهده نگردید ؛ چراكه عوامل اضافه شده در لرزه های شدید ، واكنشی را به سازه القاء می كردند كه بر روی تجهیزات تاثیرگذار بود.آشكار گردید كه شیوه بهینه كاهش لرزه این است كه تغییرات لازم ، در تركیب لاستیك ایجاد گردد.این شیوه ، بعدها به تركیبی كه توسط MRPRA تولید گشت ، اعمال گردید و پس از آن از این تركیب در نخستین ساختمانی در آمریكا كه در آن از سیستم محافظت از پی استفاده شده بود و در زیر بدان اشاره شده است ، مورد استفاده واقع گشت.

ت

ولید اسباب لاستیكی نسبتا آسان است ؛ این اسباب آلات قسمت های متحرك ندارند ، گذر زمان بر روی آنها تاثیر گذار نیست و نسبت به تغییرات محیطی بسیار مقاومند.

آزمایش های صورت گرفته بر روی اسباب آلات مورد استفاده در ساختمان نمایشگاه مالزی.

این اسباب با استفاده از جوش برقی صفحات لاستیك به صفحات تقویت كننده نازكی از جنس فولاد ، ایجاد می گردند.از آنجا كه این اسباب در جهت عمودی دارای پایداری و استحكام بالا و در جهت افقی دارای انعطاف پذیری بالا هستند ، در شرایط زمین لرزه این لایه ساختمان را از مولفه های افقی حركت زمین جدا می سازد ، در حالی كه مولفه های عمودی تقریبا به شكل دست نخورده ای به سازه منتقل می شوند.اگرچه حركات عمودی بر اغلب ساختمان ها تاثیری نمی گذارند ، این اسباب حتی مانع از وارد شدن لرزه های عمودی ناخواسته ناشی از فركانس های بالا ، كه توسط مترو و رفت و آمد خودروها ایجاد می گردد ، به ساختمان می شود.این اسباب لاستیكی برای ساختمان های مستحكمی كه دارای هفت طبقه و یا كمتر هستند ، مناسب است.برای این نوع از ساختمان ها ، جابجا شدن این اسباب لاستیكی رخ نخواهد داد و وزش باد نیز بی اثر خواهد بود.

[anthonio montana 3249]

كاربرد های این شیوه در ایالات متحده

نخستین ساختمانی در ایالات متحده كه در آن از این شیوه استفاده گردید ، مركز حقوقی و قضایی انجمن های فوتهیل است كه مركزی است كه در بخش سن برناردینو و در شهر رانچو كوكامونگا واقع شده است و یك مركز ارائه خدمات حقوقی است كه دارای ارزشی بالغ بر ۳۰ میلیون دلار است و در ۹۷ كیلومتری ( ۶۰ مایلی ) شرق مركز لوس آنجلس قرار دارد.این ساختمان كه در سال ۱۹۸۵ كامل گشت ، دارای چهار طبقه ، یك زیرزمین سراسری و یك شبه-زیرزمین برای سیستم حفاظتی است كه مشتمل بر ۹۸ جداساز چندین لایه از جنس لاستیك طبیعی است كه با صفحات فولادی تقویت شده اند.ابر-سازه این ساختمان ، دارای اسكلتی فولادی است كه در آن ، اغلب اتصالات با بست تحكیم شده اند.

مركز حقوقی و قضایی انجمن های فوتهیل

این ساختمان در ۲۰ كیلومتری ( ۱۲ مایلی ) گسل سن آندریاس واقع گردیده است.بخش سن برناردینو ، كه نخستین بخشی از ایالات متحده است كه دارای یك برنامه جامع آمادگی در برابر زمین لرزه است ، تقاضا نموده است كه این ساختمان طوری طراحی گردد كه توانایی تحمل ۳ . ۸ ریشتر زلزله را داشته باشد ، كه این میزان بیشترین میزان لرزه محتمل برای آن منطقه است.طرح برگزیده برای سیستم حفاظتی ، كه در آن بیشترین میزان پیچش نیز لحاظ شده بود ، بیشترین تغییر مكان افقی را برای جداساز های نصب شده در چهار گوشه ساختمان ۳۸۰ میلی متر ( ۱۵ اینچ ) در نظر گرفته بود.آزمایش انجام گرفته بر روی ابزارآلات نمونه كه دارای مقیاس های واقعی بودند موید این ظرفیت بودند.

لاستیك های طبیعی فشرده كه از آنها در ساخت جداساز ها استفاده شده است و در برنامه تحقیقاتی eerc بر روی آنها بررسی های جامعی صورت گرفته است ، دارای خصوصیات مكانیكی هستند كه آنها را برای سیستم محافظت از پی ، ایده آل ساخته است.بیشترین میزان سختی این لاستیك تحت فشار های پایین ، بالا است ولی این متغیر با افزایش میزان فشار ، با ضریبی در حدود چهار و یا پنج برابر كاهش می یابد تا در نهایت در فشاری در حدود ۵۰ درصد ، به حداقل مقدار می رسد.تحت فشارهای بیشتر از ۱۰۰ درصد ، میزان سختی مجددا رو به كاهش می گذارد تا در نهایت تحت فشار بسیار بالا ، از لحاظ كاركرد با شكست مواجه می گردد.میزان كاهش لرزه نیز از همین الگو پیروی می كند ؛ ولی میزان كاهش كارآیی آن دارای روند بطیع تری است ، یعنی در ابتدا از مقدار اولیه ۲۰ درصد شروع شده و روندی نزولی را طی می نماید تا به كمترین مقدار خود یعنی ۱۰ درصد می رسد و پس از آن رو به افزایش می گذارد.در طراحی این سیستم چنین فرض می شود كه كمینه مقداری برای سختی و كاهش لرزه وجود دارند و فرایند واكنش سیستم دارای رفتاری خطی است.بیشینه میزان اولیه سختی ، تنها برای طراحی ای كه در آن فشار باد در نظر گرفته شده است و واكنش بیشینه فشار ، تنها برای زمانی كه كه كاركرد با شكست مواجه شده است لحاظ می شوند.

سیستم لاستیكی كاهنده لرزه ، همچنین در ساختمان كنترل و فرماندهی اداره آتش نشانی بخش لس آنجلس كه در سال ۱۹۹۰ تكمیل گردید ، مورد استفاده قرار گرفته است.( شكل یكسانی از اسباب لاستیكی كاهش دهنده لرزه برای شركت تلفن ایتالیا ، s.i.p در آنكونا در كشور ایتالیا مورد استفاده قرار گرفته است ، كه نخستین بنایی در اروپا است كه در آن از سیستم محافظت از پی استفاده شده است. ).ساختمان fccf جایگاه سیستم های رایانه ای است كه برای خدمات اضطراری بخش بكار می روند و از این رو ، باید حتی پس از یك رخداد غیرمنتظره نیز قادر به برآورده كردن توقعاتی كه از آنها می رود ، باشند.

ساختمان كنترل و فرماندهی اداره آتش نشانی

تصمیم به استفاده از سیستم محافظت از پی از آنجا آغاز گردید كه ، مقایسه ای مابین طرح های مرسوم برای حفاظت از ساختمان و سیستم محافظت از پی انجام گرفت.در برخی پروژه ها ، طرح سیستم های حفاظتی پنج درصد هزینه برتر بود.نتنها در این مورد طرح محافظت از پی شش درصد ارزان تر تخمین زده شد ، بلكه برای تمام بناهای دیگری كه نیازمند همین مقدار حفاظت در برابر لرزه هستند نیز ، هزینه ها پایین تر هستند.علاوه بر این ؛ این هزینه ها ، هزینه های اولیه هستند.هزینه های نگهداری این سیستم ، آنرا مطلوب تر نیز می نمایند.شایان توجه است كه ، طراحی های مرسوم تنها دربرگیرنده كمینه میزان حفاظت هستند ، یعنی تا آن میزان كه سازه ویران نگردد ؛ در حالی كه طرح سیستم محافظت از پی میزان حفاظت بیشتری را برای سازه در نظر می گیرد