طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور در سازه‌های دارای سیستم جداساز لرزه‌‌ای

سعید صمیمی – سیستم‌های آسانسور از نظر امنیت عمومی و حفاظت از جان افراد، اهمیت بسیار زیادی در عملکرد ساختمان‌های مهم دارند. برای نمونه، عملکرد ساختمان‌های بیمارستانی به یکپارچگی طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور بستگی دارد، به طوری که خرابی این سیستم‌ها می‌تواند سبب اختلال در خدمات پزشکی، که به‌خصوص پس از وقوع زلزله بسیار حیاتی به شمار می‎روند، شود.

راهکارهای جداسازی لرزه‌ای در ساختمان‌ها، سبب بهبود عملکرد و کنترل رفتار لرزه‌ای شده و خسارات سازه‌ای و غیرسازه‌ای حاصله را به حداقل می‌رسانند، تا حدی که این راهکارها می‌توانند ادامه‎ عملکرد ساختمان‌‎ها پس از وقوع زلزله را تضمین کنند. با این حال، حتی در چنین ساختمان‌هایی نیز طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور در معرض اثرات زلزله قرار دارند؛ بنابراین اثبات صریح ایمنی این سیستم‌ها، که به عنوان اجزای غیرسازه‌ای در نظر گرفته می‌شوند، امری ضروری تلقی می‌شود.

آیین‌نامه‌های طراحی سازه‌ای فعلی تا حدودی به کنترل آسیب اجزای غیرسازه‌ای توجه دارند و فرمول‌هایی را برای محاسبه‎ نیروهای لرزه‌ای افقی، که این اجزا ممکن است در معرض آن قرار گیرند، ارائه می‌دهند.

با این حال، ساختمان‌های دارای جداساز لرزه‌ای که یکی از موارد خاص تلقی می‌شوند در این فرمول‌ها مدنظر قرار نگرفته‌‎اند و این فرمول‌‎ها فقط امکان محاسبه‎ بیش از حد محافظه کارانه‏ شتاب افقی که اجزای غیرسازه‌ای، مانند اجزای تشکیل‌دهنده طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور را تحت تاثیر قرار می‌دهد، فراهم می‏‌آورند.

هدف اصلی این مقاله، استخراج منطقی فرمول‌هایی برای محاسبه‌ شتاب‌لرزه‌ای افقی وارده بر اجزای غیرسازه‌ای در ساختمان‌های دارای سیستم جداساز لرزه‎ای است. این فرمول‌ها امکان تخمین حداکثر شتاب طراحی را به عنوان تابعی از نسبت میان دوره‌‎ه‌ای تناوب جداساز لرزه‌ای و پایه‎ ثابت، Tisolated/Tfixed، با در نظر گرفتن انواع مختلف سازه‌ها، فراهم می‏‎‌آورند و به مهندسان کمک می‌کنند تا طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور را به صورت دقیق‌تر و کارآمدتر انجام دهند.

اهمیت طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور در کاهش خسارات غیرسازه‌ای پس از زلزله

مشاهده و بررسی اثرات لرزه‌ای در ساختمان‌ها امکان تأیید این موضوع را فراهم می‌آورد که پس از وقوع لرزه، جدا از آسیب‌های وارده به عناصر سازه‌ای، آسیب‌های قابل توجهی نیز به عناصر غیرسازه‌ای وارد می‌شود. این خسارات می‌توانند استفاده عادی و معمول از ساختمان‌های مهم را، چه برای امنیت عمومی و چه برای حفاظت از جان افراد، محدود یا متوقف کنند و ضرورت طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور را بیش از پیش نشان دهند.

برای نمونه، عملکرد بی‌نقص خدمات بیمارستانی پس از وقوع زلزله بسیار حیاتی است. خرابی عناصر غیرسازه‌ای مهم، مانند سیستم آسانسور، در این نوع ساختمان‌ها ممکن است حمل‌ونقل عمودی بیماران را غیرممکن کند و بنابراین اجازه ارائه مراقبت‌های پزشکی را در چنین زمان حساسی ندهد. از این رو، طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور در این ساختمان‌ها اهمیت حیاتی دارد.

راهکارهای جداسازی لرزه‌ای در ساختمان‌ها سبب بهبود عملکرد و کنترل رفتار لرزه‌ای می‌شوند و خسارات سازه‌ای و غیرسازه‌ای را به حداقل می‌رسانند؛ تا حدی که این راهکارها می‌توانند عملکرد پس از زلزله ساختمان را تضمین کنند. با این حال، حتی در چنین ساختمان‌هایی نیز سیستم‌های آسانسوری در معرض سطوحی از اثرات زلزله قرار دارند و همچنان باید طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور به گونه‌ای انجام شود که در برابر شتاب افقی لرزه‌ای مقاومت کنند.

سیستم‌های آسانسور به عملکرد لرزه‌ای حساس هستند و طراحی لرزه‌ای آن‌ها از استاندارد EN 81-77:2018 [5] که با Eurocode 8 [3] مرتبط است، پیروی می‌کند. هیچ‌یک از این استانداردها فرمولی برای محاسبه شتاب طراحی در عناصر غیرسازه‌ای نصب‌شده در ساختمان‌های دارای سیستم جداساز لرزه‌ای ارائه نکرده‌اند. بنابراین دستیابی به شتاب طراحی مناسبی که اجزا در معرض آن قرار می‌گیرند، برای طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور ضروری است.

هدف اصلی این مقاله، استخراج منطقی فرمول‌هایی برای محاسبه شتاب لرزه‌ای افقی وارد شده بر اجزای غیرسازه‌ای در ساختمان‌های دارای جداساز لرزه‌ای و بهبود طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور است.

جداسازی لرزه‌‎‌ای

جداسازی لرزه‌ای به یک راهبرد طراحی مؤثر برای کاهش خطرات ناشی از لرزه‌ گفته می‌شود و در بهبود طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور نیز اهمیت دارد.

بیشتر بخوانید:

• نقش سوئیچ شبکه صنعتی در پایداری سیستم‌های اتوماسیون PLC
• چرا بازرسان از دستگاه اولتراسونیك برای سنجش ضخامت شیشه كابین و درب طبقه استفاده می‌كنند؟
• ۱۰ حقیقت شگفت‌انگیز آسانسور که دنیای ما را تغییر داد

مفاهیم جداساز لرزه (عایق لرزه)

راهکار جداسازی لرزه‌ای در ساختمان‌ها شامل ایجاد یک لایه افقی با سختی کم میان روسازه و پایه (فونداسیون یا زیرسازه) است که از عایق‌هایی تشکیل شده است. با این جداسازی، میزان انرژی منتقل‌شده به روسازه در طول زلزله به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و این امر مستقیماً بر طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور تأثیر می‌گذارد.

انواع بی‌شماری از سیستم‌های جداساز لرزه‌ای وجود دارند، اما همه آن‌ها از مفاهیم یکسانی تشکیل می‌شوند. اولین جنبه، انعطاف‌پذیرتر کردن ساختمان به منظور برخورداری از دوره تناوب ارتعاش اصلی بالاتر است. جنبه دیگر، افزایش سطح میرایی به دلیل رفتار غیرخطی عایق‌هاست که به بهبود طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور کمک می‌کند.

در شکل ۱، برای یک سازه دارای جداساز لرزه‌ای معمولی، شتاب و جابه‌جایی پاسخ طیفی نشان داده شده که به دلیل میرایی سازه دارای جداساز لرزه‌ای و گذار پریود ارتعاش اصلی، مقادیر مورد نظر کاهش یافته‌اند. این کاهش شتاب و جابه‌جایی‌ها می‌تواند اثر مستقیمی بر طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور داشته باشد تا سیستم آسانسور در شرایط لرزه‌ای عملکرد ایمن داشته باشد.

طبق مشاهدات، کاهش شتاب با افزایش میرایی و دوره تناوب ارتعاش اصلی (زمان تناوب اصلی) و همچنین افزایش جابه‌جایی‌های کل ناشی از تغییر زمان تناوب اصلی همراه است، اما به دلیل میرایی بالا، مقداری تضعیف وجود دارد. بنابراین، در طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور باید این تغییرات مورد توجه قرار گیرد.

تغییر میان دوره تناوب با جداسازی لرزه‌ای و دوره تناوب با در نظر گرفتن ساختمان به صورت یک پایه ثابت، Tisolated/Tfixed، معیار اصلی سنجش اثربخشی سیستم جداسازی لرزه‌ای است.

به طور کلی، این رابطه مقادیری بین ۲ تا ۳ دارد و مقادیر دوره تناوب جداسازی که در حدود ۲ ثانیه [8] باشند، بهینه در نظر گرفته می‌شوند و عموماً در بازه بین ۲ تا ۳ ثانیه قرار دارند. این پارامترها در طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور نقش مهمی دارند تا عملکرد سیستم آسانسور با ایمنی کامل پس از زلزله تضمین شود.

دستگاه‌های جداساز لرزه‌‎ای

اثر جداسازی لرزه‌ای در وهله اول به نوع دستگاه جداساز مورد استفاده بستگی دارد و انتخاب درست این دستگاه‌ها برای طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور اهمیت ویژه‌ای دارد. امروزه انواع مختلفی از دستگاه‌های جداساز وجود دارد، اما مهم‌ترین دستگاه‌های جداساز، یاتاقان‌های الاستومری و سیستم‌های کشویی هستند و بر طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور اثر مستقیم می‌گذارند.

از میان دستگاه‌های تکیه‌گاه الاستومری، می‌توان به تکیه‌گاه‌های لاستیکی با میرایی بالا (HDRB) و تکیه‌گاه‌های لاستیکی چندلایه (LRB) اشاره کرد. این دستگاه‌ها از الاستومر ساخته‌شده از لاستیک طبیعی یا نئوپرن تشکیل شده‌اند [1] و در طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور نقش مهمی دارند. یک تکیه‌گاه لاستیکی معمولاً از لایه‌های متناوب صفحات فولادی و لایه‌های نازک لاستیکی تشکیل می‌شود که برای فراهم آوردن استحکام عمودی و انعطاف‌پذیری جانبی به یکدیگر متصل شده‌اند [1].

این تکیه‌گاه‌ها در جهت عمودی بسیار قوی و سفت هستند، اما در جهت جانبی نیز انعطاف‌پذیرند. صلبیت عمودی تضمین می‌کند جداساز وزن سازه را تحمل کند، در حالی که انعطاف‌پذیری افقی، لرزش‌های افقی مخرب را به حرکتی نرم تبدیل می‌کند. تفاوت میان این نوع تکیه‌گاه‌ها این است که HDRB با الاستومر میرایی بالایی ساخته شده است که مقدار میرایی آن بین ۱۰ تا ۱۵ درصد است.

LRB با الاستومر میرایی کمی ساخته شده است، اما با قرار دادن هسته سربی در داخل تکیه‌گاه، میزان میرایی تضمین می‌شود که میرایی دستگاه را افزایش می‌دهد و منجر به مقادیر میرایی بالاتر، تقریباً حدود ۳۰ درصد، می‌شود. این مقادیر میرایی در طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور اهمیت بالایی دارند تا عملکرد ایمن سیستم آسانسور پس از زلزله تضمین شود.

دومین نوع سیستم جداساز لرزه‌ای، سیستم لغزشی است که رایج‌ترین آن سیستم جداساز اصطکاکی پاندولی (FPS) است. این دستگاه از یک لغزنده اصطکاکی مفصلی، یک سطح لغزشی مقعر کروی و یک استوانه محصورکننده برای مهار جابه‌جایی جانبی تشکیل شده است و بر طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور تأثیر می‌گذارد.

در طول حرکت زمین، سازه می‌تواند آزادانه روی تکیه‌گاه‌ها بلغزد. از آنجایی که تکیه‌گاه‌ها سطحی منحنی دارند، سازه هم به صورت عمودی و هم به صورت افقی می‌لغزد [1] و این ویژگی در طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور باید مدنظر قرار گیرد.

جمع بندی

مدل‌سازی سیستم جداساز لرزه‌ای، به طور تقریبی، تنها با در نظر گرفتن پارامترهای زیر امکان‌پذیر است: سختی افقی مؤثر (Keff) و میرایی مؤثر (Keff) سیستم جداساز لرزه‌ای. این مدل‌سازی برای طراحی لرزه‌ای سیستم‌های آسانسور اهمیت دارد.

سختی مؤثر، مقدار وتری سختی نسبت به جابه‌جایی کلی طراحی سیستم را در نظر می‌گیرد و میرایی مؤثر را می‌توان با اتلاف انرژی چرخه‌ای با فرکانسی در بازه فرکانس‌های مدل‌های در نظر گرفته‌شده بیان کرد.

با داشتن سختی افقی مؤثر و جرم کل روسازه، می‌توان دوره تناوب اساسی ارتعاش، که به آن دوره تناوب مؤثر شمارشی گفته می‌شود، را با در نظر گرفتن روسازه به عنوان یک جسم صلب، با استفاده از معادله ۱ محاسبه کرد.