روش جداسازی پایه سازه ها، به عنوان یک روش کنترل غیرفعال پاسخ سازه ها در برابر زلزله ایده ای تقریباً قدیمی است که حتی در بناهای تاریخی ایران و چین و بعضی از بناهای سنتی شمال کشور نیز مشاهده شده است .به دنبال پیشرفت های فناوری و مطالعات انجام شده و به دلیل علاقه روزافزون برای استفاده از این سیستم به منظور کاهش صدمات ناشی از زمین لرزه‌ها، از اواسط دهه ۸۵ میلادی آیین نامه های کشورهای مختلف نیز شروع به ارائه ضوابط و توصیه هایی به منظور تحلیل و طراحی سازه های جداسازی شده نمودند. یکی از این آیین نامه‌ها، آیین نامه UBC است که به عنوان پراستفاده ترین آیین نامه به منظور طراحی سازه ها در برابر زمین لرزه در امریکا در ویرایش های مختلف خود ضوابطی را بدین منظور ارائه نموده است.
در این مطالعه به منظور ارزیابی ضابطه توزیع بار طراحی سازه های جداسازی شده در آخرین نسخه از این آیین نامه که در سال ۱۹۹۷ ارائه گردید و تاثیر مدلهای خطی و هیسترسیس جداسازها بر رفتار سازه، قاب هایی ۴ و ۸ طبقه با سیستم های جداگر خطی و غیرخطی (هیسترسیس) مد نظر قرار گرفتند. مدل های مذکور توسط روش استا تیکی معادل با سه توزیع بار مختلف مثلثی پیشنهادی آیین نامه، توزیع بار یکنواخت و توزیع بار ذوزنقه ای طراحی شده و سپس تحت شتاب نگاشتهای زلزله های السنترو، نورثریج (سیلمار) و سانتا مونیکا، تحلیل دینامیکی غیرخطی تاریخچه زمانی شدند. در طراحی مقاطع سعی شده است که نسبت تنش بین ۹۵ تا ۱۰۰ درصد حفظ شود. نتایج مورد بررسی در این تحلیل ها که شامل برش پایه، برش طبقات، نیروی طبقات، تغییر مکان کف ها، تغییر شکل نسبی طبقات برای ارزیابی رفتار واقعی این سازه‌ها بکار برده شدند.در مرحله بعدی به منظور بررسی عملکرد سازه های مذکور تحت زلزله طراحی پیشنهادی آیین نامه، نقاط عملکرد این سازه ها با استفاده از تحلیل فزاینده خطی (Pushover) بدست آمده و پاسخ سازه ها در نقاط عملکردی خود مورد بررسی قرار گرفتند.
با توجه بررسی انجام شده در این مطالعه نتیجه شده است که بطور کلی توزیع نیرو از روندی هلالی شکل در روسازه با سیستم جداگر هیسترسیس تبعیت می کند. اما مقدار نیرو در طبقه بالایی، هنگامیکه روسازه با بار مثلثی طراحی می شود، بیشتر از زمانی است که بار یکنواخت و ذوزنقه ای برای طراحی استفاده می گردد. در صورت تمایل به ساده سازی، نحوه توزیع نیرو درروسازه با جداگرهای خطی و هیسترسیس ، توزیع ذوزنقه ای شکل و نه مثلثی شکل می باشد.
تغییر مکان جداسازها نسبت به زمانیکه رفتار خطی دارند به مراتب بیشتر از زمانی است که رفتار هیسترسیس دارند، اما در هر حالت تفاوت تغییر مکان برای روسازه برای هر سه نوع توزیع بار طراحی، کم می باشد. در اکثر موارد، تغییر مکان نسبی طبقات مربوط به سیستم جداساز هیسترسیس کمتر از مقادیر مشابه برای سیستم جداساز خطی می باشد. در جداگرهای خطی تغییر مکان نسبی بام در رو سازه با توزیع مثلثی کمترین مقدار می شود. این در حالیست که در روسازه با جداساز هیسترسیس، تغییر مکان نسبی طبقات از روند منظمی پیروی نمی کند. در برخی حالات این مقدار برای بام روسازه با بار مثلثی طراحی، بیشتر می گردد که این امر با توجه به توصیه طراحی بار مثلثی آیین نامه که منجر به قوی تر شدن مقاطع بالای روسازه می گردد، مورد انتظار نیست.
رو سازه طراحی شده با توزیع بار مثلثی، شتاب بام بیشتری نسبت به روسازه با بار طراحی یکنواخت و ذوزنقه ای تجربه می کند .
اگرچه با توجه به توصیه طراحی توزیع بار مثلثی، انتظار عملکرد بهتری در طبقات بالاتر روسازه می رود، نشان داده می شود که استفاده از توزیع مثلثی همواره منجر به بهبود عملکرد طبقات بالایی رو سازه نمی گردد. بطور کلی با توجه به مطالعات انجام شده می توان نتیجه گرفت که تفاوت قابل ملاحظه ای در نحوه توزیع نیرو دربین روسازه ها با سه نوع مختلف توزیع بار طراحی، بویژه در سازه با سیستم جداساز خطی مشاهده نمی گردد.
روند توزیع برش در روسازه با سیستم جداساز هیسترسیس دارای یک برآمدگی می باشد. مقدار برش پایه در صورت استفاده از سیستم های هیسترسیس درمقایسه با سیستم های جداساز خطی کمتر می باشد.
همانطور که گفته شد روسازه ها با مدل های خطی و هیسترسیس جداگرها تحت سه شتاب نگاشت نامبرده قرار گرفتند و سپسس توزیع برش پایه، شتاب و تغییر مکان طبقات در آنها بررسی شد. حال این سوال مطرح می‌گردد که عملکرد سازه برای زلزله طراحی منطبق بر طیف طرح آیین نامه چگونه می باشد. بدین منظور از آنالیز استاتیکی غیرخطی استفاده شد تا نقطه عملکرد سازه ها در زلزله طراحی بدست آید و سپس پاسخ هر طبقه در نقطه عملکرد بدست می‌آید.
نوع و الگوی مفاصل پلاستیک در روسازه براساس دستورالعمل FEMA-273,356 با توجه به هندسه مقطع و نیروهای اعمال شده، تعیین می‌شود. نتایج حاصل از تحلیل Pushover نشان می دهند که برش پایه پیشنهادی آیین نامه در صورت استفاده از سیستم جداساز هیسترسیس محافظه کارانه بوده و در صورت استفاده از سیستم جداسازخطی دارای درجه محافظه کاری کمتر و برای روسازه چهار طبقه از دقت مطلوبی برخوردار می باشدکه این نتیجه تاییدی دیگر بر نتایج بدست آمده از تحلیل دینامیکی غیرخطی سیستم های مورد نظر بود. زیرا سیستم جداساز دوخطی باعث کاهش در مقدار برش پایه می گردد و چون کلیه روسازه ها در محدوده قابلیت استفاده بی وقفه باقی می مانند،با تقسیم نمودن نیروهای بدست آمده در نقطه عملکرد بر R پیشنهادی توسط آیین نامه ، نیروهای پیشنهادی توسط آیین نامه حاصل می شود، زیرا این نیروها از تامین سطح خطر و سطح عملکرد مورد نیاز آیین نامه و ظرفیت سازه بدست آمده اند.
با توجه به تمامی موارد مورد بررسی و توجه به این نکته که روسازه های فوق در تمامی حالات مورد بررسی در محدوده قابلیت استفاده بی وقفه بوده اند و با توجه به اینکه وزن سازه هنگامیکه از توزیع ذوزنقه ای شکل استفاده می گردد به نسبتی که از توزیع مثلثی شکل برای طراحی استفاده می گردد کاهش می یابد، بدین صورت که در طبقات بالایی مقاطعی سبکتر جایگزین مقاطع سنگین تر می گردد، به نظر می رسد استفاده از توزیع بار ذوزنقه ای شکل توزیع بار مناسب تری برای سازه های مورد بررسی باشد. اگرچه تفاوت در کاهش وزن در روسازه های مورد بررسی، کم می باشد، اما در مقیاس کلی اگر بصورت جامع بنگریم، هم اکنون در ژاپن، آمریکا، اروپا و بویژه در ایتالیا و نیوزلند روند استفاده از جداسازی برای طراحی لرزه ای به صورت فعالی پیگیری می شود. با افزایش ساخت ساختمان های جداسازی شده در مناطق لرزه خیز جهان، این کاهش در وزن هر چند اندک، می تواند موثر و باعث کاهش در هزینه گردد.
توزیع نیروی برش پایه در سازه های جداسازی شده لرزه ای/طاهری شیما
/توسط Arash Eslamiروش جداسازی پایه سازه ها، به عنوان یک روش کنترل غیرفعال پاسخ سازه ها در برابر زلزله ایده ای تقریباً قدیمی است که حتی در بناهای تاریخی ایران و چین و بعضی از بناهای سنتی شمال کشور نیز مشاهده شده است .به دنبال پیشرفت های فناوری و مطالعات انجام شده و به دلیل علاقه روزافزون برای استفاده از این سیستم به منظور کاهش صدمات ناشی از زمین لرزه‌ها، از اواسط دهه ۸۵ میلادی آیین نامه های کشورهای مختلف نیز شروع به ارائه ضوابط و توصیه هایی به منظور تحلیل و طراحی سازه های جداسازی شده نمودند. یکی از این آیین نامه‌ها، آیین نامه UBC است که به عنوان پراستفاده ترین آیین نامه به منظور طراحی سازه ها در برابر زمین لرزه در امریکا در ویرایش های مختلف خود ضوابطی را بدین منظور ارائه نموده است.
در این مطالعه به منظور ارزیابی ضابطه توزیع بار طراحی سازه های جداسازی شده در آخرین نسخه از این آیین نامه که در سال ۱۹۹۷ ارائه گردید و تاثیر مدلهای خطی و هیسترسیس جداسازها بر رفتار سازه، قاب هایی ۴ و ۸ طبقه با سیستم های جداگر خطی و غیرخطی (هیسترسیس) مد نظر قرار گرفتند. مدل های مذکور توسط روش استا تیکی معادل با سه توزیع بار مختلف مثلثی پیشنهادی آیین نامه، توزیع بار یکنواخت و توزیع بار ذوزنقه ای طراحی شده و سپس تحت شتاب نگاشتهای زلزله های السنترو، نورثریج (سیلمار) و سانتا مونیکا، تحلیل دینامیکی غیرخطی تاریخچه زمانی شدند. در طراحی مقاطع سعی شده است که نسبت تنش بین ۹۵ تا ۱۰۰ درصد حفظ شود. نتایج مورد بررسی در این تحلیل ها که شامل برش پایه، برش طبقات، نیروی طبقات، تغییر مکان کف ها، تغییر شکل نسبی طبقات برای ارزیابی رفتار واقعی این سازه‌ها بکار برده شدند.در مرحله بعدی به منظور بررسی عملکرد سازه های مذکور تحت زلزله طراحی پیشنهادی آیین نامه، نقاط عملکرد این سازه ها با استفاده از تحلیل فزاینده خطی (Pushover) بدست آمده و پاسخ سازه ها در نقاط عملکردی خود مورد بررسی قرار گرفتند.
با توجه بررسی انجام شده در این مطالعه نتیجه شده است که بطور کلی توزیع نیرو از روندی هلالی شکل در روسازه با سیستم جداگر هیسترسیس تبعیت می کند. اما مقدار نیرو در طبقه بالایی، هنگامیکه روسازه با بار مثلثی طراحی می شود، بیشتر از زمانی است که بار یکنواخت و ذوزنقه ای برای طراحی استفاده می گردد. در صورت تمایل به ساده سازی، نحوه توزیع نیرو درروسازه با جداگرهای خطی و هیسترسیس ، توزیع ذوزنقه ای شکل و نه مثلثی شکل می باشد.
تغییر مکان جداسازها نسبت به زمانیکه رفتار خطی دارند به مراتب بیشتر از زمانی است که رفتار هیسترسیس دارند، اما در هر حالت تفاوت تغییر مکان برای روسازه برای هر سه نوع توزیع بار طراحی، کم می باشد. در اکثر موارد، تغییر مکان نسبی طبقات مربوط به سیستم جداساز هیسترسیس کمتر از مقادیر مشابه برای سیستم جداساز خطی می باشد. در جداگرهای خطی تغییر مکان نسبی بام در رو سازه با توزیع مثلثی کمترین مقدار می شود. این در حالیست که در روسازه با جداساز هیسترسیس، تغییر مکان نسبی طبقات از روند منظمی پیروی نمی کند. در برخی حالات این مقدار برای بام روسازه با بار مثلثی طراحی، بیشتر می گردد که این امر با توجه به توصیه طراحی بار مثلثی آیین نامه که منجر به قوی تر شدن مقاطع بالای روسازه می گردد، مورد انتظار نیست.
رو سازه طراحی شده با توزیع بار مثلثی، شتاب بام بیشتری نسبت به روسازه با بار طراحی یکنواخت و ذوزنقه ای تجربه می کند .
اگرچه با توجه به توصیه طراحی توزیع بار مثلثی، انتظار عملکرد بهتری در طبقات بالاتر روسازه می رود، نشان داده می شود که استفاده از توزیع مثلثی همواره منجر به بهبود عملکرد طبقات بالایی رو سازه نمی گردد. بطور کلی با توجه به مطالعات انجام شده می توان نتیجه گرفت که تفاوت قابل ملاحظه ای در نحوه توزیع نیرو دربین روسازه ها با سه نوع مختلف توزیع بار طراحی، بویژه در سازه با سیستم جداساز خطی مشاهده نمی گردد.
روند توزیع برش در روسازه با سیستم جداساز هیسترسیس دارای یک برآمدگی می باشد. مقدار برش پایه در صورت استفاده از سیستم های هیسترسیس درمقایسه با سیستم های جداساز خطی کمتر می باشد.
همانطور که گفته شد روسازه ها با مدل های خطی و هیسترسیس جداگرها تحت سه شتاب نگاشت نامبرده قرار گرفتند و سپسس توزیع برش پایه، شتاب و تغییر مکان طبقات در آنها بررسی شد. حال این سوال مطرح می‌گردد که عملکرد سازه برای زلزله طراحی منطبق بر طیف طرح آیین نامه چگونه می باشد. بدین منظور از آنالیز استاتیکی غیرخطی استفاده شد تا نقطه عملکرد سازه ها در زلزله طراحی بدست آید و سپس پاسخ هر طبقه در نقطه عملکرد بدست می‌آید.
نوع و الگوی مفاصل پلاستیک در روسازه براساس دستورالعمل FEMA-273,356 با توجه به هندسه مقطع و نیروهای اعمال شده، تعیین می‌شود. نتایج حاصل از تحلیل Pushover نشان می دهند که برش پایه پیشنهادی آیین نامه در صورت استفاده از سیستم جداساز هیسترسیس محافظه کارانه بوده و در صورت استفاده از سیستم جداسازخطی دارای درجه محافظه کاری کمتر و برای روسازه چهار طبقه از دقت مطلوبی برخوردار می باشدکه این نتیجه تاییدی دیگر بر نتایج بدست آمده از تحلیل دینامیکی غیرخطی سیستم های مورد نظر بود. زیرا سیستم جداساز دوخطی باعث کاهش در مقدار برش پایه می گردد و چون کلیه روسازه ها در محدوده قابلیت استفاده بی وقفه باقی می مانند،با تقسیم نمودن نیروهای بدست آمده در نقطه عملکرد بر R پیشنهادی توسط آیین نامه ، نیروهای پیشنهادی توسط آیین نامه حاصل می شود، زیرا این نیروها از تامین سطح خطر و سطح عملکرد مورد نیاز آیین نامه و ظرفیت سازه بدست آمده اند.
با توجه به تمامی موارد مورد بررسی و توجه به این نکته که روسازه های فوق در تمامی حالات مورد بررسی در محدوده قابلیت استفاده بی وقفه بوده اند و با توجه به اینکه وزن سازه هنگامیکه از توزیع ذوزنقه ای شکل استفاده می گردد به نسبتی که از توزیع مثلثی شکل برای طراحی استفاده می گردد کاهش می یابد، بدین صورت که در طبقات بالایی مقاطعی سبکتر جایگزین مقاطع سنگین تر می گردد، به نظر می رسد استفاده از توزیع بار ذوزنقه ای شکل توزیع بار مناسب تری برای سازه های مورد بررسی باشد. اگرچه تفاوت در کاهش وزن در روسازه های مورد بررسی، کم می باشد، اما در مقیاس کلی اگر بصورت جامع بنگریم، هم اکنون در ژاپن، آمریکا، اروپا و بویژه در ایتالیا و نیوزلند روند استفاده از جداسازی برای طراحی لرزه ای به صورت فعالی پیگیری می شود. با افزایش ساخت ساختمان های جداسازی شده در مناطق لرزه خیز جهان، این کاهش در وزن هر چند اندک، می تواند موثر و باعث کاهش در هزینه گردد.