بررسی نحوه عملکرد انواع میراگرهای انرژی در برابر زلزله

حفاظت از سازه‌ها در برابر اثرات تخریبی نیروهای محیطی و انرژی‌های ورودی به سازه همواره از مهم‌ترین دغدغه‌های مهندسین سازه بوده‌است. سازه‌ها به دلایلی از جمله عدم وجود یک سیستم مقاوم در مقابل نیروی جانبی، قرار داشتن در مناطقی با خطر نسبی بالای زلزله، ضعف در طراحی و اجرا، عدم کیفیت مصالح، رعایت نکردن اصول فنی در زمان اجرا و ضعف در آیین‌نامه‌ها مقاومت کافی در مقابل نیروی زمین لرزه را ندارند. در سال‌های اخیر سیستم‌های جدیدی ارائه شده که هر یک به نوعی نیروی زلزله موثر بر سازه را کاهش می‌دهد و همچنین در حد امکان سازه را میرا می‌سازد و از جمله این سیستم‌ها می توان به میراگرهای ویسکوز اشاره نمود.

خدمات طراحی سازه:

طراحی میراگرها (دمپر)

انواع میراگرهای انرژی

اساس کار میراگرها در سازه، بر مبنای استهلاک انرژی وارده است، میراگرهای فلزی جاری شونده با تمرکز خسارت در خود، سایر اجزای سازه ای را در محدوده الاستیک نگاه داشته و پاسخ دینامیکی سازه را کاهش می‌دهد. همچنین به منظور بهسازی ساختمان‌ها و مقاوم سازی نیز وسایل مناسبی هستند و با هزینه اندک و سرعت اجرای بالا، رفتار لرزه‌ای سازه را بهبود می بخشد.

انتخاب نوع میراگرها و ظرفیت آن با توجه به شرایط و نوع سازه صورت می پذیرد. هدف از استفاده از میراگرها، اضافه کردن المان‌هایی به سازه جهت کنترل انرژی ورودی و در نتیجه کاهش نیروی وارده به سازه، دامنه ارتعاشات و جابجایی‌ها است. میراگرها انواع مختلفی دارند که مهمترین آنها عبارتند از :

• میراگر جرمی که خود بر 2 نوع است : تنظیم شده انتقالی و پاندولی
• میراگر سیال وسیکوز (لزج)
• میراگر اصطکاکی که این میراگر نیز 2 نوع است : پال و چرخشی
• میراگر فلزی (تسلیم شونده)
• میراگرهای آلیاژی (SMA)

1. میراگر جرمی

یک سیستم میراگر جرمی فعال (TMD)  وسیله‌ای متشکل از یک جرم، فنر و یک میراگر است که به منظور کاهش پاسخ دینامیکی سازه به آن متصل می گردد و تحت اثر حرکات جانبی سازه شروع به ارتعاش می نماید تا حرکت سازه محدود گردد. فرکانس میراگر به گونه ای تنظیم می شود که در فاز مخالف با فرکانس ارتعاشی سازه باشد. انرژی ارتعاشی سازه نیز توسط نیروی اینرسی میراگر که بر روی سازه اعمال می گردد، تلف می‌شود. در این روش تنها با افزودن 2 % به جرم اولیه سازه، می توان به میرایی موثر 10 % رسید. البته جنبه منفی آن حرکت نسبی بزرگ جرم میراگر است که 10 برابر تغییر مکان جرم اولیه است و در طراحی میراگر حتما باید لحاظ گردد. این نوع میراگرها در واقع یک سیستم یک درجه آزادی می باشند که خود شامل جرم داخلی، فنر داخلی و میراگر داخلی هستند و در طبقات بالایى سازه نصب می گردند. جرم مذکور داراى تغییر مکان افقى بدون دوران مى باشد که مدل این نوع میراگر و نیز نمای شماتیک از عملکرد آن در شکل زیر قابل مشاهده است.

شکل(1) : میراگر جرمی

الف) میراگر جرمی تنظیم شده جابجائی (انتقالی):

در این میراگرها، جرم بر روی تکیه گاه های غلتکی قرارمی گیرد که این تکیه گاه ها به جرم اجازه می‌دهد به صورت انتقالی – جانبی نسبت به کف حرکت نماید. فنرها و میراگرها نیز بین جرم و تکیه گاه های ثابت عمودی قرار گرفته و نیروی جانبی در فاز مخالف را به سطح کف و سپس به تراز طبقه و قاب سازه‌ای منتقل می کنند. میراگرهای انتقالی دو جهته نیز به صورت فنر- میراگر در دو جهت عمودی ساخته می شوند و امکان کنترل حرکت سازه در دو صفحه عمودی را فراهم می آورند. شکل زیر ساختار عمومی میراگر جرمی تنظیم شده انتقالی یک جهته را نشان می دهد.

شکل (2): ساختار عمومی میراگر جرمی تنظیم شده انتقالی یک جهته

ب) میراگر جرمی تنظیم شده پاندولی:

استفاده از غلتک ها و نیز مشکلات و مسائل مرتبط با آن طراحان را به فکر اصلاح این ایده و عدم وابستگی به آن وا داشت.

این مشکل با کمک تقویتهای کابلی جرم، که به سیستم اجازه رفتاری مشابه یک پاندول را می دهند قابل حل است و مدل آن در شکل زیر دیده می شود. البته در عمل، این نوع میراگرها دارای محدودیت‌هایی جدی هستند. چون پریود بستگی به L دارد، طول موردنیاز برای Td بزرگ، ممکن است از ارتفاع طبقه بیشتر باشد. بطور مثال طول مورد نیاز برای پریود 5 ثانیه 2,6 متر است.بدین منظور، جهت حل این مشکل، از اتصال صلب داخلی استفاده مینمایم بنحوی که طول موثر پاندول به  2L افزایش می یابد.

شکل (3): میراگر جرمی تنظیم شده پاندولی

2. میراگر سیال وسیکوز (لزج)

استفاده از سیال چسبنده مستهلک کننده، ایده ای مناسب جهت یافتن راه حلی دیگر برای افزایش اتلاف انرژی در سیستم های جانبی در سازه می باشد. یک سیال لزج میرا، ضمن تعدیل انرژی از طریق هل دادن سیال به درون منافذ، سبب تولید یک فشار مستهلک کننده که تولید نیرو می کند نیز خواهد شد. این نیروهای میرا تا 90 درصد خارج از فاز تولید تغییر مکان، به وسیله نیروهای محرک رخ می دهند. این بدین معنی می باشد که نیروهای میراکننده، تاثیری در افزایش نیروهای لرزه‌ای منجر به افزایش تغییر شکل سازه، ندارند. سیستم میراگر با سیال ضربه گیر لزج در شکل زیر نشان داده شده است. توانایی عمل استهلاک، توسط مایعی که روی سر پیستون در جریان است تامین می‌گردد. بواسطه وجود فاصله‌ای مناسب بین جداره داخلی سیلندر و جداره خارجی سر پیستون، یک منفذ دایره‌ای بوجود می آید که سیال با عبور از این منفذ که با سرعت بالایی میراگر را مشخص خواهد کرد. هنگامی که سیال ضربه گیر غلیظ تحت فشار شروع به ضربه زدن می کند، مایع فوق الذکر از محفظه یا اتاقک 2 به اتاقک 1 جاری می شود و هنگامی که سیال ضربه گیر لزج تحت شرایط کشش قرار دارد مایع از محفظه اول به محفظه دوم سرازیر می شود. سیال در ضمن عبور از محفظه حلقوی با ایجاد اختلاف فشار در روی سر پیستون باعث به وجود آمدن نیروی ضرب های می گردد. میراگرهای حاوی این سیالات، هم در بنا های ساخته شده و هم بناهای درحال ساخت، قابل طراحی و اجرا است.همچنین سازه های مقاوم سازی شده با این روش، عملکرد مناسبی در زلزله ها داشته است.

همانگونه که ذکر شد، اساس و هدف این روش، کاهش تحرکات لرزه خیزی سازه می باشد و به سازه امکان داشتن حالت خطی و الاستیک را طی رویداد زلزله خواهد داد. سیال لزج ضربه گیر و میرا کننده، با افزودن میزان میرایی سازه از طریق میراگرها، سبب پایین آوردن میزان تشدید در طیف پاسخ زلزله خواهد شد. البته افزودن میراگرسیال ویسکوز به سازه، تغییری را در بازه زمانی پاسخ به همراه نخواهد داشت و عملکرد آن بدین گونه است که میرایی سازه را در شرایط بحرانی، از 5 درصد به چیزی بین 20 تا 30 درصد و گاهی بیشتر افزایش می دهد. میراگر سیال ویسکوز، قابلیت بکارگیری و اجرا در قریب به تمامی سازه ها را داراست لذا می‌تواند در طراحی ها، هم برای سازه های جدید و هم سازه های ساخته شده، مدنظر قرار گیرد.

همچنین این نوع میراگرها، به دلیل کوچکی اندازه، بدون آنکه تغییری در شکل بنا بوجود آورند، به آسانی به سازه افزوده می گردند که این مساله در بازسازی ابنیه تاریخی بسیار حائز اهمیت است. به عبارتی، افزودن این میراگرها به سازه، اغلب تغییری در خود سازه بوجود نخواهد آورد. با توجه به اینکه میراگرهای سیال لزج به شیوه های مختلف به عنوان اعضای قطری قابل نصب هستند، شرایط مقاوم سازی بیش از پیش تسهیل خواهد شد.

3. میراگر اصطکاکی

در این نوع میراگر، انرژی زلزله صرف غلبه بر اصطکاک موجود در سطح تماسِ قطعات می شود. از ویژگی‌های دیگر این میراگرها می توان به عدم ایجاد خستگی در بارهای خدمت (به دلیل فعال نشدن میراگرها تحت این بارها) و وابسته نبودن عملکرد آنها به سرعت بارگذاری و دمای محیط می توان اشاره نمود. این میراگرها به موازات مهاربندها نصب می شوند.

الف- میراگر اصطکاکی چرخشی:

 در شکل زیر میراگرهای اصطکاکی چرخشی نشان داده شده است. به علت رفتار بسیار ساده و سهولت در نصب و ساخت این نوع میراگر به یکی از انواع متداول در میراگرهای اصطکاکی تبدیل شده است.

شکل(4): میراگرهای اصطکاکی چرخشی

ب- میراگر اصطکاکی پال:

این میراگر شامل یک بادبند و چند سری ورق فولادی به همراه پیچ های اصطکاکی می باشد که در بخش میانی بادبند نصب می شوند. ورق‌های فولادی توسط پیچ های پرمقاومت به یکدیگر متصل شده که نسبت به یکدیگر تحت نیروی مشخصی لغزش می کنند.

شکل (5): میراگر اصطکاکی پال

 4. میراگرهای فلزی (تسلیمی)

در این میراگر، انرژی منتقل شده به سازه صرف تسلیم و رفتار غیر خطی در قطعات بکار رفته در میراگر می‌شود. در این میراگرها از تغییر شکل غیرالاستیک فلزات شکل پذیری مانند فولاد و سرب جهت اتلاف انرژی استفاده می شود. در تمام سازه های معمولی اتلاف انرژی بر شکل پذیریِ اعضای فولادی پس از تسلیم متکی است. در بادبندها استفاده از میراگرهای فلزی تسلیمی متداول تر می باشد. این نوع میراگرها اغلب از چند ورق فولادی موازی تشکیل می شوند و در ترکیب با یک سیستم بادبندی، نقش جذب و اتلاف انرژی را بر عهده می‌گیرند. این قسمت از مهاربند به عنوان یک فیوز در سازه عمل نموده و با تمرکز رفتار غیر خطی در خود، مانع از بروز رفتار غیر خطی و آسیب در سایر اجزا اصلی و فرعی سازه می گردد. تسلیم گسترده در تمام حجم فولاد، تأمین میرایی هیسترتیک و اتلاف انرژی فوق العاده از خصوصیات منحصر به فرد این نوع میراگر می‌باشد. این میراگرها ضمن تأمین میرایی از سختی جانبی بالایی برخوردار بوده و به همین جهت با عنوان میرایی و سختی افزوده، (ADAS=Added Damping And Stiffness) نامگذاری شده است. این میراگرها معمولاً بین راس مهار بندهای جناقی و تیر طبقه نصب می شوند. با پیش بینی اتصالات مناسب، این میراگرها در قاب‌های بتنی نیز قابل نصب می باشند.

5. میراگرهای آلیاژی (SMA)

  میراگرهای آلیاژی Shape Memory Alloy) SMA) از فلزاتی ساخته می‌شوند که دارای دو خاصیت زیر باشند:

• انعطاف پذیری آنها مشابه با انعطاف پذیری قطعه لاستیکی باشد.
• پس از اعمال تغییر شکل‌های زیاد در آنها، در اثر حرارت به حالت اولیه خود باز گردند.

آلیاژ نیکل و تیتانیوم ضمن دارا بودن این خواص از مقاومت خوبی در برابر خوردگی نیز برخوردار است.

نتیجه گیری

1. میراگرها، انرژی ورودی به سازه را 2 تا 5 برابر و جابجایی را 2 تا 3 برابر کاهش می دهند. به عبارتی میراگرها به دلیل جذب انرژی ورودی به سازه، سبب کاهش نیروی اعضای سازه و تغییر شکل ها شده و توزیع نیرو در سازه را تغییر می دهند لذا می توان به عنوان یک گزینه مناسب از این روش جهت اصلاح توزیع نیروها استفاده کرد. قابل ذکر است که میراگرها و کلیه اتصالات آن، برای 130 % جابجایی ناشی از زلزله MCE طراحی می شوند (زلزله ای که در پنجاه سال به احتمال 2 % رخ می دهد).
2. افزودن سیال میرا به یک سازه نیز می تواند خاصیت استهلاک سازه را به چیزی بیش از 30% حد نهایی و بحرانی خود برساند که در بعضی از موارد بیش این مقدار نیز بوده است. در نتیجه این عمل موجب کاهش عمده تحرکات لرزه خیزی می گردد. افزایش سیال میراکننده به یک سازه موجب کاهش شتاب افقی طبقه و تغییر شکل‌های جانبی تا 50% و گاهی بیشتر نیز می شود. در مجموع میراگرهای جرمی و میراگرهای حاوی سیال میرا کننده، قابلیت جذب انرژی نیروهای جانبی را دارا می‌باشند و عملکرد سازه های مقاوم سازی شده بدین روش، در برابر چند زلزله بزرگ، مناسب و رضایت بخش ارزیابی گردیده است. استفاده از میراگرها، جایگزین مناسب و کم هزینه تری برای سایر روش‌ها در این زمینه می باشد. البته باید این نکته نیز در نظر گرفته شود که نصب میراگرها در سازه، آسان‌تر بوده و راندمان آن نیز بالاتر است. همچنین این سیستم، هم در سازه های جدید و نوساز و هم در سازه های ساخته شده و قدیمی قابل استفاده و بکارگیری است.

مراجع

بررسی انواع میراگرهای انرژی و نحوه عملکرد آنها در برابر زلزله؛ دکتر احمد علی فلاح، جواد نصیری، سهیل چراغی؛ اولین همایش ملی زلزله شناسی و مهندسی زلزله؛ 1392.

میرزاگل تبار، بررسی کارکرد میراگرهای انرژی سازه در مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای سازه ها. همایش ملی سازه، راه، معماری.