جداسازی پایه

معمولاً طراحی لرزه‌ای سازه‌ها بر مبنای افزایش ظرفیت مقاومت در برابر زلزله انجام می‌شود. به عنوان نمونه، از دیوار برشی، بادبند و قاب خمشی استفاده می‌شود. این روش‌‌ها معمولاً منجر به شتاب طبقات زیاد در ساختمان‌های با سختی بالا و یا تغییرمکان نسبی زیاد طبقات در ساختمان‌های با سختی کمتر می‌شود. به همین سبب محتویات ساختمان و عناصر غیرسازه‌ای در معرض آسیب‌های زیاد در حین زلزله‌های شدید هستند، حتی اگر سازه بدون آسیب بماند. این امر برای ساختمان‌هایی که محتویات آن اهمیت بیش از سازه را دارد، قابل پذیرش نیست. به عنوان مثال، کارخانه‌هایی که محصولاتی با دقت بالا تولید می‌کنند و تجهیزات گران قیمت و حساس دارند، را می‌توان نام برد. همچنین بیمارستان‌ها، ایستگاه پلیس، آتش‌نشانی و مراکز مخابراتی مثال‌هایی هستند که باید بلافاصله پس از زلزله قابل بهره‌برداری باشند.
به منظور کاهش تغییرمکان نسبی طبقات در کنار کاهش شتاب کف طبقات، ایده جداسازی پایه مطرح گردیده است. جداسازی پایه همچنین به عنوان یک سیستم کنترل غیرفعال که می‌تواند نیروی وارده از زمین را فیلتر یا کاهش دهد، طبقه‌بندی می‌شود.
جداسازی پایه را می‌توان با استفاده از ابزاری که بین ساختمان و فونداسیون نصب و حرکت سازه را از زمین مجزا می‌کند به کار گرفت. همچنین می‌توان به جای کل سازه، بخشی از آن یا حتی تجهیزات موجود در آن را از نگهدارنده آنها جدا نمود.
روش جدا سازی پایه از صد سال پیش شناخته شد و در سی سال گذشته کاربرد روز افزونی در مناطق لرزه خیز جهان از جمله ژاپن، نیوزیلند، آمریکا، چین و حتی ترکیه و ارمنستان یافته است. این روش سبب میشود که ساختمان به صورت جسمی یکپارچه و تا حدود زیادی مجزا از زمین عمل نمایند. در این سیستم برخلاف سیستمهای متداول بیشتر تغییر مکانها در تراز جداساز ایجاد میشوند و تغییر مکان نسبی طبقات فوقانی به حداقل می رسد به این ترتیب، روش جداسازی پایه برای دو گروه از ساختمانها که در آنها تغییر مکان نسبی طبقات مهم است، بسیار مناسب تلقی می شود:
1- ساختمانهایی که در آنها ناچیز بودن تغییر مکان طبقات از اهمیت بالایی برخوردار است ساختمانهایی که در حین زلزله و بعد از آن می بایستی بهره برداری خود را ادامه می دهند و مراکز امدادی و آتش نشانی از این جمله هستند. در این ساختمانها عدم خسارت سازه از یک سو و بروز نکردن مشکل در تاسیسات و تجهیزات از سوی دیگر اهمیت دارد.
2- ساختمانهایی که در برابر زلزله آسیب پذیر ارزیابی شده اند ولی امکان بهسازی در طبقات یا محدود است یا عملاً امکان پذیر نیست. ساختمانهای تاریخی، که نمی توان در اجزای آن در طبقات تغییری ایجاد کرد، از این جمله می‌باشند.
به طور کلی دو نگرش در جداسازی پایه قابل بکارگیری می‌باشد:
نگرش اول استفاده از جداسازهایی با سختی جانبی کم و سختی قائم زیاد است که پریود سازه را به نحو موثر افزایش می‌دهد و از محدوده پرشتاب طیف دور می‌کند. نشیمن‌های الاستومری از این دسته می باشند که از لایه‌های متناوب لاستیک و ورق فولادی تشکیل شده‌اند. این نشیمن‌ها از سختی جانبی کم و سختی قائم مناسب برخوردار هستند. تغییرشکل جانبی آنها این امکان را فراهم می‌کند که نیروی برشی انتقال یافته به سازه به نحو موثر کاهش یابد که ناشی از افزایش پریود سازه است. این نشیمن‌ها باید صلبیت لازم جهت عملکرد مناسب تحت اثر نیروهای باد و زلزله‌های خفیف را داشته باشند. عملاً کاهش نیروها در سازه به بهای تغییرمکان‌های زیاد در تراز جداسازها اتفاق می‌افتد. اگر میرایی ذاتی به این نشیمن‌ها معرفی شود می‌توان از این تغییرمکان‌های زیاد کاست. یک راهکار استفاده از هسته سربی در نشیمن می‌باشد. روش‌های دیگر مانند میراگر هیدرولیک، فنر فولادی و میراگر ویسکوز نیز برای افزایش این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرند.
نگرش دیگر برای افزایش انعطاف‌پذیری سازه، تأمین سطح لغزشی یا اصطکاکی بین فونداسیون و پایه سازه می‌باشد. نیروی برشی انتقال یافته به روسازه محدود به نیروی اصطکاکی استاتیکی می‌باشد که حاصل ضرب ضریب اصطکاک و وزن ساختمان می‌باشد. ضریب اصطکاک در عمل به پایین‌ترین حد ممکن محدود می‌شود. اگرچه، این نیرو باید به قدری باشد که امکان تحمل باد و زلزله‌های خفیف را بدون لغزش فراهم نماید. یکی از مسائل خاص این سیستم تغییرشکل‌های پس‌ماند پس از وقوع زلزله‌های قوی می‌باشد. روش غلبه به این مشکل، استفاده از سطوح مقعری است که امکان بازگشت به حالت اولیه را فراهم می‌کنند. این ایده در بیشتر ابزار اصطکاکی مورد استفاده قرار می‌گیرد که به سیستم پاندول اصطکاکی (FPS) معروف هستند. برای اطمینان به برگشت جداساز به حالت اولیه، در کنار این ایده، می‌توان از مکانیزم‌هایی مانند فنر با کشش بالا و نشیمن‌های الاستومر، به عنوان ابزار کمکی استفاده نمود. جداسازی اصطکاکی با موفقیت در نیروگاه‌ها، مخازن آب آتش‌نشانی اضطراری، مخازن ذخیره‌سازی مواد شیمیایی و سازه‌های مهم دیگر استفاده شده است.
با بهره گیری از جداسازهای پایه، نیروهای ناشی از زلزله روی ساختمان به شدت کاهش می یابد. به این ترتیب سازه ساختمان نسبت به حالت عادی سبکتر خواهد بود و پیش بینی جزئیات پیچیده لرزه بر در آن تا حدود زیادی کاهش می یابد.
در ساختمانهای مهم که کنترل موثر تغییر شکلهای ناشی از زلزله اهمیت بالایی دارد برای محدود ساختن تغییرشکل‌های نسبی سازه در شرایط متعارف استفاده از سیستمهای سخت مانند دیوار برشی و بادبند ضروری است. همچنین تیرها، ستونها و اتصالات آنها باید ضوابط شکل پذیری را داشته باشند. در ساختمانهای بتنی ضوابط شکل پذیری شامل آرماتورگذاری ویژه تیرها، ستونها و گره ها می باشد. همچنین تامین مقاومت کافی برای کلیه اعضا الزامی می‌باشد. در صورت استفاده از سیستم‌های جداساز لرزه‌ای تغییرشکل‌ها در تراز جداسازی متمرکز شده و در طبقات به حدود صفر می‌رسند و نیاز به دیوار برشی و مهاربندی برای کنترل تغییر شکل های جانبی از بین می‌رود.
همچنین در سیستمهای مهاربندی و دیوار برشی، ستونهای مجاور این سیستمها نیروی محوری زیادی را در هنگام زلزله تجربه می کنند. به این ترتیب تشکیل نیروی برکنش (uplift) از یک سو و نیروهای فشاری زیاد از سوی دیگر موجب نیاز به تقویتهای زیاد در تراز فونداسیون می شود. به این ترتیب فونداسیون جزئیات سنگین و هزینه بر از جمله اجرای شمع دارد. در صورتی که جداسازی لرزه‌ای تمام موارد فوق را کنترل و تقویت‌ها را محدود می‌نماید.
به طور کلی اکثر سیستم‌های جداساز دارای رفتار غیرخطی در تعریف رابطه نیرو- تغییرمکان هستند. اگرچه برای طیف گسترده‌ای از سازه‌ها، یک تحلیل خطی از سازه جداسازی شده می‌تواند دید خوبی از رفتار دینامیکی این سازه‌ها فراهم نماید. در این روش روسازه به صورت خطی مدل می‌شود و حتی گاهی یک سازه یک درجه آزادی (SDOF) در نظر گرفته می‌شود. نشیمن الاستومر به صورت ترکیب فنر خطی و میراگر الاستومر مدل می‌شود و سطح لغزنده به صورت سطح صاف که از قواعد اصطکاک استاتیکی تبعیت می‌کند، در نظر گرفته می‌شود. در مراحل نهایی طراحی، مشخصات غیرخطی جداسازهای پایه یا تأثیر آنها در نظر گرفته می‌شود.