میراگر و جداساز لرزه ای

استرونگ هلد ایران | 2 سال پیش

بخش اول: میراگر های زلزله

با توجه به زلزله هاي اخير کشور و غير مقاوم بودن بخش وسيعي از ساختمان هاي موجود در کشور و با توجه به اهميت زياد و مسئله مقاوم سازي ساختمانها درمقابل لرزه هاي نيرو هاي لرزه اي و طراحي بهينه

ساختمان ها در مقابل زلزله ، بحث جديدي که در سالهاي اخير ميان دانشمندان علوم ژئو تکنيک و مهندسين طراح سازه ها مطرح شده است طراحي نوع جديدي از ساختمانها است که شامل يک سيستم مهاربند

لرزه اي باشند که فقط در مقابل ارتعاشات مختلف ناشي از زلزله عمل نموده و در تحمل بارهاي استاتيکي هيچ نقشی نداشته باشند.

با پيشرفت علم مهندسي عمران و شروع طراحي سازه هاي مقاوم در برابر زلزله و مقاوم سازي ساختمانهاي موجود ، ايده هاي مختلفي توسط صاحبان عقيده در اين مورد بيان شده . تحقيقات بسيار وسيعي

در کشورهايي نظير ژاپن ،نيوزلند و ايالات متحده انجام شد و نتايج اين تحقيقات در قالب ايده اي جديد مقاوم سازي لرزه اي ساختمانها اعلام شد . در اين روشها که از اوايل دهه 1960 پايه ريزي شد ،

ممانعت از لرزش ساختمانها در هنگام زلزله در رأس کار قرار داشت . سيستم هايي که ارائه شد ، بر اين پايه استوار بودند که سازه را در مقابل زلزله جداسازي کنند .با تعريف اعضا جديدي در سازه با نام

ميراگر (Damper) که عامل اتلاف انرژي لرزه اي وارد به ساختمان هستند و به کار بستن آنها در ساختمانها مي توانيم يک ساختمان بهينه سازي شده داشته باشيم که درمقابل انواع بار هاي ديناميکي

ناشي از زلزله رفتاري مناسب و مطلوب از خود ارائه مي دهد .

هدف اصلي در اين روشها جلوگيري از انتقال مستقيم نيروي زلزله از پي به سازه مي باشد . در اين روشها اگر درست اجرا شوند مي توانيم نتايج قابل قبولي داشته باشيم که مزيت اصلي اين شيوه

در مقابل شيوه هاي معمول مقاوم سازي (از قبيل نصب بادبندها – قابهاي خمشي – ديوارهاي برشي و .... که همگي در صلب کردن بيشتر سازه ها در مقابل نيروهاي زلزله تلاش مي کنند) مي باشد .

در اين روش چون نيروي زلزله به سازه وارد نمي شود و يا سهم اندکي از آن به سازه منتقل مي شود نتايج زير را مي توان انتظار داشت : 

1-تغيير مکان طبقات و تغيير مکانهاي نسبي طبقات (drift) کاهش يابد.

2-کاهش قابل ملاحظه اي در شتاب طبقات بوجود می آید.

3-خسارات سازه اي و نيز خسارات غير سازه اي به مقدار محسوس کاهش می یابد.

4- از مشکلات معماري در طراحي ساختمانها کاسته شود .

5- هزينه اجراي سازه ها بدليل استفاده از مقاطع با ظرفيت کمتر کاهش يابد .

 

 

-ميراگر چيست؟

 

اصولا در مورد همه ي مواردي که در طبيعت وجود دارند يکي از خصوصيات ذاتي ماده ، ميرايي ماده مي باشد. همانطور که با دانستن ضريب الاستيستيه يک ماده مي توانيم محاسبات

مربوط به مصالح تشکيل شده از آن ماده را انجام دهيم ، با دانستن ميرايي يک ماده نيز مي توانيم به تحليل دقيقتري از سيستم هاي متشکل از آن ماده دست بیابیم. با توجه به اينکه ميرايي

داخلي (که به جنس ماده بستگي دارد) در جامدات تحت تاثير عوامل مختلفي نظير تاثيرات حرارتي ، پديده خستگي و پديده باوشينگر تغيير مي کند براي اينکه بتواني مصالح با ميرايي معلوم

داشته باشيم بايستي تاثيرات اين عوامل را در مصالح مورد نظر به حداقل برسانيم .روشهاي مختلفي براي توليد مصالح داراي ميرايي معلوم که اصطلاحاً ميراگر ناميده مي شوند ، وجود دارد

همان طور که گفته شد اولين تلاشها در اين زمينه از اوائل دهه 1960 ميلادي صورت گرفت در اين زمان سيستمهاي انتخاب شده براي جداسازي لرزه اي بسيار محدود بودند اين سيستمها شامل

ميراگرهاي تير فولادي و قطعات لاستيک لايه اي که در پي ساختمان نصب مي شوند بودند . در همان زمان با تحقيق دررفتار فلزات سيستم جديدي که بر پايه رفتار پلاستيک سرب بنا شده بود

معرفي شد که انرا سيستم ميراگر سربي – تزريقي ناميدند و اولين بار در پل تقاطع يکي از خيابانهاي نيوزلند استفاده شد .

روش منطقي ديگري که همزمان پيشنهاد شد استفاده از تغيير شکل پلاستيک تيرهاي فولادي براي ايجاد ميرايي داخلي لخت درساختمان بود .ين روش در سال 1966 توسط پوپوف ارائه شد .

 ميراگرهاي تيري فولادي که نسبت به اعضاء فولادي ديگر مقاومت بيشتري در مقابل پديده خستگي دارند با تلاشهاي کلي و همکاران در سال 1972- اسکينر 1974 - تيلور و همکاران در

سال 1991 معرفي شدند . اصولا سه نوع ميراگر تيرفولادي در آن سالها ارائه شد که عبارت بودند از ميراگرهاي پيچيشي – ميراگرهاي تيري با مقطع متغيير و ميراگرهاي با لنگر يکنواخت

در همه اين ميراگرها با استفاده از فولاد مناسب تر و شکل مناسب تر تيرها و جوشکاري در محلهايي دور  از ناحيه تغيير شکل پلاستيک ميرايي قابل قبولي حاصل مي شد .

بررسي ديگري در سالهاي 1994 و 1995 توسط دانشمندان ژاپني صورت گرفت که در آنها با انجام آزمايشات مختلفي روي ميراگرها و رسم منحني هسيترزيس آنها اقدام به پايه ريزي

سيستمهاي اتلاف انرژي کردند. تلاشهاي ديگري نيز در اين زمينه توسط محققین ژاپني و آمريکايي و نيوزیلندي انجام شده است .

زمین لرزه هاي معمول اغلب داراي زمان تناوب ها یی در محدوده ي0.10 تا 1ثانیه می باشند. سازه هاي با زمان تناوب 0 تا 1 ثانیه در مقابل این زمین لرزه هاآسیب پذیرتر هستند،

چرا که ممکن است در آن ها پدیده تشدید رخ دهد. مهم ترین ویژگی جداسازي لرزه اي، ایجاد انعطاف پذیري است که باعث افزایش زمانتناوب طبیعی سازه می شود.

افزایش زمان تناوب طبیعی احتمال رخ داد پدیده ي تشدید را کاهش می دهد، و هم چنین باعث کاهش شتاب در سازه می شود و این امر روي جابه جایی هاي افقی نیز تأثیرگذار است

افزایش زمان تناوب و آثار آن در مقادیر حداکثر جابه جایی در سازه ي جداسازي شده با میرایی کم ممکن است در زمین لرزه هاي قوي به حدود یک متر نیز برسد،

و میرایی می تواند این مقدار را به حدود50 تا 400 میلی متر برساند . این مقدار جابه جایی باید به وسیله ي درز لرزه اي تأمین شود. پاسخ هاي حقیقی سازه به عوامل مختلفی نظیر

توزیع جرم، پارامترهاي جداسازي لرز ه اي و ... وابسته است.

 

انواع ميراگرهاي غير فعال Passive Dampers

 

ميراگر اصطکاکي Friction Damper ، ميراگر ويسکو الاستيک Viscoelastic Damper ميراگر ويسکوز Viscous Damper ،ميراگر جرمي تنظيم شده

Tuned Mass Damper ، ميراگر مايع تنظيم شده Tuned Liquid Damper  را نام برد.  هر سيستم در موارد خاصي ممکن است عملکرد بهتري داشته باشد

اين سيستمها به طور کلي به گروه هاي وابسته به جابجايي ، وابسته به سرعت وسايرموارد تقسيم مي گردند. وسايل وابسته به جابه جايي بايد شامل وسايلي باشند که رفتار سخت- پلاستيک )مانند وسايل اصطکاکي(

يا رفتاردو خطي )مانند وسايل فلزي جاري شونده) داشته باشند. وسايل وابسته به سرعت شامل ميراگرهاي ويسکو الاستيک و ويسکوز ميباشند. تجهيزات اتلاف انرژي که در اين دو دسته قرار نمي گيرند جزء ساير

محسوب مي گردند.در اين قسمت هر يک از ميراگر هاي فوق معرفي گشته و چگونگي کار کرد آنها توضيح داده مي شود.

میراگرهای وابسته به تغییر مکان به دو دسته میراگر تسلیمی و اصطکاکی تقسیم می شوند که با توجه به نصب و تعویض نسبتا آسان ارزان و ساده سیستم های اصطکاکی ، نسبت به سیستم های تسلیمی ، دارای

مزیت بیشتری هستند.

 

ميراگر هاي فلزي تسلیمی  (Metallic yield damper):

 

با دانستن ساختمان کریستالی فلزات مختلف می توانیم رفتار میرایی این فلزات را در شرایط بارگذاری تناوبی بررسی نموده و خواص میرایی مطلوب در محدوده قبل از نقطه تنش تسلیم (point yield) مشاهده کنیم .

می توانیم با فرم دادن یک قطعه فلز به حالتی که در بارگذاری دینامیکی سازه رفتار میرای از خود نشان دهد (عموماً به شکل مثلث متساوی الساقین) و قرار دادن ان در محل اتصال اعضاء سازه به یکدیگر از این

خاصیت به نحو مطلوب در اتلاف و پراکنده سازی انرژی زلزله استفاده نماییم .همان طور که در تعریف میراگر گفته شد بایستی جنس و شکل و محل استفاده این دسته از میراگرها را طوری انتخاب کنیم که در طول

عمر سازه ، خواص میرایی انها تحت عوامل مختلف تاثیر گذارنده دچار اختلال نگردد .فلزی که برای ساخت اینگونه میراگرها به کار می رود ، عموماً بایستی دارای رفتار مناسب تغییر هیسترزیس ، دامنه خستگی بالا ،

استحکام نسبی بالا و عدم حساسسیت زیاد نسبت به تغییرات درجه حرارت باشد . اصولا میراگرهای فلزی ، با تکیه بر تغییر شکلهای الاستیک فلز و میرایی ناشی از اتلاف انرژی به صورت اصطکاک داخلی کریستالها

می شود . به اين منظور سيستم هاي جاذب انرژي متنوعي مي تواند استفاده گردد. از شناخته شده ، ترين اين سيستمها مي توان ميراگر فلزي جاري شونده Metallic Damper ،

میراگرهای تسلیمی وسایل فلزی هستند که می‌توانند انرزی را در یک زلزله در اثرات تغییرات غیر الاستیک فلزات تلف کنند. این میراگرها در حقیقت درحالات خمشی ، پیچشی، محوری و یابرشی تسلیم میشوند. اولین

ایده استفاده از میراگرهای تسلیمی به منظور مقاومت سازه هادر هنگام زلزله اولین بار توسط کار نظریKELLY  درسال 1972 شروع شد . این میراگرها در هنگام بار گذاری ، جاری شده و در نتیجه موجب مستهلک

نمودن مقدار زیادی از انرژی مرودی به سازه می‌گردد.

این میراگر در زمره میراگرهای غیر فعال در سازه ها می باشد که افزاینده میرایی و سختی در سازه به شمار می رود و به اختصار ADAS ( Added Damping add Stiffness) نامیده میشود.

این میراگر از تعدادی صفحات به شکل X یا مثلثی (Trainangular plate Added Damping and Stiffness)  TADAS -  می باشد.این میراگر عموما در زیر تیرطبقه و بر روی عضو تکیه گاهی

مهاربند شوون قرار میگیرد.جابجایی نسبی طبقات باعث می شود قسمت بالای ADAS نسبت به پایین آن یک حرکت نسبی داشته باشدو این تغییر نسبی باعث انحنای مضاعف در صفحات فولادی خواهد شد.

میراگرهای تسلیمی باعث تمرکز خرابی در یک نقطه از سازه می‌شوند که بعد زلزله به راحتی قابل تعویض است. 



 

 

                                             ميراگر فلزي مثلثي شکل TADAS                                                                                                                                             ميراگر فلزيX  شکل ADAS 

از خاصيت جاریشدن فلزات در روشهاي مختلفي جهت افزايش كارايي سازه در مقابل نيروهاي ديناميكي وارده به سازه استفاده شده است. ميراگر هاي فلزي معمولا از جنس فولاد ساخته مي شوند و طراحي

آنها طوري صورت مي گيردكه بر اثر ارتعاش سازه، اين ميراگر ها دچار تغيير شكل شده و انرژي را تلف مي نمايند. اولين كارها در زمينه به كار گيري ميراگر هاي فلزي در سازه به منظور جذب انرژي با

كارهاي آزمايشگاهي بين سالهاي ۱۹۷۲ تا ۱۹۷۵ شروع شد.

ازمزایای این میراگرها میتوان افزایش کارایی سازه در مقابل زلزله به سبب تمرکز خرابی به نقطه مشخصی ازسازه اشاره کردو اینکه بعداز زلزله به راحتی تعویض می‌شود. از معایب این وسیله میتوان به تغییر

شکل دائمی بعد زلزله اشاره کرد .


 کاربرد میراگرهای تسلیمی 


استفاده ازصفحات X شکل در بانکWELLSFARGO  در سان‌فرانسیسکو است که برای بهسازی وافزایش توانایی آن در هنگام زلزله بود وهمچنین درسال 1998 درساختمان Art Hotels شهر Sapporo زاپن

نیز از سیستم‌های تسلیمی استفاده شد .

از انواع ديگر ميراگرهاي تسليم شونده ، ميراگر سربي تزريقي،(LED) مي باشد. اين ميراگر از يك سيلندر دومحفظه اي پيستون و سرب داخل پيستون تشكيل شده است كه با حركت پيستون به هنگام زلزله سرب

از محفظه بزرگتر به محفظه کوچکتر حركت ميكند كه با تغييرشكل خميري ، انرژي جنبشي بصورت حرارتي تلف مي شود

 

ميراگرهاي آلياژي (SMA)

 

آلیاژهای تغییر شکل ماندگار نوعی از آلیاژهای فلزی با خواص فوق الاستیک هستند که می‌توانند کرنش‌های بیش از10% را تحمل کنند و هیچ تغییر شکل ماندگاری بعد از باربرداری نداشته باشند .

اثر این مصالح اولین بار درسال1930مشاهده شد. محققین درسال 1962 درآزمایشگاه وابسته به نیروی دریایی این پدیده را در آلیاژهای نیکل- تیتانیوم مشاهده کردند . این دو مواد از دو کریستال مختلف ساخته

شده است که یکی ماده ترد و دیگری ماده نرم که ماده ترد با افزایش دما سخت شده و ماده نرم با افزایش دما نرم میشود.ماده فلزی ترد به صورت سازه کریستالی چهار ضلعی میباشد و ماده نرم به صورت

سازه کریستالی مکعبی می باشد.به همین دلیل SMAs بر اساسس دو کرنش و دمای داخلی تغییر می‌کند و به همین دلیل اغلب به آن مواد هوشمند گفته می‌شود.

وسایلSMA  شامل سیم‌ها و میله‌هایی می‌شوند که در قطرها و حالت تنش در طی حالت و عمر وسیله متفاوت هستند. سیم‌ها معمولاً قطر تا حدود 2 میلیمتر برای بار محوری ساخته می‌شوند، اما قطر میله‌ها تا 8

میلیمتر هم می‌رسد که برای خمش، برش و پیچش مناسب هستند. میله‌های مخصوص تا قطر 50 میلیمتر ساخته شده است. میراگر SMA  ممکن است برای کاربردهای لرزه ای مخصوصا بهسازی سازه های فولادی،

مرکب و قابهای بتنی استفاده شوند. بادبندها با میله های فلز ترد یرای کم کردن اثرات لرزشی بسیارموثر هستند. از دیگر کاربردهای میراگرSMA  می‌توان به استفاده از آنها در پل‌های چنددهانه اشاره کردکهآنها راه

حل موثری را نسبت به سیستم های موجودفراهم می کنندزیرا نتایج نشان دادکهSMA  ها پاسخهای تغییرمکان فواصل را کاهش دادندوبسیار موثرتر از سیستم های کابلی مهاری موجود بودند . اما این میراگرها هنوز

عمومیت پیدا نکرده است وروابط آن نسبتا پیچیده است.

ميراگرهاي آلياژ SMA از فلزاتي ساخته ميشوند كه دو خاصيت زير را دارا باشند:

-1  انعطاف پذيري آنها مشابه با انعطاف پذيري قطعه لاستيكي باشد.

-2  پس از اعمال تغييرشكلهاي زياد در آنها، در اثر حرارت به حالت اوليه خود باز گردند.

آلياژ نيكل و تيتانيوم ضمن دارا بودن اين خواص از مقاومت خوبي در برابر خوردگي نيز برخوردار است.

هرچند تحقیق در مورد استفاده از این آلیاژها بع عنوان میراگر بیشتر شده است، اما این میراگرها به دلیل داشتن هزینه های ساخت بالا خیلی جنبه اجرایی زیادی به خود نگرفته اند و بیشتر حالت تحقیقاتی دارند.

 

ميراگرهاي اصطكاكي

 

خواص میرایی یک ماده ، همان طور که گفته شد جزیی از ذات ماده می باشد که با بوجود امدن برخی شرایط و تحت تاثیر برخی از پدیده ها ، دچار اختلال می شود . در صورتی که این اختلال برای سیستمی

که میراگرهایی با خواص میرایی درونی در ان وجود دارند ایجاد شود ، سیستم دچار اشکال می شودکه این مسئله بزرگترین نقطه ضعف میراگرهای ویسکوالاستیک و متالیک می باشد.

با تحقیقات نسبتاً خوبی که در سال 1980 توسط پال و همکاران صورت گرفت (بر اساس شبيه سازي ترمز ماشين در سال ۱۹۸۰توسط پال و همکاران ) توسعه ميراگرهاي اصطكاكي غير فعال جهت بهبود

پاسخ لرزه اي سازه ها شروع گرديدطرحی جدید که بیانگر نسل جدید سیستمهای اتلاف انرژی غیر فعال بود ارائه شد . در این سیستم میرایی توسط اصطکاک

خطی موجود میان ورقه های فلزی روی هم سوار شده به وجود میاید این نوع از میراگرها به دلیل اینکه به خصوصیات درونی ماده بستگی ندارد می توانند حالتی ایده آل باشند که با دانستن فاکتور اصطکاک

خطی موجو میان سطوح مختلف ، ضرایب میرای میراگرها را حاصل می کند . به عنوان اولین میراگر سازه ای تجارتی شرکت های آمریکایی اقدام به طراحی و ساخت انواع مختلف این میراگرها نمودند که

بسته به تقاضای مشتری در نقاط دلخواه از سازه قابل نصب می باشد . این دسته از میراگرها به دلیل اینکه طول عمری تقریباً برابر با اعضائ سازنده دارند ، مشکل تعویض و خرابی را نیز تا حدود قابل قبولی مرتفع کرده اند .

ميراگرهاي اصطكاكي به صورت ساده متشكل از يك مكانيزم با سطوح لغزشي در محل تقاطع بادبند ها مي باشند. در اين حالت اتلاف انرژي در اثر اصطكاك بين دو جسم جامد ايجاد مي گردد

دو نوع از ميراگرهاي اصطكاكي در شكل  نشان داده شده است.

اساس کار در این روش بر پایه استهلاک انرژی بوسیله لغزش و بالاتر بردن زمان تناوب ارتعاشی سیستم است.به عنوان مثال چنانچه از این روش جهت بهسازی ساختمان استفاده شود و این نوع مستهلک کننده مثلا

در مهاربندی های 8شکل تعبیه گردد باید طراحی به نحوی باشد که پیش از جاری شدن مهاربند کششی،در آن لغزش اتفاق بیفتد تا بتواند به صورت مکانیکی انرژی ورودی به ساختمان را مستهلک نماید،ایجاد چنین

سیستمی می تواند با استفاده از طراحی اتصالات پیچی لغزشی در ساختمان صورت گیرد،در این سیستم با لغزش ورقهای اتصال بر روی یکدیگر انرژی زیادی مستهلک می شود.

اين ميراگر(میراگر پال) طوري طراحي مي شود كه در برابر بارهاي سرويس معمولي و زلزله هاي متوسط نلغزد. يعني اينكه از پيش وسيله را براي نيروي خاصي طراحي مي كنند، كه تا آن نيرو به وسيله وارد نشود،

سازه به صورت ارتجاعي باقي بماند اما بعد از اين نيروي خاص لغزش اتفاق مي افتد و ميراگر اصطكاكي انرژي زيادي را جذب مي كند از طرفي پريود طبيعي سازه را تغيير مي دهد. ميزان انرژي مستهلك شده

توسط اين ميراگر اصطكاكي برابر حاصلضرب بارلغزش در ميزان جابجايي تمامي ميراگرها است

از مهمترین زمینه هایی که میتوان در مورد این میراگر ها نگرانی داشت مقاومت آنها در برابر آتش سوزی می باشد

عیب مهم دیگر این سیستم های میراگر بوجود آمدن نیروهای پیش بینی نشده و تصادفی ای در اعضای سازه ای نظیر ستون و مهاربندها می باشد و چون میزان جذب نیروی زلزله در زلزله های با قدرت های مختلف

در میراگر های اصطکاکی متفاوت می باشد در نتیجه نیروی ایجاد شده در ستونهای پیرامونی میراگر های اصطکاکی متفاوت و متغییر می باشد.

میرا گرهای اصطحکاکی اغلب درمعرض هوا هستند وآنها ممکن است زنگ بزند یا خیس شود و خواص لغزش آنها تغییر می‌کند. حرارت محیط نیز باید توجه شود. 
 

 

 

                                                       

                                                                                             میراگر اصطکاکی                                                                                                                                            میراگر اصطکاکی پال

                               

                                                                                                                 

ميراگر ويسكو الاستيك

این گونه میراگرها از نظر عاملیت میرایی دقیقا مانند میراگرهای فلزی عمل می کنند با این تفاوت که به دلیل ساختمان کوپولیمری یا کریستالی خود و خواص ایزوتروپیکی که دارند در بارگذاری های مختلف ،

از طریق تغییر شکلهای برشی باعث اتلاف انرژی می شوند . اینگونه میراگرها را عموما طوری در سیستم نصب می کنند که تنشهای وارد به انها نوع برشی باشد تا خاصیت میرایی خود را نشان بدهند .

کاربرد عمومی این گونه میراگرها در سازه پلهای بلند می باشد . این میراگرها باعث جلوگیری از ایجاد پدیده مخرب تشدید در ساختمان پل شده و مانع از تخریب پل در اثر بارهای باد می شود .

این گونه میراگرها و اکثر میراگرهای دیگر به دلیل تاثیر گذاری عوامل مختلف روی میزان میرایی از تاریخ مصرف برخوردارند و در پایان تاریخ مصرفشان بایستی تعویض شوند . ممکن است در طول عمر یک سازه ،

چندین بار تعویض میراگرها صورت گیرد که بزرگترین نقطه ضعف اینگونه میراگرها همین امر می باشد.

ميراگرهاي ويسكو الاستيك در سالهاي اخير در سازه هاي بلند به كار گرفته شده اند. كاربرد اين گونه موادجهت كنترل ارتعاش سازه ها به سال ۱۹۵۰ باز مي گردد. در صنعت هوايي اين نوع ميراگربراي اولين بار به

منظور كنترل خستگي ناشي از ارتعاشات در بدنه هواپيما به كار گرفته شد. استفاده از اين مواد در سازه هايمهندسي عمران از سال ۱۹۶۹ و با نصب ۱۰۰۰۰ ميراگر در هر يك از برجهاي دوقلوي مركز تجارت جهاني در

نيويورك به منظور كمك به مقاومت سازه در برابر بارهاي ناشي از باد شروع شد. میراگرهای به کار رفته در برج امپایردر آمریکا نیز برای خنثی کردن اثرحرکت طبقات ساختمانی بودنیز از همین نوع می‌باشد. و همچنین

در سال 1999 به تعداد 224 عدد از این میراگرها در برج Torishima  در ژاپن استفاده شد .عملكرد اين نوع ميراگر بر خلاف ميراگرهاي فلزي و اصطكاكي كه وابسته به ميزان تغيير مكان ايجاد شده در آنها مي باشند

وابسته به سرعت ايجاد شده در آن استاین میراگرها باعث جلوگیری از پدیده تشدید در ساختمان پل ها می شود و مانع از تخریب پل در اثر نیروی باد میشود.این میراگر مانند اکثر میراگرها به دلیل تاثیر عوامل مختلف

روی میرایی آنها از تاریخ مصرف برخوردارندو در پایان تاریخمصرفشان باید تعویض گردند.وممکن است در طول عمر یک سازه چندین بار این میراگرها تعویض شوند که این بزرگترین ایراد این میراگرها می باشد

از جمله معایب دیگر این نوع میراگر نبود مدل های تحلیلی  قابل اعتمادی است که بتوان با استفاده از آن میزان میرایی معادل میراگر را پیش بینی نمود

  مزیت اصلی استفاده از میراگرهای ویسکوزالاستیک بر دیگر وسایل تسلیمی این استکه چون تغییر شکل دائمی در آن ایجاد نمی شود، نیاز به جایگزینی آن بعداز زلزله نیست.

 

                                                                               

                                                                                        تصویر میراگر ویسکو الاستیک

 

  مزایا و معا یب میراگرهای ویسکوالاستیک 


مزیت اصلی استفاده از میراگرهای ویسکو الاستیک این است که اگر اتین میراگرها به صورت صحیح درسازه قرار داده شود نیا ز به جایگزینی نخواهد داشت. بدلیل اینکه تغییر شکل صفحات لاستیکی ، ماندگار نیست.

دو عیب بزرگ برای میراگرهای ویسکو الاستیک وجود دارد. اول اینکه مدل کردن آنها پیچیده است. میراگرهای ویسکو الاستیک از موادی به نام همسپار(Copolymer)  تشکیل شده‌اند. مواد همسپار خواص سختی و

میرایی خاصی دارندکه با دما محیط، فرکانس تحریک، تغییرات حرارت موضعی و سطوح کرنش برش تغییر می‌کند. دومین عیب این میراگر ناپایداری آن است که بخاطر خاصیت ذاتی پلیمر مخصوص میراگرهای

ویسکو الاستیک است. اولین گام آزمایش میراگرهای ویسکو الاستیک معمولاً پیدا کردن این خواص است

 

ميراگرهاي سيال لزج Viscous Fluid Damper(VFD)

 

ايده اين دسته از ميراگرها نيز همان طور که ايده ميراگرهاي اصطکاکي از ترمز اتومبيل گرفته شده است از اتومبيل سرچشمه مي گيرد . سيستم تعليق اتومبيل از يک فنر و يک کمک فنر (ميراگر) استفاده مي کند که

در تعامل با يکديگر ، ضربان وارده به اتومبيلاز سوي زمين را جذب و انرژي استفاده مي کند که در تعامل با يکديگر ، ضربات وارده به اتومبيل از سوي زمين را جذب و انرژي انها را اتلاف مي کنند . اگر

ستونهاي يک سازه را به عنوان فنر در نظر بگيريم ،در واقع با ايجاد کمک فنر (ميراگر) در کنار انهامي تونيم انرژِي وارده به سازه در اثر زلزله را اتلاف کنيم .در گذشته كاربرد هاي فراواني از ميراگرهاي

سيال لزج به منظور كنترل ارتعاشات ناشي از ضربه در سيستم هاي فضايي و دفاعي مشاهده شده است.

میراگرهای ویسکوز اولین بار در قرن 19 خنثی‌سازی اثرات ضربه توپها در کشتی استفاده شد. در نیمه اول قرن 20 وارد کمپانی اتومبیل‌سازی شد و در اواخر دهه1980 جهت استفاده این نوع میراگرها در

صنعت ساختمان، آزمایشاتی در مرکز ملی مهندسی زلزله در دانشگاه buffalo در نیورک انجام شد. میراگرهای ویسکوز در سازه‌ها استفاده شده‌اند، از 40cm تا 1/4 متر طول دارند و محدوده نیروهای

خارجی آنها از 44/5KN تا 9MN است.

ساختمان میراگرهای مایع لزج عموماً از یک پیستون و یک سیلندر تشکیل شده است مایع لزج داخل سیلندر توسط پیستون فشرده می شود ، با توجه به اینکه درون پیستون ، سیلندر دیگری وجود دارد .

که به وسیله سوراخهای ریزی می تواند مایع را به درون پمپ کند ، با اعمال فشار به سیستم مایع لزج با سرعت کمی بین دوسیلندر مبادله می شود و مقدار زیادی انرژی را اتلاف می کند . ساختمان کلی

این میراگرها در شکل  زیر نشان داده شده است . استفاده از این نوع میراگر مدتی است که در کشورهای آمریکا و نیوزلند و ژاپن در ساختمانهای مختلف رایج شده است .

لازم به ذکر است که این میراگر حساسیتی نسبت به تغییرات حرارتی نداشته و به دلیل عدم دارا بوده و ساختمان جامد مورد اثر پدیده های خستگی و اثر باوشینگر قرار نخواهد گرفت اما طول عمر

آن نسبت به طول عمر سازه کم است .

 

 

                                           

 

                                      

                                                                                                                                                                        میراگر ویسکوز-VFD

چند مزیت مهم برای استفاده از میرا گرهای ویسکوز وجود دارد. میرا گرهای ویسکوز نیروی میرایی در یک سازه تولید می‌کنند و این نیرو به طور  ذاتی غیر هم فاز با ما کزیمم پاسخ سازه در طی

رویداد لرزه‌‌ای است. به این دلیل میراگرهای ویسکوز می‌توانند برش طبقه، شتاب و برش پایه را کاهش دهند. میراگر ویسکوز یک وسیله مهر و موم شده است و این موجب تمایل کمتر آن به خطرات

جوی می‌شود که میراگرهای باید تحمل کنند در نهایت عملکرد میرا گر ویسکوز تقریباً مستقل  از حرارت است و معادله میرای ویسکوز مشابه که برای همه سطوح فرکانس معتبر است.

متأ سفانه میراگرهای ویسکوز هنوز برای مدل سازی پیچیده هستند. به علت اینکه نیروی خارجی آنها بر اساس سرعت آنهاست. در حالیکه میراگرهای ویسکوز باید در یک ماتریس جدا مطرح شوند.

ماتریس ضرایب میرایی جزء لاینفک روند حل است و اگر میراگرها به صورت ناهمسانی در سازه قرار بگیرند، تجزیه سیستم برای تحلیل سخت می شود. همچنین معایب دیگر برای میراگرهای

ویسکوز وجود دارد. به علت فشردگی کم سیال ویسکوز، شروع به  کار کردن با ضربه‌ای در میراگر ویسکوز همراه است

تجربه نشان داده است كه اين سيستم مي تواند داراي اثر قابل اي در كنترل ارتعاشات باشد. اولين استفاده از اين نوع ميراگر در ابعاد بزرگ، به منظور كاهش پس زدگي توپخانه هاي بزرگ در كارهاي نظامي بوده است.

قسمت هاي يك ميراگر سيال لزج در شكل نشان داده شده است. اين ميراگر شامل يك پيستون فولادي با يك سوراخ برنزي در سر آن مي باشد. سيلندرتوسط يك سيال لزج نظير ژل سيليكون پر مي گردد.

حركت پيستون در اين مايع با مقاومت آن روبرو مي شوداساس کاراین میراگر استهلاک اننرژی توسطعبور دادن مایع تحت فشار از درون سوراخهای تعبیه شده در پیستون می باشد.برای اندازه گیری

مشخصات دینامیکی ، در ابتدا وسیله فوق را تحتیک بارگذاری مشخص قرار داده و با استفاده از پاسخ این میراگرها ، مشخصات آنها بدست می آید.ميراگرهاي سياللزج را مي توان طوري طراحي كرد

كه به عنوان يك ميراگر انرژي خالص يا به عنوان يك فنر يا بصورت تركيبي از هر دو عمل نمايد.همچنان كه در شكل ملاحظه مي شود ميراگر سيال لزج شبيه كمك فنر خودرو مي باشد.

حركت پيستون داخل سيلندر داراي مايعسيليكوني، باعث جذب انرژي جنبشي و تبديل آن به انرژي گرمايي مي گردد.چون در اين نوع ميراگرها نيروي ميراگر كاملا خارج از فاز تنش هاي وارده بوده

و نيروي ميرايي با سرعت تغيير مي نمايد ، ميراگر تنش وتغيير شكل هاي ايجاد شده در سازه را با همكاهش مي دهد. نيروي ميراگر ويسكوز وابسته به سرعت است، بنابراين نيروي حداكثر ميراگر

در زلزله هميشه به جابجايي اختلاف فاز π/2ايجاد ميكندو سرعت ماكزيمم در زماني اتفاق مي افتد كه جابجايي صفر است.اين امر از مزيتهاي اين ميراگرها ميباشد زيرا در زماني كه سازه در اثر جابجايي

ناشي از زلزله تحت نيروهاي داخلي شديد قرار دارد،فشار مضاعفي بر سازه وارد نميكند.

اولین استفاده از میراگرهای ویسکوز برای هدف لرزه‌ای در سال 1993 در طراحی مقاوم – لرزه‌ای مرکز دارویی پخش SAN  BERNSDINO در کالیفرنیا بود. میراگرهای ویسکوز اضاقه شده به سیستم

کمک کرد تا تغییر مکان‌ها زیر22 اینچ باقی مانده و پریود موثر سازه را تا 3 ثانیه بالا برد. کاربردهای لرزه‌ای دیگر شامل ساختمان ارتبا طات اضطراری ناقوس صلح،  هتل WOODLAND  و اخیرا

برای به‌سازی پلها را می توان نام برد

 

   

 

                                                                                                                                                            کاربرد میراگر ویسکوز در سازه

 

ساير انواع ميراگر (مانند جاري شونده فلزي و اصطكاكي) چنين خاصيتي نداشته و با سرعت تغيير نمي كنند. بنابراين آنها معمولا باعث افزايش تنش در ستونها در ضمن كاهش حركت و جا به جايي مي شوند.

اين موضوع به اين شكل است كه وقتي در اثر نيروي ديناميكي وارده به سازه، ستون به حداكثر جا به جايي خود و در نتيجه حداكثر تنش رسيد، در اين حالت نيروي ميرايي صفر مي شود و وقتي ستون در حالت

بازگشت مي باشد و در محل حداكثر سرعت است نيروي ميراگر ماكزيمم مي شود و اين جايي است كه نيروي ستون هم به كمترين مقدار خود رسيده است.ميراگرهاي ويسكوز به دليل سادگي در نصب، قابليت

انطباق و هماهنگي با ساير اعضا و همچنين تنوع در ابعاد و اندازه هاي آنها، كاربرد بسياري در طراحي و مقاوم سازي پيدا كرده اند

 

 

 

                                                                                                                                                         قابلیت تطابق میراگر میسکوز با معماری

ميراگرهاي ويسكوز متنوعي براي كاربردهاي ساختماني توسعه يافته اند. به عنوان مثال ميراگرهاي ويسكوز ديواري شكل درساختمانهاي ژاپن نصب شده اند. اين ديوارها از طريق عملكرد برشي، مواد مايع داخل

محفظه ديواره اي شكل انرژي را مستهلك ميكنند.نوع ديگري از ميراگرهاي مايع، براساس عبور مايع از منفذها شكل گرفته اند. در ايالات متحده آمر يكا بيشتر از اين نوع ميراگر استفاده شد ه است.

 

 

 

 

 

ميراگر جرمي تنظيم شده TMD

 

از آنجائيکه فرکانس هاي طبيعي اين سيستم ها با فرکانسهاي سازه ها، برابر و يا نزديک به آنهاست، سيستم هاي هماهنگ شده(Tuned)  ناميده مي شوند.

ميراگر جرمي تنظيم شده يكي از ابزارهاي غير فعال استهلاك انرژي است. اين وسيله با جذب کردن مقداري از انرژي وارد شده از بار ديناميكي به سازه، ميزان تقاضا براي استهلاك انرژي در سازه اصلي را كاهش مي دهد .

در این میراگر ، سازه و میراگر نقش یک سیستم دو قسمتی را باز می کنند . جرم میراگر ، روی سازه قرار می گیرد ولی میراگر توسط غلتک هایی می تواند در جهت افقی حرکت آزادانه داشته باشد . در هنگام زلزله

نیروی جدیدی توسط میراگر در جهت میراسازی انرژی زلزله به سیستم اعمال می شود .

یک میراگر جرمی تنظیم شده دستگاهی است متشکل از یک جرم، یک فنر و یک میراگر که به سازه متصل شده و هدف آن نیز کاهش پاسخ دینامیکی سازه می باشد. فرکانس میراگر با یک فرکانس سازه اي خاص تنظیم

می شود تا وقتی این فرکانس فعال شد، میراگر با اختلاف فازي نسبت به حرکت سازه به جنبش در آیددر سال ۱۹۰۹ براي كاهش حركت Frahm ايده اوليه استفاده از اين نوع ميراگر به كارهاي انجام شده توسط

گهواره اي و ارتعاشات ناشي از آن در كشتي ها باز مي گردد.   در آن زمان كاربرد ميراگرهاي جرمي تنظيم شده محدود به جذب كننده هاي ديناميكي سيستم هاي مكانيكي مي شد..ناشي از آن در كشتي ها باز مي گردد.

  در آن زمان كاربرد ميراگرهاي جرمي تنظيم شده محدود به جذب كننده هاي ديناميكي سيستم هاي مكانيكي مي شد. ولي بعدها كاربرد آنها در سازه ها مورد توجه قرار گرفت.

نظريه هاي اوليه به سيستم هاي يك درجه آزادي بدون ميرايي كه با بارگذاري سينوسي ارتعاش مي کردند محدود مي شد.

اما بعد ها كاربرد آن براي سيستم هاي چند درجه آزادي هم معمول گرديد.شاید بتوان نسبت تنظیم میراگررا پیچیده ترین پارامتر در طرح میراگر جرمی نامید..

با مطالعه رفتار سازه مشاهده می شود که نسبت میرایی سازه کنترل شده متأثر از نسبت تنظیم TMD کنترل شده توسط سیستم میراگر می باشد.

- در زلزله هایd far fiel با افزایش نسبت جرم تغییر مکان بیشینه طبقات کاهش می یابد ولی در زلزله های near field با افزایش نسبت جرم بیشینه تغییر مکان طبقات افزایش می یابد. و این یعنی در زلزله های حوزه

نزدیک افزایش وزن میراگر تاثیر معکوس دارد.

1- در زلزله های حوزه دور افزایش تعداد میراگر بهتر است چون با توجه به عدم قطعيت موجود در پيشبيني زمين لرزه و همچنين مشخصات ديناميكي سازه مثل فركانسهاي طبيعي .

2- استهلاك مودهاي مختلف ارتعاشي، مفيدتر آن است كه از تعداد ميراگرهاي بيشتر استفاده شود به نحوي كه اين ميراگرها داراي ارتعاشي با اندك اختلافي نسبت به هم باشند تا بتوان محدوده بيشتري از فركانسها را

پوشش داد كه به اين گونه MTMD گفته ميشود

3- با افزایش نسبت جرم میراگر در تمام زلزله ها چه حوزه دور و چه نزدیک باعث کاهش شتاب طبقات میگردد.

4-  برای کاهش شتاب طبقات میانی بهتر است TMD  دوم در طبقات میانی قرار داده شود.

5- ميراگرهاي جرمي تنظيم شده به دليل عدم نياز به تعمير و نگهداري ويژه، عدم نياز به منبع انرژي خارجي و قابليت بهره برداري دائمي، كاربرد وسيعي در كاهش پاسخ لرزهاي سازههاي بلندمرتبه در مقابل اثر

باد و زلزله دارند.

6- با افزایش تعداد طبقات سازه اثر بخشی سیستم TMD بیشتر میشود و باعث کاهش بیشتر تغییر مکان حداکثر طبقات می گردد.

7-  کارایی TMD در سازه های با مهاربند و یا سیستم دوگانه بسیار بهتر از قاب خمشی تنها می باشد.

 

 

بخش دوم: جداساز های لرزه ای

جداسازی لرزه ای و کاربردهای آن در انواع سازه ها


جداسازي لرزه اي عبارت است از جداكردن كل يا بخشي از سازه از زمين يا قسمتهاي ديگر سازه بمنظور كاهش پاسخ لرزه اي آن بخش در زمان رويداد زلزله. در روش جداسازي لرزه اي ، سازه بر روي

تكيه گاه هايي كه قابليت تغييرشكل جانبي زيادي دارند قرار مي گيرد. در صورت وقوع زلزله ،مده تغییرشکلها در تکیه گاه رخ داده و سازه مانند جسمی صلب با تغییرشکل های کوچکی ارتعاش میکند.

 به عبارت ساده تر بجای آنکه نیروی زلزله وارد سازه شده و تمهیداتی برای مقابله با آن در نظر گرفته شود از ورود نیروی زلزله به سازه جلوگیری شده و نیروی زلزله در تراز جداساز میرا میشود.

روش جداسازي لرزه اي در زمينه ي مقاوم سازي و بهسازي لرزه اي سازه هاي موجود نيز قابل كاربرد است. اين روش با توجه به آزادي عملي كه در اختيار طراحان و مجريان قرار مي دهد در بسياري

از پروژه هاي بهسازي لرزه اي نيز مورد توجه قرار گرفته است.

 

 

 

در جداسازي لرزه اي دوره ي تناوب اصلي سازه به كمك تجهيزاتي بين روسازه و بخش پايين دست آن قرار ميگيرد افزايش مييابد .افزايش دوره ي تناوب طبيعي سازه موجب كاهش پاسخ لرزه اي سازه ها در

زمان وقوع ارتعاشات با دوره ي تناوب حاكم كوتاهتر ميگردد. در سازه هاي مرسوم، احتمالوقوع تشابه يا نزديكي دوره ي تناوب طبيعي سازه با دوره ي تناوب حاكم در ارتعاش ناشي از زلزله زياد است.

جداسازي لرزه اي در واقع باعث بلندتر شدن دوره ي تناوب طبيعي سازه ميشود. اين امر با توجه به طيف پاسخ شتاب زلزله، در اغلب موارد منجر به كاهش احتمال وقوع نيروها و شتابهايزياد در سازه ميگردد

.علاوه بر این در سامانه ي جداسازي

 

سرگذشت بیل رابینسون
دکتر بیل رابینسون (2011-1938) حرفه‌ی مهندسی زلزله‌ی خود را در دپارتمان تحقیقات علمی و صنعتیِ (DSIR) آزمایشگاه فیزیک و مهندسی (PEL) در کشور نیوزیلند، آغاز کرد.

پس از آن تجهیزاتی را برای محافظت لرزه‌ای سازه‌ها ابداع و توسعه نمود که تکیه‌گاه سربی لاستیکی از جمله‌ی این تجهیزات است. قبل از پیوستن به PEL، دکتر رابینسون PHD

خود را در رشته‌ی متالورژی فیزیکی در دانشگاه ایلینویز، با موضوع تز "Mechanical Damping in Single Criystals of KCI at High Temperatures"، به اتمام رساند.

استرونگ هلد ایران

توسط استرونگ هلد ایران

طراح و مجری سازه های پیش تنیده

در شبکه‌های اجتماعی دنبال کنید!