11 آبان 1400

مزایای استفاده از میراگر لرزه‌ای در مقاوم‌سازی سازه ها چیست؟

مزایای استفاده از میراگر لرزه‌ای در مقاوم‌سازی سازه ها چیست؟ در طول مدت عمر سازه ها نیروهای مختلفی به سازه وارد می شوند که یکی از مهم ترین این نیروها نیروی ناشی از حرکت پایه سازه یا زلزله است. در طراحی سازه ها اهداف مختلفی از جمله افزایش ایمنی سازه، کاهش هزینه و افزایش سرعت ساخت، افزایش بهره وری سازه و … در نظر گرفته می شود. یکی از مهم ترین این اهداف، حذف خسارت های جانی احتمالی در حین و بعد از وقوع زلزله است.

امروزه در کنار این هدف اصلی، کاهش آسیب ها و خسارت های مالی وارد بر سازه و کاهش هزینه های تعمیر یا بازسازی پس از زلزله هدفی مهم به شمار می رود. برای دستیابی به این اهداف روش های مختلفی در طول دهه های گذشته توسعه پیدا کرده است. کاهش نیروهای وارد بر سازه با استفاده از جداسازهای پایه و میرا نمودن نیروی زلزله در قسمت های محدودی از سازه که به عنوان میراگر شناخته می شوند، در طول دهه های اخیر با استقبال زیادی مواجه شده است.

با توجه به این موضوع انواع مختلفی از جداسازهای پایه و میراگرها توسط محققین مختلف پیشنهاد و مورد آزمایش قرار گرفته است. استفاده از میراگر لرزه‌ای در مقاوم‌ سازی سازه ها و جداسازهای پیشنهاد شده دارای تنوع بسیار زیادی بوده و هرکدام از این ابزارها و روش استفاده از آن دارای مزایا و معایب خاص خود هستند. در حالت کلی استفاده از میراگرها و جداسازها و سایر ابزارهایی که برای کاهش و مستهلک نمودن نیروی زلزله مورد استفاده قرار می گیرند به عنوان سیستم کنترل ارتعاشات در سازه شناخته می شوند.

روش های مختلف کنترل ارتعاش سازه

تحت تأثیر نیروهای مختلف از جمله زلزله، سیستم کنترل ارتعاش ایجاد شده در سازه را می توان به طور کلی به سه دسته کنترل فعال، کنترل غیرفعال و کنترل نیمه فعال تقسیم کرد. تفاوت بین هر یک از این دسته ها در زیر توضیح داده شده است.

کنترل فعال

در سیستم کنترل فعال، هنگام ارتعاش سازه، اطلاعات حاصل از محرک های خارجی شامل شتاب زمین و وضعیت سازه شامل جابجایی، سرعت و شتاب قسمت های مختلف توسط گیرنده به هسته پردازش اصلی ارسال می شود. با پردازش اطلاعات فوق، هسته پردازشی سیستم کنترل بهترین پاسخ را برای کاهش نیرو و تغییر شکل ناشی از تحریک ایجاد شده در سازه تعیین می کند. در این حالت از روش ها و ابزارهای مختلف مانند جرم و سختی متغیرهای فعال برای اعمال نیروهای کنترلی مناسب به سازه استفاده می شود. به این ترتیب سیستم کنترل فعال با استفاده از انرژی خارجی در هنگام وقوع زلزله تغییرات لازم را در خصوصیات دینامیکی سازه ایجاد می کند.

کنترل غیرفعال

بر خلاف سیستم کنترل فعال، سیستم کنترل غیر فعال از انرژی خارجی و سیستم های پردازشی و اجباری برای تغییر مشخصات دینامیکی و مصرف انرژی ورودی سازه استفاده نمی کند. به همین دلیل هزینه ساخت، نگهداری و استفاده از سیستم‌های کنترل غیرفعال بسیار کمتر از سیستم‌های کنترل فعال است و از مقبولیت بیشتری برخوردار هستند.

در این سیستم کنترل سازه به گونه ای طراحی می شود که انرژی ورودی به سازه کاهش یافته یا به سمت تجهیزات مصرف کننده انرژی (میراگرها) هدایت شود. با توجه به محدود بودن سطح ضربه، شکاف پایه و میراگر، اگر این قطعات در هنگام زلزله آسیب جدی ببینند، می توان این قطعات را با سهولت بیشتری تعمیر یا تعویض کرد. طبق تعریف، بسیاری از روش های کاهش و مصرف انرژی در دسته کنترل غیر فعال قرار می گیرند.

کنترل نیمه فعال

وضعیت دیگر کنترل سیستم بین دو نوع اول و دوم قرار دارد. در واقع در یک سیستم کنترل نیمه فعال، دامنه استفاده از انرژی خارجی و سیستم های کنترل بسیار محدود است. به همین دلیل در اکثر موارد سیستم کنترل از انرژی باتری و تغییرات در مشخصات سازه ای مانند سختی برای اصلاح حرکت سازه در هنگام زلزله استفاده می کند. به این ترتیب در سیستم کنترل نیمه فعال برخلاف سیستم فعال انرژی زیادی به سیستم اضافه نمی کند.

روش های مختلف کنترل ارتعاش سازه

مقدمه ای بر جداکننده ها و میراگر

طبق تعریف روش های کنترل سازه، اسپلیترها و میراگر ها (Damper) به طور کلی سیستم های کنترل غیر فعال در نظر گرفته می شوند. جداسازها و میراگر کمی متفاوت عمل می کنند. جداکننده سعی می کند سازه را از اجزای کف افقی جدا کند. جدا شدن حرکت افقی سازه از زمین منجر به کاهش قابل توجه انرژی اعمال شده به سازه در هنگام زلزله می شود.

در واقع، پارتیشن لایه ای از عناصر استحکام جانبی کم را تشکیل می دهد و عملکردی شبیه به سیستم تعلیق خودرو در سازه ایجاد می کند. فرکانس تحریک این لایه بسیار کمتر از فرکانس طبیعی سازه و فرکانس غالب زلزله است. در این حالت، تغییر شکل اصلی ایجاد شده در سازه تحت محرک لرزه ای در جداساز رخ می دهد و جابجایی نسبی ایجاد شده در کف سازه را بسیار محدود می کند.

به این ترتیب با جداکننده پایه، انرژی ورودی به سازه به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. در دهه های اخیر، مردم تحقیقات زیادی در زمینه جداساز و سطح میراگر، به ویژه در کشورهای زلزله خیز از جمله ایالات متحده، ژاپن و نیوزلند انجام داده اند.

میراگرهای جاری شونده فلزی

در سازه‌های سنتی که در برابر زلزله‌های شدید و زلزله‌های نسبتاً قوی مقاومت می‌کنند، اجزای اصلی سازه مانند تیرها و ستون‌ها آسیب‌های سازه‌ای قابل توجهی دیده‌اند. در این صورت هزینه تعمیر و بازسازی این سازه ها پس از وقوع زلزله زیاد است و در برخی موارد تعمیر سازه ها از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.

با استفاده از سیستم های انرژی گیر و هدایت نیروهای وارده به سازه به این اجزا می توان از آسیب به اجزای اصلی سازه جلوگیری کرد. استهلاک انرژی مصالح یکی از روش های رایج برای کنترل غیرفعال سازه ها می باشد. میراگر از توانایی قابل توجه مواد برای سرکوب انرژی ورودی به سازه استفاده می کند. در هر چرخه بار اعمال شده به این استفاده از میراگر لرزه‌ای در مقاوم‌سازی سازه ها، مقدار زیادی انرژی از طریق تغییر شکل غیرکشسانی تلف می شود.

به این ترتیب استفاده از میراگر متحرک تا حد زیادی از آسیب دیدن سایر اعضای سازه جلوگیری می کند. قدرت و ظرفیت جذب انرژی جریان میراگر به شدت به خصوصیات تنش-کرنش ماده فلزی در ناحیه غیر خطی بستگی دارد. در جریان میراگر، ماده تحت نیروهای محوری، خمشی و برشی متفاوت تسلیم می شود؛ پیچش یا ترکیبی از این نیروها رخ می دهد.

خروجی میراگر با جابجایی تحریک می شود. بنابراین افزودن این اجزا به سازه باعث افزایش سفتی الاستیک سازه می شود. با افزایش سختی، تغییر شکل سازه در ناحیه الاستیک بهتر کنترل می شود. اولین ایده استفاده از میراگر فلزی جاری شونده در دهه 1970 معرفی شد. در چند دهه گذشته، مردم تحقیقات زیادی در مورد روش ها و اشکال مختلف استفاده از میراگر فلزی انجام داده اند. محبوب ترین فلز میراگر X شکل ، میراگر قطعه مثلثی ، میراگر شکاف دار، میراگر سرب تزریقی و آلیاژ حافظه شکل میراگر است.

مزایای استفاده از میراگر فلزی جاری شونده

میراگر فلزی دارای مزایای بسیاری است و استفاده از این نوع میراگر به مرور زمان افزایش یافته است. مزایای قابل توجه میراگر فلزی عبارتند از:

استفاده از ظرفیت جذب انرژی بالای فلز (به ویژه فولاد) برای کاهش ارزش انرژی ورودی به سازه
به دلیل رفتار حلقوی غیر خطی مواد فلزی مناسب (به ویژه فولاد)، رفتار حلقوی پایداری دارد.
رفتار چرخه ایی هیچ ارتباطی با تغییرات دما در دمای معمولی محیط ندارد
در دسترس بودن مواد مورد نیاز و تکنولوژی ساخت
هزینه ساخت کم و هزینه نگهداری کم در طول عمر سازه
کاهش قابل توجه هزینه های تعمیر و بازسازی پس از زلزله های نسبتا قوی و زلزله های قوی
در حال حاضر تعویض قطعات آسیب دیده در اکثر میراگر ها نسبتا ساده است و تعمیر یا تعویض میراگر تداخل قابل توجهی در استفاده از سازه ایجاد نخواهد کرد.
لرزش خفیف ساختار منطقه خطی مواد میراگر را کنترل کنید و سفتی جانبی ساختار منطقه خطی را افزایش دهید.

نوع جداساز و میراگر

در سازه های سنتی که بدون تجهیزات میرایی هستند، آسیب جدی به سازه و اجزای غیر سازه ای وارد می شود ابزارها و روش های مختلفی برای بهبود عملکرد سازه ها در هنگام زلزله وجود دارد. در اکثر این روش ها با کنترل و محدود کردن تغییر شکل جزء ویژه تعبیه شده در سازه، تغییر شکل در جزء اصلی کاهش می یابد. سیستم های کنترل غیرفعال را می توان به طور کلی به دو تقسیم کننده اصلی و میراگر تقسیم کرد.

انواع عایق ضربه

برای جداسازی سازه از پایه از تکیه گاه های ویژه ای استفاده می شود. این تکیه گاه ها دارای سفتی عمودی خوب و سفتی جانبی کم هستند. نیروی عمودی ناشی از بار ثقلی از طریق سختی عمودی مناسب تکیه گاه به زمین منتقل می شود. سختی جانبی کم دیافراگم باعث افزایش دوره نوسان سازه می شود و در نتیجه از انتقال بیشتر اجزای افقی زمین به سازه در هنگام زلزله جلوگیری می کند.

به این ترتیب بخش زیادی از انرژی لرزه ای وارد سازه نمی شود. سیستم های الاستیک شامل الاستومرهای طبیعی و مصنوعی، یا سیستم های کشویی با پوشش تفلون یا فولاد ضد زنگ یا ترکیبی از هر دو، عمدتاً برای ساخت پارتیشن های اساسی استفاده می شوند.

پارتیشن الاستیک طبیعی با میرایی کم

در جداکننده‌های الاستیک طبیعی با میرایی کم، از لایه‌های ورق فولادی بین لایه‌های مواد الاستیک ضخیم استفاده می‌شود. نیروی محوری و نیروی برشی از طریق صفحات فولادی بالا و پایین منتقل می شود.

پارتیشن الاستیک طبیعی با میرایی کم

جداکننده الاستومری طبیعی با میرایی بالا

در این گونه جداکننده ها از الاستومرهای با میرایی بالا استفاده شده است.

جداکننده هسته سرب

این نوع جداکننده از ترکیبی از لاستیک ضخیم، صفحه فولادی و هسته سربی تشکیل شده است. هسته سربی جداکننده تحت نیروی جانبی ناشی از زلزله جریان دارد.

جداکننده اصطکاک آونگی

شکل اولیه جداکننده اصطکاکی از دو صفحه مسطح و یک براکت مفصلی کشویی تشکیل شده است. در این حالت پس از ایجاد محرک لرزه ای، تغییر شکل افقی در سازه ایجاد شد. در این حالت به منظور جلوگیری از تغییر شکل دائمی افقی در سازه، جداکننده اصطکاکی آونگی با شکل هندسی خاص ساخته شده است.

ویسکوز میراگر

در این نوع میراگر، پیستون در یک سیلندر پر از روغن یا سیلیکون یا مواد مشابه حرکت می کند. در انتهای پیستون سوراخ های کوچک زیادی وجود دارد که وقتی در سیلندر حرکت می کند، از طریق این سوراخ های کوچک، سیال موجود در سیلندر از طریق این سوراخ ها به طرف دیگر پیستون منتقل می شود. در این حالت انرژی اعمال شده با ایجاد نیرویی در برابر حرکت پیستون تلف می شود.

ویسکوالاستیسیته میراگر

مواد ویسکوالاستیک استفاده از میراگر لرزه‌ای در مقاوم‌سازی ساختمان سازه ها معمولا از لایه ای از مواد ویسکوالاستیک بین صفحات فلزی ساخته می شوند. با ایجاد جابجایی برشی صفحه فلزی، لایه مواد ویسکوالاستیک دچار تغییر شکل برشی می شود. راندمان بالای چنین میراگر ها در برج ها باعث گسترش استفاده از این گونه میراگر ها شده است. در سازه های ساختمانی، استفاده از میراگر لرزه‌ای در مقاوم‌سازی سازه ها ویسکوالاستیک اغلب برای مهاربندی مورب استفاده می شود.

میراگرهای جرمی

در میراگر جرمی از جرم متمرکزی که توسط فنر به بالای سازه متصل می شود برای انجام میرایی و کاهش پاسخ دینامیکی سازه استفاده می شود.

میراگرهای جرمی

میراگر مایع

در میراگر های مایع نوسانات در مخازن مایع کم عمق نصب شده در بالای سازه می تواند باعث ایجاد تلاطم در مایع این مخازن شود که انرژی ارتعاشی وارد شده به سازه را مصرف می کند. عواملی که بر رفتار مایع تنظیم کننده میراگر تأثیر می گذارند عبارتند از: اندازه و شکل مخزن، نسبت جرم مایع به جرم ساختاری، عمق و ویسکوزیته مایع و ناهمواری دیواره مخزن. با تنظیم این پارامترهای موثر می توان مصرف انرژی در سازه را بهینه کرد. این نوع میراگر اغلب در سازه های سطح بالا استفاده می شود.

میراگر های اصطکاکی

میراگر اصطکاکی با لغزش بین دو جسم فلزی و مالش بین سطوح آنها مقادیر زیادی انرژی ورودی را مصرف می کند. در چند دهه گذشته، انواع میراگر اصطکاکی برای استفاده در سازه ها توسعه یافته است.

کلام آخر

در دنیای امروزی توجه ساخت سازه هایی باکیفیت و مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله بسیار افزایش یافته است از این رو استفاده از روشهای مختلف بخصوص بکارگیری میراگرها در این مسیر از استقبال خوبی برخوردار شده است که امنیت نسبی خوبی به سازه هنگام وقوع زلزه به ساکنین القا میکند بسته به نوع سازه استفاده از میراگر ها متفاوت خواهد بود.

: اشتراک گذاری