لرزه گیر ، مدرن ترین روش مهار لرزش تأسیسات

مهار لرزش تأسیسات در کشورهای زلزله خیز مسأله ای است که بایستی به آن بطور ویژه توجه کرد . یکی از کاربردی ترین اجزا در مبحث کنترل لرزش ، انواع لرزه گیر فنری هستند که نسبت به لرزه گیر های لاستیکی دفلکشن بیشتری دارند.

مشکل این است که فرکانس رزنانس می تواند با فرکانس زلزله هماهنگ شود ، و این بدین معنی است که در یک زلزله ، فنر شروع به “پرش” می کند و این باعث جابجایی تجهیز مکانیکی می شود. جابجایی تجهیز می تواند باعث ایجاد خسارات فراوانی شود (صدمات به تجهیز، عدم کارآیی، قطع و شکستگی اتصالات و …)، همچنین سبب افزایش خطر آسیب های انسانی و حتی مرگ افراد شود. با توجه به خطرات مذکور، لازم است که در مناطق و کشورهای زلزله خیز از لرزه گیر هایی استفاده شود که در زمان بروز خطر توانایی تطابق با شرایط ایجاد شده و مهار لرزش تأسیسات را داشته باشند.
گروه صنعتی لینکران تولیدکننده انواع لرزه گیر لاستیکی و فنری می باشد . هدف از تولید لرزه گیرهای مکانیکی ، کاهش انتقال لرزش و نویز ناشی از تجهیزات به سازه های مجاور می باشد.

ضوابط، طراحی و پیشنهادات ارائه شده در این گزارش در خصوص کاربرد صحیح انواع لرزه گیر به همراه مهار کننده های لرزه ای برای تجهیزات مکانیکی و سیستم ها در کشور شیلی است. بعلاوه، برخی از خسارات ناشی از زلزله ۸.۸ ریشتری شیلی در ۲۷ فوریه ۲۰۱۰ نشان داده شده اند.

اثرات انتقال لرزش

مهار لرزش تأسیسات در سال های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است زیرا مستقیماً بر عملکرد سیستم ها و سلامتی افراد تأثیر گذار است. انتقال لرزش خصوصاً در زمان بروز حوادثی مانند زلزله می تواند سبب ناپایداری یا حتی تخریب تجهیزات و سازه ها شود. بنابراین، مهار لرزش یک نیاز حیاتی در علم مهندسی است، بخصوص وقتی که پای یک مولد قدرتمند لرزش مثل یک موتور در میان است. واضح است که سطوح و کف ساختمان ها وقتی که تجهیزات مکانیکی سنگین روی آنها قرار می گیرند تبدیل به یک منبع قدرتمند لرزش می شوند. در چنین مواردی لرزش مستقیم دستگاه نسبت به اندازه لرزش و صدایی که توسط سازه ایجاد و منتقل می شود عملاً ناچیز است.

انواع لرزه گیر فعال و نیمه فعال

در سال های اخیر استفاده از انواع لرزه گیر فعال یا نیمه فعال روندی جدید در مبحث طراحی سیستم های ضد لرزش بوده است. با این حال، به کارگیری روش های غیرفعال ضد لرزش ساده، عملی و قابل استفاده تر هستند. همینطور، لرزه گیرهای غیرفعال به منظور حفاظت از تجهیزات حساس در مقابل شوک ها و لرزش های محیطی، ساده تر، ارزان تر و مطمئن تر هستند.
بنابراین، لرزه گیری با استفاده از انواع لرزه گیر غیر فعال بسیار به صرفه تر بوده و بر این اساس دامنه کاربرد گسترده تری در صنایع مهندسی دارند. در نتیجه، در این مقاله به بررسی لرزه گیری و مهار لرزش غیرفعال می پردازیم.

لرزه گیر های پرکابرد

استفاده از انواع لرزه گیر برای مهار لرزش تأسیسات یک راه حل معمول است که متخصصان صوت و آکوستیک همیشه توصیه می کنند.
در گستره وسیع لرزه گیر ها ، لرزه گیر های لاستیکی و فنری پر کاربردترین ها هستند زیرا دفلکشن مناسب و قابل قبولی دارند.
لرزه گیر های فنری بطور معمول دارای دفلکشن بین ۱ تا ۵ اینچ هستند، در حالیکه لرزه گیر های لاستیکی دفلکشن ۰.۱۵ تا ۰.۵۵ اینچ دارند. بر این اساس، واضح است که وقتی دفلکشن بالا مورد نیاز است، بهترین گزینه لرزه گیرهای فنری هستند. مشکل لرزه گیرهای فنری این است که آنها دارای فرکانسی طبیعی هستند که می تواند به صورت بالقوه با فرکانس زلزله یکی شود، و این بدان معنی است که در زمان وقوع زلزله، لرزه گیر فنری می تواند وارد رزنانس شده و به شدت پرتاب شود.
اگر لرزه گیر فنری فاقد قاب لرزه ای باشد، تحرک فنر باعث می شود تا تجهیز قرار گرفته بر روی آن حرکت کرده و سقوط کند. اگر تجهیز مورد نظر یک فن یا انواع دیگری از تجهیزات HVAC هوایی باشد خطر سقوط کل سیستم کانال کشی وجود دارد، و اگر تجهیز HVAC آبی باشد خطر سقوط و تخریب سیستم لوله کشی و آب گرفتگی ساختمان وجود دارد. بدتر از همه اینکه اگر تجهیز بیرون از ساختمان و روی بام قرار گرفته باشد، احتمال سقوط آن از روی بام وجود دارد.
در این مقاله، مفاهیم عمومی مهار لرزش تأسیسات بر اساس روش های عملی مهار لرزش تأسیسات ، تجهیزات مکانیکی و ملزومات طراحی بر اساس ASHRAE ارائه شده است تا به یک سیستم کنترل لرزش مؤثر برای تجهیزات خاص برسیم.

لرزه گیری

بررسی اجمالی

مهندسان بطور معمول برای کاهش اثرات ناشی از لرزش تجهیزات و ماشین آلات در ساختمان ها از انواع لرزه گیر استفاده می کنند. پروسه لرزش مکانیکی می تواند به چهار مرحله اصلی تقسیم بندی شود :

تولید
انتقال
انتشار
انعکاس

مرحله انتقال اصولاً بهترین، اقتصادی ترین و عملی ترین مرحله برای کنترل نویز و لرزش است. فرض بر این است که مؤثرترین راه برای مهار لرزش تأسیسات، استفاده از یک لرزه گیر است.

رویکرد عملی

طراحی یک سیستم لرزه گیری کامل شامل مراحل زیر است:

انتخاب دفلکشن استاتیکی یا انتقالی لازم برای لرزه گیر
انتخاب صحیح ترین شکل نصب
انتخاب موضع لرزه گیرها و تعیین بار وارده بر هر کدام
انتخاب لرزه گیر مناسب در تطابق با سه مورد قبل
بازسازی و اصلاح اتصالات به منظور اطمینان از اینکه کارآیی لرزه گیر مختل نمی شود

راه های استقرار تجهیزات

دفلکشن استاتیکی مورد نیاز برای لرزه گیری بخش خاصی از تجهیز می تواند با مراجعه به ASHRAE به دست آید. معمولاً برای گرفتن لرزش های فرکانس پایین موتورها نیازمند دفلکشن زیادی هستیم.

بطور معمول سه راه ممکن برای استقرار تجهیز وجود دارد. اولین راه اتصال مستقیم لرزه گیر به پایه دستگاه است. دومین روش قرار دادن دستگاه روی یک شاسی فلزی و اتصال لرزه گیرها به آن است و سومین راه قرار دادن دستگاه روی یک “اینرشیابیس” بتنی و قرار دادن کل مجموعه بر روی لرزه گیر ها است.

برای تجهیزاتی که مستقیماً بر روی لرزه گیرها قرار می گیرند، معمولاً تولید کننده تجهیز محل قرار گیری لرزه گیر را مشخص می کند، چون که اصولاً دستگاه در قسمت پایه خود سوراخ هایی برای اتصال دارد.
برای تجهیزاتی که روی شاسی فلزی یا اینرشیابیس بتنی قرار می گیرند، اگر طول شاسی یا اینرشیابیس نسبت به عرض آن خیلی زیاد باشد، باید لرزه گیر های میانی هم در طول آن نصب شوند تا از خمش یا شکستگی خود شاسی یا اینرشیابیس جلوگیری شود. این بدان معنی است که در انتخاب لرزه گیرها، ساپورت های میانی بایستی نسبت به لرزه گیر های گوشه ای باربری بیشتری داشته باشند.

اصولاً اتصال لوله ها به تجهیزاتی مانند پمپ ها، چیلرها، برج های خنک کننده و … توسط اتصالات انعطاف پذیر انجام می شود.
برای جلوگیری از لرزش، انتخاب معمول شیلنگ های فولادی انعطاف پذیر بلند هستند. برای جلوگیری از ایجاد فرکانس برشی، اتصالات انعطاف پذیر کروی مورد استفاده قرار می گیرند که هر دو حرکت طولی و محوری را به حداقل می رسانند.

ضوابط طراحی

همانطور که در بخش قبل شرح داده شد، مرجع ضوابط برای انتخاب لرزه گیرها، نوع پایه و حداقل دفلکشن استاتیکی، ASHRAE است. انتخاب بر اساس متغیرهای زیر انجام می شود:

نوع تجهیز
توان (اسب بخار)
دور در دقیقه (RPM)
فاصله بین پایه های ساپورت

اشاره به این نکته مهم است که یکی از مهم ترین متغیرها برای تعیین حداقل دفلکشن استاتیکی مورد نیاز برای لرزه گیری تجهیز، فاصله بین پایه های ساپورت و محل قرار گیری تجهیز است.

در جدول زیر نوع لرزه گیر، نوع پایه و حداقل دفلکشن استاتیکی برای تجهیزات تهویه مطبوع مختلف نشان داده شده اند.

مهار لرزش تأسیسات

بررسی اجمالی

همانطور که قبلاً گفته شد، مشکل بزرگی برای مشاوران صوت و آکوستیک در کشورهای زلزله خیز در مورد نحوه انتخاب لرزه گیر و مبحث مهار لرزش وجود دارد. وقتی که بحث مهار لرزش مطرح است، نیروهای کششی و برشی و نقاط اتصال تجهیز به لرزه گیر بایستی به درستی محاسبه شوند. اگر موارد مذکور با دقت و به درستی رعایت نشوند، ممکن است سیستم در زمان بروز زلزله بطور کامل کارآیی خود را از دست دهد.

زلزله ها و کدها در کشور شیلی

شیلی یکی از زلزله خیز ترین کشورهای جهان است. مطالعات زیادی وجود دارد که به بررسی زلزله های بزرگ و متعدد رخ داده در این کشور در قرن حاضر می پردازند.
سه زلزله بزرگی که طی سال های گذشته این کشور را تحت تأثیر قرار داد و به بسط ضوابط و کدهای لرزه ای کمک کرد شامل:

زلزله سال ۱۹۶۰ در شهر “والدیویا” به بزرگی ۹.۵ ریشتر. پس از این زلزله، کد ساختمانی NCh 433-1996 تدوین شد.
زلزله سال ۱۹۸۵ در شهر “وال پارایسو” به بزرگی ۷.۸ ریشتر. پس از این زلزله، کدهای ساختمانی NCh 2369-2003 و NCh 2745-2003 تدوین شد.
زلزله سال ۲۰۱۰ در منطقه “بیو بیو” به بزرگی ۸.۸ ریشتر. پس از این زلزله، کدهای ساختمانی NTM-001 از MINVU که بر اساس کد آمریکایی ASCE-07 بود، و در سال ۲۰۱۵، NCh-3357/2015 تدوین شد.

کد NCh-3357/2015

این کد حداقل ضوابط طراحی لرزه ای برای اجزا و سیستم های غیر سازه ای را مطرح می کند که به شکل دائمی در ساختمانها نصب می شوند. این شامل تجهیزات مکانیکی مانند ژنراتورها، فن ها، برج های خنک کننده و … می شود. در ادامه، تعاریف و معادلات مورد استفاده در کدها برای محاسبه ملزومات لرزه ای در اجزای غیر سازه ای ارائه شده است:

نیروی طرح لرزه ای: نیروی طرح لرزه ای افقی F_p، برای مرکز گرانش تجهیز یا گرانش منتشر شده در توده تجهیز به کار می رود و از معادله زیر (۱) به دست می آید:

این کد مشخص می کند که مقدار F_p باید در محدوده زیر باشد:

وقتی که F_p نیروی لرزه جزء غیر سازه ای باشد، α_AA شتاب طیف طراحی است که توسط D.S.61/2011 از MINVU دسته بندی می شود.
در جدول ۲ مقادیر ممکن نشان داده شده اند. α_p فاکتور تقویت دینامیکی است که بین ۰.۱ تا ۲.۵ است. I_p فاکتور اهمیت است که بین ۱.۰ تا ۱.۵ است. W_p وزن تجهیز در حین کار است. R_p فاکتور اصلاح پاسخ است که بین ۱ تا ۸ متغیر است. z ارتفاع اجزا با توجه به زمین و ارتفاع طبقه است. برای اجزای مستقر در زیرزمین z=0 است. h ارتفاع ساختمان با توجه به زمین و g شتاب گرانش بر حسب cm/s^۲ است.
نیروی طرح لرزه ای افقی، F_p، باید در دو جهت در مقابل بار هر جزء به کار رود. بعلاوه، یک نیروی طرح لرزه ای همزمان، F_pv، وجود دارد که برابر با ±(۰.۲۴ α_AAW_p)/g است.

که در آن پارامتر Z، بستگی به زون لرزه ای دارد که در جدول (۳) مشخص شده است. برای نوع زمین F، بر اساس کد NCh 433-1996، یک مطالعه و بررسی خاص باید برای تعیین نیروهای لرزه ای انجام شود.

بروز اختلالات در زمان زلزله

در این بخش، اختلالاتی که در زمان وقوع زلزله ۲۷ فوریه ۲۰۱۰ در شیلی رخ داد، شرح داده می شود. عکس ها در ۲۸ فوریه همان سال در نقاط کاری مختلف طی بازرسی های فنی گرفته شده اند. اختلالات مشاهده شده نشان دهنده ضعف و اشتباه در انتخاب و نصب لرزه گیرها و انتخاب نادرست انکربولت ها است. هر یک از اختلالات فوق الذکر در زیر شرح داده شده است :

انتخاب لرزه گیر

یکی از مشکلات اصلی انتخاب لرزه گیرهایی بود که در برابر زلزله مقاومت نداشتند. لازم است در مناطق زلزله خیز از لرزه گیرهایی استفاده شود که دارای قاب سختی باشند تا حرکات اضافی لرزه گیر و تجهیز مربوطه را در زمان وقوع زلزله محدود کنند.

نصب لرزه گیر

مشکل دیگری که مشاهده شد این بود که علیرغم انتخاب لرزه گیر درست در بسیاری از موارد، نصب انکر بولت ها در فاصله بسیار نزدیک به لبه بتن سبب تخریب بتن و انکر بولت شده است.
در شکل مقابل لرزه گیر سالم است اما بتن به دلیل نزدیک بودن بیش از حد انکربولت به لبه آن تخریب شده است.

انتخاب انکر بولت

نکات مهم دیگری که نباید مورد غفلت قرار گیرند اتصال بین تجهیز و لرزه گیر و بین لرزه گیر و سازه است. در شکل زیر اختلال ایجاد شده بر اثر نیروی برشی وارده به انکر بولت نامناسب دیده می شود.

توجه داشته باشید که آنچه در این مقاله مورد بررسی قرار گرفت، در حقیقت اصول طراحی سیستم های لرزه گیر تجهیزات مکانیکی است که بایستی در تمام مناطق زلزله خیز مورد توجه قرار گیرد.
توصیه های طراحی بر اساس ضوابط بین المللی ASHRAE در مورد مهار لرزش تأسیسات و کد لرزه ای کشور شیلی (NCh-3357/2015) در مورد مقاومت لرزه ای ارائه شده اند.
با تجمیع این دو ضابطه، می توان به یک سیستم طراحی کنترل لرزش منسجم و مؤثر دست یافت و بر اساس آن عملکرد پیوسته و صحیح تجهیزات مکانیکی دارای لرزه گیر را در خلال و پس از زلزله تضمین کرد.
صدمات ناشی از یک سیستم لرزه گیر فاقد مهار کننده های لرزه ای می تواند سبب بروز خسارات مالی و جانی فراوانی شود. نهایتاً می توان نتیجه گرفت که مهندسان و مشاوران آکوستیک شاغل در کشورهای زلزله خیز بایستی با توجه به پیشرفت های حاصل شده در خصوص تولید لرزه گیر های مهاردار، تمرکز خود را بر انتخاب و نصب دقیق و صحیح لرزه گیر ها معطوف کنند تا به این وسیله از بروز خسارات مالی و جانی افراد در زمان بروز حوادث تا حد امکان جلوگیری کنند.