نقش بالشتکهای لرزهگیر کائوچوی طبیعی با میرایی بالا در محافظت از ساختمانها در مقابل زلزله
High Damping Natural Rubber Bearings in Earthquake Protection of Buildings
کائوچوی طبیعی با میرایی بالا بهطور مؤثری از سازهها در مقابل خسارتهای زلزله محافظت میکند.
زلزلههای کوبه ژاپن در سال ۱۹۹۵ و نورث ریج سال ۱۹۹۴ نشان دادند که ایزولاسیون پایه ساختمانها عملکرد بسیار خوبی دارد.
هرچند شبهجزیره مالزی استعداد لرزهخیزی کمی دارد، اما استان صباح واقع در شرقیترین نقطه مالزی استعداد لرزهخیزی دارد.
این پروژه اولین مورد ایزولاسیون پایه در استان صباح میباشد که در آن یک ساختمان با اسکلت بتنی ۲ طبقه توسط بالشتکهای لرزهگیر از جنس کائوچوی طبیعی با میرایی بالا، که در این مقاله به اختصار HDNR گفته میشود، مقاومسازی شده است.
نویسندگان: Kamarudin Abmalek و Andkamarul Baharain Basir
منبع: Malaysian Rubber Technology Developments، Vol. 2، No. 1، 2002
مترجم: ابوالقاسم قادری، کارشناس پلیمر
مقدمه
در طراحی ساختمانهایی با طبقههای کم تا متوسط و مقاوم در برابر زلزله، روش سنتی و مرسوم این است که استحکام کلی ساختمان را افزایش دهیم تا در هنگام وقوع زلزله از فروریختن ساختمان جلوگیری شود.
اما متأسفانه فرکانسهای حرکات تحریکی زلزله با فرکانس طبیعی ساختمان تقریباً برابر میباشد. این مسئله باعث تشدید و افزایش نیروی وارده به ساختمان میگردد.
وقتی فرکانس طبیعی سیستم با فرکانس طبیعی منبع تحریک به هم نزدیک شوند، سیستم به نحو چشمگیری مرتعش میشود و دامنه نیروی انتقالی به اوج میرسد و در نتیجه خسارتهای وارده به حداکثر مقدار خود میرسد.
بنابراین سیستمهای سنتی بهطور کلی نمیتوانند در این زمینه مؤثر باشند.
نظر به اینکه حرکتهای زمین در هنگام زلزله به صورت ارتعاشهای افقی میباشد، راهحل اساسی، ایزولاسیون همین ارتعاشها میباشد.
قرار دادن عضو لاستیکی در پی ساختمان باعث افزایش انعطافپذیری سیستم میگردد و از طرفی ساختمان را از زمین جدا میکند.
بدین جهت به این مکانیزم جداسازی از پی، ایزولاسیون پایه (Base Isolation) میگویند.
اصولاً ایزولاسیون پایه عبارت است از جداسازی ساختمان به وسیله بالشتکهای ساختهشده از کائوچوی طبیعی که نصب آنها بر روی صفحه ستونها باعث روان شدن حرکتهای افقی زمین و سازه میگردد.
این کار نه تنها ساختمان بلکه اموال و اجزای داخل آن را در هنگام زلزله محافظت میکند.
در حال حاضر پلها و ساختمانهای کشورهای زلزلهخیزی نظیر آمریکا، ژاپن، ایتالیا و نیوزلند توسط سیستمهای HDNR و نیز سیستم سربی ـ لاستیکی مقاومسازی شدهاند.
لرزهگیر کائوچوی طبیعی با میرایی بالا
عملکرد بالشتکهای کائوچوی تقویتشده با ورقهای فولادی
در زلزله کوبه ژاپن در سال ۱۹۹۵ و نورث ریج در سال ۱۹۹۴ بهطور واقعی عملکرد این بالشتکها مشاهده شد و نتیجههای خوبی از آنها گرفته شد و هیچگونه خرابی به بار نیامد.
در زلزله کوبه یک سری پلهایی که به وسیله ضربهگیرهای فولادی ساخته شده بودند، فرو ریختند.
بعد از پایان این زلزله شدید و مشاهده عملکرد عالی بالشتکهای لاستیکی، در کشور ژاپن تقاضا برای اجرای جداسازی پایههای ساختمان بهطور چشمگیری افزایش یافت.
بهطوری که قبل از زلزله ۵ درصد پلها جداسازی پایه شده بودند، ولی بعد از زلزله ۹۹ درصد این پلها به وسیله بالشتکهای لاستیکی تقویتشده با صفحههای فولادی جداسازی گردیدند.
مابقی سیستمهای فلزی قدیمی نیز تخریب و بالشتکگذاری شدند.
در سال ۱۹۷۶ هیأت لاستیک مالزی
در مورد طراحی سیستم مناسبی برای محافظت از ساختمانها در مقابل زلزله با دانشگاه برکلی در کالیفرنیا یک پروژه مشترک پژوهشی را شروع کرد.
این کار به ساخت ساختمان مرکز عدالت و حقوق فوتهیل (Foothill) در سن برناردینو کالیفرنیا در سال ۱۹۸۵ ختم شد.
این نخستین ساختمان در جهان است که به روش ایزولاسیون پایه و با بالشتکهایی از جنس کائوچوی طبیعی ساخته شده است.
این ساختمان در ۴ طبقه و با هزینه ۲۸ میلیون دلار ساخته شد و در پایههای فونداسیون آن تعداد ۹۸ عدد بالشتک لرزهگیر کائوچوی طبیعی به کار رفت.
انتظار میرود که این ساختمان تا ۸/۳ درجه ریشتر در مقابل زلزله آسیبی نبیند.
مواد HDNR یک آمیزه فرمولهشده از کائوچوی طبیعی است که میرایی آن حداقل ۱ درصد مقدار میرایی بحرانی میباشد.
از میان چند روش متعدد ایزولاسیون پایه که امروزه در حال انجام است، سیستم HDNR سادهترین و کمهزینهترین روش در کنار سیستمهای فلزی قدیمی میباشد.
ضمناً بالشتکهای HDNR نسبت به نوع دارای هسته سربی این مزیت را دارند که در ارتعاشهای افقی و عمودی پاسخ بهتری میدهند؛ یعنی عکسالعملشان در مقابل ارتعاشهای افقی و عمودی هر دو مناسب است.
برنامههای توسعه و اجرای پروژه
هیأت لاستیک مالزی اجرای یک سری برنامههای مداوم و انساندوستانه برای بالا بردن شناخت عموم مردم نسبت به مزیتهای بالشتکهای لاستیکی را شروع نموده است.
این برنامه با همکاری سازمان توسعه صنعتی ملل متحد (UNIDO) و پژوهشگاه تون عبدالرزاک وابسته به هیأت کائوچو مالزی در بریتانیای کبیر و انستیتو لاستیک مالزی بر روی سه پروژه جهت امکانسنجی و تولید این بالشتکها شروع شد تا از آنها بتوان در نقاط مختلف جهان برای جداسازی سازهها در ساختمانهای با کاربرد عمومی استفاده نمود.
به دنبال آن در سال ۱۹۹۳ هیأت لاستیک مالزی و سازمان یونیدو مشترکاً یک پروژه را تعریف کردند که هدف آن گسترش جداسازی با بالشتک لاستیکی در ساختمانهای مسکونی و مهم در کشورهای زلزلهخیز بود.
اولین پروژه، ساخت ۲ واحد ساختمان ۸ طبقه در شانتوی چین بود که در سال ۱۹۹۴ تکمیل شد.
دومین پروژه، یک ساختمان ۴ طبقه در کشور اندونزی بود که پایههای آن توسط بالشتکهای HDNR جداسازی شد.
سومین پروژه، مقاومسازی یک آپارتمان ۳ طبقه آجری قدیمی متعلق به سال ۱۹۹۶ در کشور ارمنستان بود که با عملیات ویژه، تعدادی بالشتک لاستیکی روی صفحه ستونهای آن کار گذاشته شد.
هرچند سرزمین مالزی در مقابل زلزله بسیار کمخطر است، اما با این وجود در جوار منطقه سوماترا و گسلهای سوماتراست که این منطقه دارای استعداد لرزهخیزی زیادی میباشد.
به عنوان نمونه، در تاریخ ۴ ژوئن … یک زلزله با شدت ۷/۹ ریشتر در آن رخ داد.
چنین شرایطی در مورد ایالت صباح واقع در شرقیترین نقطه مالزی نیز صدق میکند؛ چرا که این استان خیلی نزدیک به منطقه زلزلهخیز شمال فیلیپین شامل منطقه دریای سلو و تنگه مکاسار میباشد.
زمینلرزه ممکن است از فاصلههای طولانی هم اثرات مخرب داشته باشد. به عنوان مثال، زلزله ۱۹۸۵ مکزیک تا فاصله ۴۰۰ کیلومتری از مرکز زلزله اثرات مخرب به همراه داشت.
البته برعکس گاهی اوقات هم زلزله در فاصلههای کم بیخطر است. به عنوان مثال، زلزلههای نیوکاستل کشور استرالیا در سال ۱۹۹۱ و مهاراسترای هندوستان در سال ۱۹۹۳.
در مجموع احساس میشود که رفتار زلزله در مالزی مشخص نیست و باید احتیاط کرد.
بدین جهت در سال ۱۹۹۹ هیأت لاستیک مالزی تصمیم به ساخت دو ساختمان مشابه در استان صباح نمود که پایههای یکی از آنها توسط بالشتکهای لاستیکی HDNR جداسازی گردید.
محل پروژه در استان صباح بدین جهت انتخاب شد که در سال ۱۹۷۶ در این ناحیه یک زلزله ۵/۸ ریشتری رخ داده بود.
طراحی بالشتکها
در اکتبر سال ۱۹۹۹ هیأت لاستیک مالزی (MRB) و گروه مالزیایی … یک قرارداد برای ساخت دو ساختمان بتنی ۳ طبقه مشابه، در مرکز تحقیقات شرکت … در شهر … در استان صباح امضا نمودند.
پایههای یکی از ساختمانها توسط بالشتکهای لاستیکی HDNR جداسازی گردید و دیگری به روش سنتی با پایه گیردار ساخته شد.
در آنها ۵ دستگاه شتابسنج سهبعدی برای ثبت پاسخهای زلزله در محلهای مختلف نصب گردید.
شکل شماره ۱ ساختمان جداسازیشده به وسیله بالشتکهای لاستیکی را نشان میدهد.
شکل شماره ۲ تکمیلشده هر دو بنا را نشان میدهد که ساختمان سمت راست جداسازی پایه شده است.
مشخصات ساختمان و بالشتکها
دو گروه بالشتک شامل ۱۶ عدد سخت و ۱۲ عدد نرم، فرکانس طبیعی سیستم را به مقدار زیادی پایینتر از فرکانس غالب نگه میدارد.
در این پروژه فرکانس ایزولاسیون به مقدار حدود ۰/۵ هرتز در نظر گرفته شد.
ساختمان بر روی ۲۸ عدد بالشتک لاستیکی نصب شد که ۱۶ عدد از نوع سخت و در ستونهای مرکزی قرار گرفتند و ۱۲ عدد نوع نرم در ستونهای محیطی نصب گردیدند.
کلیه خواص فیزیکی و مکانیکی و مشخصات بالشتکها در جدولهای ۱ و ۲ به وضوح شرح داده شده است.
وجود صفحههای ضخیم فولادی در بالا و پایین بالشتکها جهت نصب آنها در محل مربوطه مورد نیاز میباشد.
این صفحهها از زیر به صفحه فونداسیون پایین و از بالا به صفحه فولادی ستون ساختمان پیچ شدهاند.
این روش اتصال، هزینه ساخت بالشتکها را کاهش میدهد و مرحلههای نصب را راحتتر میکند. ضمناً باعث میشود تا بالشتک در مواقع نیاز بهراحتی حرکت کند.
در شکلهای خیلی زیاد، این صفحهها به راحتی خم میشوند و کمک میکنند تا در بالشتک … هیدروستاتیک ایجاد نشود. این کشش میتواند باعث ایجاد حفره در لاستیک شود.
شرطهای لازم برای کارایی بالشتکهای جداسازی پایه
یکی از شرطهای لازم برای کارایی بالشتکهای جداسازی پایه این است که سختی افقی آنها به مقدار کافی پایین باشد؛ یعنی فرکانس طبیعی افقی ساختمان را در حد ۰/۵ هرتز و فرکانس طبیعی عمودی را در حد ۱۲/۴ هرتز نگاه میدارد.
فرکانس طبیعی عمودی حدود ۲۵ برابر فرکانس طبیعی افقی آن است.
بنابراین انتظار میرود که حرکات جنبشی و تکانخوردن ساختمان به حداقل برسد.
در نمودار شکل شماره ۳ مشاهده میشود که رفتار لاستیکهای مصرفی با میرایی بالا در این پروژه غیرخطی میباشد.
در نتیجه بالشتکها در دامنه نیروهای کم، مثل نیروهای باد، سخت و فاقد حرکت هستند.
این خود یک مزیت به ساختمان اضافه کرد، زیرا از جنبش در اثر نیروی باد جلوگیری گردید بدون آنکه ابزار خاصی مصرف شود.
نمودار شکل شماره ۴ مشخصه دمپینگ را برای کامپاند نرم و سخت استفادهشده در ساخت بالشتکها نشان میدهد.
مراحل ساخت و آزمون بالشتکها
قبل از تولید انبوه، ابتدا دو عدد بالشتک نمونه تولید شد.
این بالشتکهای نمونه از لحاظ ویژگیها و الزامهای طراحی و استانداردها مورد آزمون قرار گرفتند.
در شکل شماره ۵ یکی از بالشتکهای ساختهشده دیده میشود.
به یکنواختی لایههای کائوچو ـ فلز توجه کنید. ورقهای فولادی بهطور موازی و دقیق نسبت به همدیگر قرار گرفتهاند.
پس از موفقیت آزمونهای اولیه، تولید ۲۸ عدد ایزولاتور یا بالشتک اصلی شروع شد.
کل تعداد ۲۸ ایزولاتور مورد آزمایشهای غیرتخریبی قرار گرفتند.
شکل شماره ۶ روش تست برشی را که نیروی همزمان افقی و عمودی به بالشتک اعمال شده و تحت ۱۰۰ درصد تغییر شکل قرار گرفته، نشان میدهد.
نمونه آزمایششده بدین روش فاقد هرگونه زدگی، جمعشدگی و ایرادی بود.
سفتی برشی برای نمونه نرم … و برای نمونه سخت … مورد آزمون قرار گرفت و مقدار آن بالاتر از حداقل قابل قبول بود.
مقدارهای اندازهگیریشده بهطور متوسط … برای کل ۲۸ ایزولاتور نسبت به مقدار پیشبینیشده تلرانس داشت.
پس از انجام آزمونهای کامل روی نمونه اولیه و موفقیت کامل، تولید ۲۸ عدد ایزولاتور اصلی شروع شد.
ایزولاسیون پایه (Base Isolation) یک روش مؤثر و مفید برای محافظت از ساختمانها در مقابل زلزله است.
یک ساختمان ۳ طبقه در استان صباح به روش ایزولاسیون پایه با موفقیت اجرا گردید که این حرکت برای ملت مالزی امیدبخش بوده و آگاهی مردم را از ریسک زلزله افزایش میدهد.
بالشتکهای لاستیکی در … تولید و آزمایش گردیدند. این قطعهها مطابق مشخصات فنی خواستهشده بهراحتی و با هزینه کم نصب گردیدند.
تشکر و قدردانی
نویسندگان وظیفه خود میدانند از زحمات افراد زیر در مراحل طراحی و ساخت ایزولاتورها تشکر و قدردانی نمایند:
از مرکز تحقیقاتی تون عبدالرزاک Dr_ K.Fu11er
Dr_ A. Muhr
M. Ralalingam
Samsuddin Othman
Idris Mohamed
K. Raj andran
