شکل (۲-۹) پل بای هو در تایوان (بالا) و سیستم جداسازی آن (پایین) ]۱۶[
روگذر بولو در ترکیه : همان طور که در شکل (۲-۱۰) مشاهده می شود عایق بندی این روگذر که از نوع بتن پیش تنیده می باشد، از میراگرهای هیسترتیک فولادی به شکل Cو بالشتک های تفلونی استفاده شده است. طول آن بالغ بر ۲۳۱۳ متر و عرض آن به ۵/۱۷ متر میرسد. در زلزله های سال ۱۹۹۹ ترکیه که بزرگای آن ها به طور متوسط ۵/۷ ریشتر بوده است، پاسخ این پل جداسازی شده کاملا رضایت بخش بوده است، طوری که در زلزله ای با شتاب ماکزیمم حدود g0/1 که خیلی بیشتر از شتاب طرح بوده است، پل جداسازی شده با وجود تحمل خسارت های بسیار، واژگون نشده است. خسارت های وارده به پایه ها محدود به ترک های خمشی ظریف می شود و اغلب خسارت های سازه ای توسط روسازه وکوله ها تحمل شده اند. جابجائی جانبی قابل توجهی در عرشه نسبت به پایه ها رؤیت شده است؛ خرد شدگی بتن و چرخش کوله ها در انتهای روگذر مشاهده می شود که به علت برخورد بین عرشه و کوله می باشد. بالشتک های تفلونی، روی اغلب پایه ها از محل خود خارج شده اند و در میراگرهای هیسترتیک فولادی که به عنوان قطعات مستهلک کننده انرژی می باشند، تغییرشکل های دائمی ناشی از جاری شدن عناصر فولادی صورت گرفته است. این درحالی است که همین روگذر در معرض زلزله ای به همین بزرگی و با شتاب ماکزیمم زمین مشابه شتاب طرح g 4/0 مواجه شده بود، که هیچ گونه خسارتی ندیده بود ]۱۶[.

شکل (۲-۱۰) روگذر بولو درترکیه (راست) و زوال بالشتک آن (چپ) ]۱۶[
در ایسلند نیز چهار پل جداسازی شده در زلزله های سال ۲۰۰۰ عملکرد رضایت بخشی داشته اند؛ این زلزله دارای شتاب ماکزیمم g 84/0 بوده است. پل های جداسازی شده با جداگرهای لاستیکی- سربی تنها در جهات طولی و عرضی مقداری جابجائی پیدا کرده اند و هیچ مشکل دیگری نداشته اند ]۱۶[. در شکل های (۲-۱۱) تا (۲-۱۴) چند پل جداسازی شده تازه ساز که در آن ها از بالشتک پاندول اصطکاکی برای تحمل نیروهای بزرگ بهره گرفته شده است، آورده شده است.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

شکل(۲-۱۱) پل کودائیک که در آن ۱۵ عایق لرزه ای از نوع پاندول اصطکاکی بکار رفته است ]۱۶[
شکل(۲-۱۲) پل مارتینز که در آن به ازای هر پایه دو عایق لرزه ای از نوع بالشتک پاندول اصطکاکی بکار رفته است (کالیفرنیا) ]۱۶[
شکل(۲-۱۳) پل امریکن ریور که در آن ۴۸ عایق لرزه ای از نوع بالشتک پاندول اصطکاکی بکار رفته است (کالیفرنیا) ]۱۶[
شکل(۲-۱۴) پل آی ۴۰ و عایق لرزه ای بکار رفته در آن که از نوع بالشتک پاندول اصطکاکی می باشد (روی رو میسیسیپی^[۱۷]) ]۱۶[
زمانی که طراحی یک پل به صورت جداسازی شده توجیه می شود، فرض می گردد که عمده اتلاف انرژی در سیستم جداساز اتفاق می افتد و تنها تحت زلزله های حدی ممکن است مقدار کمی شکل پذیری توسط پایه ها نیاز باشد. دستیابی به چنین پاسخی به سادگی امکان پذیر است، به شرطی که سطح تسلیم سیستم جداساز طوری انتخاب شود که تسلیم در پایه ها اتفاق نیفتد. به عبارت دیگر لازم خواهد بود تا سیستم جداساز حتما زودتر از پایه تسلیم شود .ضرایب حفاظت پایه در محاسبه مقاومت های اسمی به منظور پرهیز از تسلیم زود هنگام پایه به کار می روند. این ضرایب به میزان قابلیت اعتماد مشخصات مکانیکی سیستم های جداساز بستگی دارد. در بسیاری از موارد لازم است که مقاومت واقعی سیستم جداساز بیشتر از ۱۰ درصد با مقاومت طرح آن اختلاف نداشته باشد و مقاومت سیستم جداساز در تغییر مکان طرح برابر ۸۵ درصد مقاومت اسمی پایه باشد ]۱۴[.
اصول طراحی بر مبنای ظرفیت به منظور پرهیز از مودهای شکست نا مطلوب پایه ها و پی ها همچنان قابل کاربرد می باشد. به طور مثال اطمینان از اینکه مقاومت برشی پایه زودتر از مقاومت خمشی آن فعال نمی شود، ضروری است. ضرایب حفاظت پایه در محاسبه مقاومت تکیه گاه ها ، اتصالات و کوله ها به کار می روند. ضریب حفاظت پایه (PPI) از رابطه (۲-۱) به دست می آید:
(۲-۱)
به گونه ای که حداکثر تغییر مکان جانبی رأس پایه در حالت پل جدا نشده و حداکثر تغییرمکان جانبی رأس پایه در حالت پل جدا شده می باشد. لازم به ذکر است که مقدار PPI همواره بین صفر و یک قرار می گیرد. زمانی که پایه در حالت جدا نشده باشد، مقدار ضریب حفاظت پایه برابر صفر می باشد و مقدار ۱ برای ضریب حفاظت پایه بدین معناست که پایه کاملا ازحرکات زمین جدا شده است ]۱۴[.
معمولا افزایش سختی جداساز منجر به کاهش تغییر مکان های عرشه می گردد. لیکن تغییر مکان رأس پایه با تغییر سختی جداساز تغییر چندانی نمی کند. به عبارت دیگر مقدار ضریب حفاظت پایه در محدوده مشخصی از مقدار سختی جداساز مستقل است. همچنین افزایش سطح تسلیم جداساز در غالب موارد باعث کاهش تغییر مکان های عرشه می گردد. میزان تأثیر افزایش سطح تسلیم جداساز در کاهش تغییر مکان های عرشه، زمانی قابل توجه است که سختی جداساز در حدود ۲۰ تا ۴۰ درصد سختی پایه انتخاب شود. با افزایش سختی جداساز از میزان این تأثیر به شدت کاسته می شود. همواره با کاهش مقاومت تسلیم جداساز تغییر مکان های رأس پایه کاهش می یابد و به عبارت دیگر کاهش مقاومت تسلیم جداساز باعث افزایش ضریب حفاظت پایه می گردد. در حالی که با افزایش مقاومت تسلیم جداساز، ضریب حفاظت پایه کاهش یافته و امکان ورود پایه به محدوده های غیر ارتجاعی افزایش می یابد. لذا در چنین مواردی مانند حالت پل جداسازی نشده و یا پل های با تکیه گاه های نئوپرن انبساط حرارتی، لازم است که پایه های پل با بهره گرفتن از المان های دارای رفتار غیر خطی مدل سازی شود ]۱[.
۲-۷- مفهوم و مکانیزم جداسازی لرزه ای پل ها
توانایی و مزایای تکیه گاه های جداگر بعنوان ابزار کنترل نیروهای جانبی که به طراحان اجازه می دهد نیروهای زلزله وارد بر پایه ها و کوله های پل را کاهش داده و یا منحرف کنند، به خوبی به اثبات رسیده است. از این تکیه گاه ها می توان به نحو مؤثری در مقاوم سازی پل های موجود و یا طراحی سازه پل های جدید واقع در نواحی لرزه خیز بهره برد. هزینه اضافی تکیه گاه های جداکننده نسبت به تکیه گاه های معمولی با صرفه جویی در هزینه مقاوم سازی زیر سازه و یا ساخت پل جبران می شود. این صرفه جویی به علت کاهش میزان نیروی زلزله به علت استفاده از این تکیه گاه ها می باشد. البته کوشش هایی نیز برای ساخت جدا کننده های لرزه ای ارزان قیمت در کشور انجام می گیرد که با به ثمر رسیدن آن، هزینه اضافی فوق کاهش یافته و یا از بین خواهد رفت. تکیه گاه های جداگر مورد استفاده در جداسازی لرزه ای پل ها معمولا در زیر عرشه پل و روی پایه ها و کوله ها قرار می گیرند ]۱[.
مکانیزم کاهش نیروی زلزله در یک پل دارای تکیه گاه های جد اکننده می تواند بوسیله یک یا چند مورد از عوامل زیر بوجود آید ]۱۴[:
۱ -افزایش پریود اصلی سازه پل (اثر تغییر پریود در طیف پاسخ) در اثر کاهش سختی جانبی پل که نیروها را کاهش داده، ولی تغییر مکان ها را افزایش می دهد.
۲ -افزایش میرایی که تغییر مکان ها را کاهش داده و ممکن است نیروها را نیز کاهش دهد. افزایش میرایی می تواند در اثر جاری شدن بعضی از اجزاء تکیه گاه مانند هسته سربی و یا بوسیله نیروهای اصطکاکی موجود در سطوح لغزش تکیه گاه ها بوجود آید.
۳ -توزیع و پخش نیروهای زلزله در همه تکیه گاه ها ؛ افزایش انعطاف پذیری جانبی یک پل، منجر به افزایش تغییر مکان افقی روسازه پل تحت بارهای جانبی می شود. بکار بردن تکیه گاه های جداکننده در پل ها، انعطاف پذیری جانبی و پریود ارتعاش پل را در هنگام زلزله افزایش می دهد که این امر با افزایش تغییر مکان های جانبی روسازه پل همراه می باشد.
در شرایط بار سرویس، تغییر مکان روسازه بایستی در حدود مجاز نگه داشته شود. تکیه گاه های جداکننده تحت بار زلزله نیز تغییر مکان روسازه نسبت به زیر سازه را کنترل می کنند. با افزایش میرایی جدا کننده ها می توان از تغییر مکان زیاد جلوگیری نمود.
شتاب اکثر زلزله ها معمولا دارای زمان تناوب غالبی در حدود ۱/۰ تا ۱ ثانیه می باشد و حداکثر شدت آن در محدوده زمان تناوب های ۲/۰ تا ۶/۰ ثانیه است. بنابراین چون امکان تشدید پاسخ سازه هایی که زمان تناوب طبیعی آن ها در محدوده ۱/۰ تا ۱ ثانیه است، در مقابل زلزله وجود دارد، این سازه ها در محدوده های تناوبی فوق آسیب پذیرترند. مهمترین ویژگی جدا کننده های لرزه ای در این است که با انعطاف پذیری زیاد خود، زمان تناوب طبیعی سازه را افزایش می دهند. این پدیده افزایش زمان تناوب سازه موجب می گردد که از عمل تشدید یا از نزدیک شدن به آن اجتناب شود و در نهایت، پاسخ سازه کاهش یابد. اما لایه های عمیق خاک نرم می تواند فرکانس پایین حرکات زلزله را تشدید نماید. منطقه بستر دریاچه قدیمی در مکزیکوسیتی مثالی از این مورد است. در چنین حالاتی، سازه های انعطاف پذیری که میرایی متوسطی داشته باشند، به جای کاهش پاسخ سازه باعث افزایش آن می شوند. در این حالت تمهیدات لازم به منظور افزایش میرایی بعنوان بخشی از سیستم جدا کننده لرزه ای می تواند نقش مهمی در جلوگیری از وقوع رویدادهای غیر قابل پیش بینی داشته باشد.
همانطور که گفته شد، یکی از خصوصیات مهم تکیه گاه های جداکننده در پل ها قابلیت استهلاک انرژی زلزله می باشد. بعنوان مثال در یک تکیه گاه لاستیکی استهلاک انرژی بوسله تغییر شکل پلاستیک هسته سربی انجام می شود و در یک تکیه گاه از نوع اصطکاکی، انرژی توسط کار نیروهای اصطکاکی موجود بین سطوح لغزشی مستهلک می گردد.
در مورد روسازه های واقع بر تکیه گاه های جدا کننده، همه تکیه گاه ها می توانند در تحمل و انتقال نیروهای جانبی شرکت کنند. اصلاح توزیع بار جانبی بین تکیه گاه ها وسیله مقاوم سازی مؤثری است که می تواند با استفاده صحیح از تکیه گاه های جداکننده بدست آید. بعضی از سیستم های جداسازی رفتار صرفا نرم شونده دارند و تقریبا رابطه نیرو- تغییر مکان دو خطی از خود نشان می دهند، مانند تکیه گاه های لاستیکی سربی، تکیه گاه های پاندول اصطکاکی و یا سیستم های دوگانه شامل سطوح لغزش با فنرهای بازگرداننده. برای تحلیل غیر خطی چنین سیستم هایی، با بهره گرفتن از قطعات هیسترزیس (برای هر تکیه گاه یک قطعه) می توان پاسخ تکیه گاه را در همه محدوده های تغییر مکان، با دقت بدست آورد. از نقطه نظر انرژی، المان های هیسترزیس برای چنین تکیه گاه هایی مناسب هستند، زیرا مکانیزم استهلاک انرژی یا مکانیزم ناشی از تسلیم سرب و یا ناشی از اصطکاک کولمب (لغزشی) می باشد و به دقت با استهلاک انرژی حاصل از مدل المان دو خطی مطابقت دارد. لکن بعضی از سیستم های جداکننده مانند لاستیک با میرایی زیاد، رفتار نرم شونده- سخت شونده دارند. برای چنین سیستم هایی، مدل ساده دو خطی رابطه نیرو - تغییر مکان را در محدوده تغییر مکان های زیاد به درستی نشان نمی دهد ]۱۷[.
برای تحلیل سیستم جداگر تحت زلزله های خیلی قوی، مدل بایستی رفتار لاستیک را در کرنش های بزرگ در نظر بگیرد. تکیه گاه های الاستومریک اگر بطور صحیح طراحی و ساخته شوند در کرنش های بزرگ سختی بیشتری از خود نشان می دهند که این پدیده ناشی از کریستالیزه شدن کرنشی در لاستیک می باشد. اگرچه اکثر پروژه های طراحی شده تا امروز فقط با اتکا بر سیستم های جد اکننده نرم شونده بوده است، تمایل به استفاده از زلزله های طرح بزرگتر احتمالاً منجر به بهره گیری از سیستم های نرم شونده - سخت شونده خواهد شد تا عملکرد قابل قبولی در محدوده های گسترده تر شدت های زلزله فراهم شود. یک سیستم صرفا نرم شونده که برای زلزله های خیلی بزرگ، بهینه طراحی شده باشد، تحت زلزله های متوسط معمول، نسبتاً سخت می باشد که باعث افزایش شتاب در سطح روسازه می شود. در مقابل، یک سیستم نرم شونده - سخت شونده را در ترازهای زلزله متوسط، می توان با انعطاف پذیری کافی طراحی کرد، بطوری که نیروهای منتقل شده بوسیله تکیه گاه ها در زلزله های مورد انتظار کاهش اساسی پیدا کند، در حالی که در زلزله های سخت احتمال وقوع تغییر مکان های بزرگتر از حدود مجاز بسیار کم باشد ]۱۷[.
۲-۸- انواع تکیه گاه های جداگر لرزه ای
تاکنون، سیستم های جداگر متنوع و مختلف بسیاری ساخته شده و به ثبت رسیده است و همه ساله نیز بر تعداد انواع آن افزوده می شود. دو نوع اصلی سیستم جداکننده وجود دارد:
تکیه گاه های الاستومریک متشکل از لاستیک طبیعی یا نئوپرن و تکیه گاه های لغزشی با سطح لغزشی حاصل از تفلون و فولاد ضد زنگ و یا سطوح لغزشی دیگر. سیستم هایی نیز ساخته شده اند که ترکیبی از تکیه گاه های الاستومریک و لغزشی می باشند. در ادامه، انواع تکیه گاه های جداکننده معرفی می شود.
۲-۸-۱- سیستم های الاستومریک
تکیه گاه جداکننده الاستومریک که در آن از لاستیک طبیعی یا مصنوعی (نئوپرن) استفاده می شود، بعنوان ابزاری برای کاهش نیروهای زلزله و توزیع بهتر نیروهای جانبی بین تکیه گاه های پل مورد استفاده قرار می گیرد. بطور کلی انعطاف پذیری این تکیه گاه ، سختی جانبی کل پل را کاهش داده و در هنگام زلزله تغییر مکان های جانبی روسازه را افزایش داده و نیروهای اینرسی را کاهش می دهد. این تکیه گاه ها در عین حال که حرکات پل را تحت بار سرویس در یک حد مجاز، نگه می دارند، امکان یک مقدار کنترل شده حرکت روسازه نسبت به زیرسازه را درهنگام زلزله فراهم می کنند. همچنین نیروهای جانبی به نسبت سختی قسمت های مختلف زیر سازه که شامل اثرات نرمی تکیه گاه های جداکننده نیز می باشد، بین هسته تکیه گاه ها توزیع می شود. این سیستم در هر تکیه گاه بین روسازه و زیر سازه اتصال برقرار می کند و خطر فروافتادن شاه تیرها را که اغلب در طی زلزله های گذشته در پل های با تکیه گاه های معمولی اتفاق افتاده است، از بین می برد. بطور کلی این جدا کننده ها را می توان به انوع زیر تقسیم بندی نمود:
۲-۸-۱-۱- تکیه گاه های جداکننده الاستومریک چند لایه مسلح شده توسط ورق های فولادی :
در این تکیه گاه ها که در شکل(۲-۱۵) مشاهده می شود، لاستیک طبیعی یا مصنوعی با ورق های فولادی مسلح می شود، به این صورت که صفحات فولادی و لاستیک یک در میان روی هم قرار می گیرند. کاربرد اولیه این تکیه گاه های الاستومریک در روسازه پل ها برای تحمل تغییر شکل های ناشی از تغییرات درجه حرارت بوده است. این بالشتک ها طوری طراحی می شوند که وزن های بزرگ را تحمل کرده، در حالی که در برابر جابجایی های بزرگ مقاومت اندکی دارند. این تکیه گاه ها را می توان با ابعادی ساخت که ظرفیت باربری و انعطاف پذیری افقی لازم برای جداسازی لرزه ای را تأمین کنند.
شکل(۲-۱۵) تکیه گاه الاستومریک چند لایه لاستیکی با میرایی کم ]۱[
این نوع تکیه گاه ها به انواع زیر تقسیم می شوند ]۶،۱۸[ :
۱- تکیه گاه الاستومریک چند لایه لاستیکی با میرایی کم
۲- تکیه گاه های لاستیکی – سربی
۳- تکیه گاه الاستومریک چند لایه لاستیکی با میرایی زیاد
شکل(۲-۱۶) تکیه گاه لاستیکی- سربی ]۱[
۲-۸-۱-۲- جدا کننده های الاستومریک مسلح شده توسط الیاف
در این نوع جدا کننده ها ، به جای صفحات فولادی از الیاف پلیمری (مانند الیاف کولار) با سختی و مقاومت بالا برای مسلح کردن الاستومر استفاده می شود. این الیاف قابلیت چسبندگی و پیوستگی مناسبی با زمینه الاستومر دارند. همچنین این الیاف دارای وزن کمی می باشد. بنابراین با بکار بردن این روش، معایب استفاده از صفحات فولادی که عبارت از سنگینی آن ها و نیز گران قیمت بودن به علت فرایند پیچیده آماده ساختن، جهت قرار دادن در بین لایه های لاستیکی و حرارت دادن مجموعه آن می باشد، مرتفع می گردد ]۲۰،۱۹[.
۲-۸-۲- سیستم های جد اکننده لغزشی (اصطکاکی)
یکی از رایج ترین و مؤثرترین تکنیک ها در جداسازی لرزه ای، استفاده از تکیه گاه های جداکننده لغزشی است. سیستم های لغزشی تحت انواع بارگذاری زلزله های شدید به خوبی عمل کرده و در کاهش شتاب روسازه پل ها بسیار مؤثرند. مزایای سیستم جداکننده لغزشی در مقایسه با تکیه گاه های لاستیکی عبارتند از:
۱- سیستم با جداگر اصطکاکی در محدوده وسیعی از فرکانس های ورودی مؤثر است.
۲- از آنجا که نیروهای اصطکاکی که در پایه تولید می شوند با جرم سازه متناسب اند و مرکز جرم و مرکز مقاومت نگهدارنده لغزشی برهم منطبق می باشند، در نتیجه اثرات پیچشی ناشی از سازه های نامتقارن خنثی می شود.
در تکیه گاه لغزشی، کم بودن مقدار اصطکاک، انتقال برش را از سطح جداسازی کاهش می دهد. هر قدر ضریب اصطکاک کمتر باشد، برش کمتری انتقال می یابد. همچنین تغییر مکان های بین روسازه و زیرسازه و مقاومت اصطکاکی در سطح لغزش تکیه گاه، انرژی زلزله را مستهلک می کند. گاهی اوقات میراگرهایی نیز مانند پین های فلزی با میرایی هیسترزیس در داخل یک تکیه گاه لغزشی به آن اضافه می شود. برای فراهم نمودن مقاومت کافی در برابر باد و اجتناب از حرکت سازه تحت زلزله های کوچک یا اثرات دیگر، یک مقدار مناسب ضریب اصطکاک لازم است. مشخصه های لغزشی بسیاری از سطوح اصطکاکی به فشار و سرعت نسبی لغزش وابسته بوده و فرایند لغزش ذاتا غیرخطی است. بنابراین تحلیل دینامیکی این سیستم ها باید بصورت غیرخطی انجام پذیرد. در تحلیل های تئوری تکیه گاه های لغزشی معمولا از فرض اصطکاک کولمب استفاده می شود، ولی این فرض نشان دهنده رفتار واقعی سیستم نمی باشد. ماده ای که بیشترین کاربرد را در تکیه گاه لغزشی دارند، پلی تترا فلور اتیلن (تفلون) واقع بر فولاد ضد زنگ می باشد و مشخصه های اصطکاکی این سیستم به دما، سرعت حرکت صفحه میانی، درجه سایش و تمیزی سطح وابسته است. مواد دیگری که برای تکیه گاه لغزشی مورد استفاده قرار می گیرند، صفحات آلیاژ سرب- برنز می باشند که بر روی یک سطح از جنس فولاد ضد زنگ می لغزد.
مشکل استفاده از لغزنده ها در سیستم جداسازی این است که نیروی مقاوم و بازگرداننده مؤثری وجود ندارد. بنابراین تغییر مکان سیستم نسبتاً بزرگ می شود. چون این تغییر مکان می تواند در هر جهت افقی رخ دهد، قطر صفحات تکیه گاه و سیستم تکیه گاه باید خیلی بزرگ باشد، لکن به چند روش می توان نیروهای مقاوم و بازگرداننده را ایجاد نمود. بعنوان مثال می توان از ترکیب سطوح لغزشی و الاستومریک استفاده کرد. بعضی از انوع این نوع تکیه گاه عبارتند از ]۱۷[ :
- سیستم اصطکاک خالص
- میله های غلتان بین پایه و پی (دایروی یا بیضوی)
- سیستم پاندول اصطکاکی
- سیستم اصطکاکی EQS که جزئیات آن در شکل (۲-۱۷) نشان داده شده است.
- سیستم جداگر لغزشی FIP که جزئیات آن در شکل (۲-۱۸) نشان داده شده است.