آشنایی با انواع میراگر ساختمان

درباره ی روش های کنترل ارتعاش سازه چه می دانید؟

در طول مدت زمان عمر سازه ها، نیرو های گوناگونی به آن ها وارد می شوند که از جمله مهم ترین این نیرو ها، نیروی ناشی از حرکت پایه سازه یا زلزله شناخته می شود. در طراحی سازه ها، اهداف گوناگونی در نظر گرفته می شود؛ مانند افزایش ایمنی سازه، کاهش هزینه و افزایش سرعت ساخت، افزایش بهره وری سازه و غیره. از مهم ترین اهداف دیگر آن حذف خسارت های جانی احتمالی در زمان و پس از وقوع زلزله می باشد. امروزه در کنار این اهداف اصلی، کم شدن آسیب ها و خسارت های مالی وارد بر سازه و کم شدن هزینه های تعمیر یا بازسازی بعد از زلزله، از جمله اهداف مهم دیگر آن به شمار خواهد رفت و در اینجا میراگر ساختمان اهمیت پیدا می کند.

میراگر ساختمان و جداساز ها دارای تنوع بسیار زیادی می باشد و استفاده از هرکدام از این ابزار و روش ها دارای مزایا و معایب خاص خود می باشند. به صورت کلی، استفاده از میراگر ها، جداساز ها و سایر ابزار هایی که به جهت کاهش و مستهلک کردن نیروی زلزله مورد استفاده قرار می گیرند به عنوان سیستم کنترل ارتعاشات در سازه شناخته شده اند.

درباره ی جداساز ها و میراگر ساختمان چه می دانید؟

از جمله روش های کنترل سازه می توان به جداساز ها و میراگر ها اشاره کرد که بخشی از سیستم های کنترل غیر فعال به حساب می آید. نحوه ی عملکرد جداساز ها و میراگر ها تا حدی متفاوت از هم کار می کنند. در جداساز ها تلاش می شود که سازه تا اندازه ی زیادی از مولفه حرکت افقی زمین جدا گردد. جدا شدن سازه از حرکت افقی زمین موجب می گردد که انرژی وارد شده به سازه در زمان زلزله به میزان قابل ملاحظه ای کم می شود. در حقیقت جداساز ها لایه ای از المان های با سختی جانبی کم را تشکیل داده که عملکری مشابه سیستم های تعلیق خودرو در سازه ایجاد می نماید. فرکانس تحریک این لایه بسیار کمتر از فرکانس طبیعی سازه و فرکانس غالب زلزله خواهد بود. در این حالت، عمده تغییر شکل ایجاد شده در سازه تحت تحریک زلزله در جداساز قرار می گیرد و جابجایی نسبی ایجاد شده در طبقات سازه را به مقدار زیادی محدود می نماید. بدین ترتیب با استفاده از جداساز پایه انرژی وارد شده به سازه کم خواهد شد.

میراگر های جاری شونده ی فلزی چیست؟

در سازه های مرسوم مقاوم در برابر زلزله های شدید و یا نسبتا شدید، آسیب های سازه ای زیادی به اعضای اصلی سازه همانند تیر ها و ستون ها وارد خواهد شد. در این حالت، هزینه ی تعمیر و بازسازی این سازه ها پس از وقوع زلزله قابل ملاحظه بوده و در بعضی از موارد تعمیر سازه از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست. با استفاده از سیستم های مستهلک کننده انرژی و هدایت نیرو های وارد به سازه به سمت این قسمت ها، می توان از ایجاد خسارت در اعضای اصلی سازه جلوگیری کرد. استهلاک انرژی به وسیله ی مصالح یکی از روش های مرسوم کنترل غیر فعال در سازه ها می باشد. میراگر های فلزی با استفاده از ظرفیت قابل توجه مصالح فلزی در میرا کردن انرژی وارد به سازه بهره می گیرند. در هر چرخه از بارگذاری اعمال شده به این میراگرها، با ایجاد تغییر شکل های غیر الاستیک حجم زیادی از انرژی مستهلک خواهد شد. بدین ترتیب استفاده از میراگر های جاری شونده از ایجاد خسارت در اعضای دیگر سازه به میزان زیادی جلوگیری می نماید.

مقاومت و ظرفیت جذب انرژی میراگر های جاری شونده به میزان زیادی به مشخصات تنش، کرنش مصالح فلزی در ناحیه غیر خطی بستگی دارد. در میراگر های جاری شونده، تسلیم مصالح تحت نیرو های گوناگون محوری، خمشی، برشی؛ پیچشی و یا ترکیبی از این نیرو ها اتفاق خواهد افتاد.

بیشتر بخوانید:

مزایای میراگر های جاری شونده فلزی:

·       اول، مستهلک کردن حجم زیادی از انرژی ورودی به سازه به وسیله ی ظرفیت بالای جذب انرژی در فلزات به خصوص فولاد.

·       دوم، رفتار چرخه ای پایدار با توجه به رفتار غیر خطی چرخه ای مناسب مصالح فلزی به ویژه فولاد.

·       سوم، غیر وابسته بودن رفتار چرخه ای به تغییرات دما در دما های معمول محیط.

·       چهارم، در دسترس بودن مصالح و تکنولوژی ساخت مورد نیاز.

·       پنجم، هزینه ی ساخت پایین و هزینه ی نگهداری کم در مدت عمر مفید سازه.

·       ششم، کم شدن قابل توجه هزینه های تعمیر و بازسازی سازه بعد از زلزله های نسبتا شدید و شدید.

·       هفتم، تعویض نسبتا ساده قطعه آسیب دیده در بیشتر میراگر های جاری شونده و عدم ایجاد اختلال قابل توجه در کاربری سازه در زمان تعمیر یا تعویض میراگر.

·       هشتم، کنترل ارتعاشات خفیف در سازه در ناحیه خطی مصالح میراگر و افزایش سختی جانبی سازه در ناحیه ی خطی.

انواع جداساز ها و میراگر ساختمان:

عموما در سازه های معمول میرایی سازه به اندازه ای نیست که پاسخ سازه در برابر تحریکات قوی را به شکل محسوسی کم می کند. در این سازه های بدون تجهیزات میراکننده خسارات زیادی در اعضای سازه ای و غیر سازه ای به وجود می آیند. البته اغلب این سازه ها می توانند بدون فروپاشی کامل تا اندازه ی زیادی ایمنی ساکنان این سازه ها را تامین کنند، اما از نظر اقتصادی، هزینه تعمیر و مقاوم سازی زیادی را به مالکین خود تحمیل می نمایند. افزودن سیستم های کنترل ارتعاشات به سازه های معمول با میرایی کم، سبب افزایش میرایی و کم شدن خسارت ایجاد شده در اعضای اصلی این سازه ها خواهد شد. وسایل و روش های بسیار زیادی برای بهبود رفتار این سازه ها در زمان زلزله وجود دارد. در اغلب این روش ها تغییر شکل های ایجاد شده، در اعضای اصلی و به کمک کنترل و محدود کردن تغییر شکل به اعضای مخصوص تعبیه شده در سازه، کاهش خواهد یافت.

انواع جدا سازهای لرزه ای را بشناسید:

به جهت جدا کردن سازه از پایه از تکیه گاه های ویژه استفاده می کنند. این تکیه گاه ها دارای سختی قائم مناسب و سختی جانبی کم می باشند. نیرو های قائم ناشی از بار های ثقلی توسط سختی قائم مناسب تکیه گاه به زمین انتقال می یابد. سختی جانبی کم جداساز موجب افزایش دوره تناوب نوسانی سازه بوده که این موضوع در زمان زلزله از انتقال بخش عمده ای از مولفه حرکت افقی زمین به سازه جلوگیری می نماید. بدین ترتیب بخش قابل توجهی از انرژی زلزله به سازه وارد نخواهد شد. برای ساخت جداساز های پایه، عمدتا سامانه های الاستومری که الاستومرهای طبیعی و مصنوعی و یا سامانه های لغزشی با پوشش تفلونی یا فولاد ضد زنگ یا ترکیب هر دو را شامل می شود، مورد استفاده قرار خواهد گرفت. در ادامه ی این مطلب به تعدادی از جداساز های مورد استفاده اشاره خواهیم کرد.

بیشتر بخوانید:

جداساز های الاستومری طبیعی با میرایی کم را بشناسید:

به طور معمول، در جداساز های الاستومری طبیعی با میرایی کم، از لایه های ورق فولادی میان یک لایه ضخیم ماده الاستومری به کار می رود انتقال نیرو های محوری و برشی به کمک صفحات فولادی فوقانی و تحتانی صورت می گیرد. از این سامانه ها به صورت گسترده و در کشور ژاپن استفاده خواهد شد.

درباره ی جداساز های الاستومری طبیعی با میرایی بالا چه می دانید؟

این دسته از جداساز ها برای اولین  بار در سال 1982 به کار رفت و از انواع الاستومر با میرایی بالا بهره گرفته شد.

جداساز ها با هسته ی سربی:

در این مدل جداساز لایه ضخیمی از لاستیک با صفحات فولادی و هسته سربی ترکیب شده است. هسته ی سربی جداساز تحت نیرو های جانبی ناشی از زلزله جاری خواهد شد. اولین بار از این جدا ساز، در سال 1975 استفاده شد و به صورت گسترده ای در کشور هایی مانند ژاپن، آمریکا و نیوزلند مورد استفاده قرار گرفت.

جداساز های اصطکاکی پاندولی:

شکل ابتداعی جداساز های اصطکاکی از دو صفحه ی مسطح و تکیه گاه مفصلی لغزنده ایجاد شده بود. در این حالت، پس از ایجاد تحریک زلزله، تغییر شکل افقی در سازه به وجود می آمد. به همین جهت و برای جلوگیری از ایجاد تغییر شکل افقی ماندگار در سازه، به توسعه ی جداساز های اصطکاکی پاندولی اقدام شد.

میراگر های ویسکوز:

در قرن نوزدهم بود که از میراگر های ویسکوز به جهت مهار کردن اثرات ضربه توپ کشتی ها بهره گرفتند. در ابتدای قرن بیستم بود که شرکت های اتومبیل سازی از میراگر های ویسکوز به صورت گسترده در سیستم تعلیق وسایل نقلیه بهره گرفتند. از این مدل میراگر ها در زمان جنگ سرد و به عنوان جداساز در سیلو ها و سنگر های پرتاب موشک به کار رفت. از اوایل دهه هشتاد میلادی بود که میراگر های ویسکوز به طور گسترده و به جهت کاربری های غیر نظامی استفاده شد. در این مدل از میراگر یک پیستون داخل یک سیلندر پر شده از روغن یا سیلیکون یا مواد مشابه، حرکت می نماید. در انتهای پیستون تعدادی روزنه کوچک وجود داشته که در زمان حرکت آن داخل سیلندر، مایع داخل سیلندر به کمک این روزنه ها به سمت دیگر پیستون هدایت می شود. در این حالت و با ایجاد نیروی مقاوم در برابر حرکت پیستون، انرژی اعمال شده مستهلک خواهد شد.

میراگر های ویسکو الاستیک:

در اوایل دهه ی پنجاه میلادی، مصالح ویسکوالاستیک برای اولین بار در کنترل ارتعاشات ایجاد کننده، خستگی در فضاپیما ها به کار رفت. به صورت کلی میراگر های ویسکوالاستیک از یک لایه از مواد ویسکوالاستیک میان صفحات فلزی استفاده شد. با ایجاد جابجایی برشی صفحات فلزی لایه ی مواد ویسکوالاستیک تحت تغییر شکل های برشی قرار خواهد گرفت. اواخر دهه ی شصت میلادی بوده که در برج های دوقلوی مراکز تجارت جهانی در نیویورک، از میراگر های ویسکوالاستیک به جهت کنترل ارتعاشات ناشی از باد به صورت گسترده استفاده شد. بازدهی بالای این مدل از میراگر در این برج ها موجب گسترش استفاده از این آن ها شد.

میراگر های جرمی تنظیم شده:

در این مدل از میراگرها، ایجاد میرایی و کم نمودن پاسخ دینامیکی سازه با استفاده از یک جرم متمرکز که به کمک یک فنر به بالای سازه وصل گشته است، صورت می گیرد. با تنظیم نمودن فرکانس میراگر جرمی با فرکانس مود غالب سازه ای، با ایجاد تحریک در سازه اصلی با فرکانس میراگر جرمی تنظیم شده، حرکت میراگر در فازی خارج از حرکت سازه متصل به آن تشدید خواهد شد. این امر با ایجاد نیروی اینرسی در جرم میراگرباعث مستهلک شدن انرژی وارد شده به سازه خواهد شد. با بالا تر رفتن ارتفاع سازه و تعداد طبقات آن، اثرات مودهای بالاتر نیز افزایش خواهد یافت. در این حالت، با توجه به کم شدن جرم موثر مود اول ارتعاش سازه، از کارایی میراگر کم می کند.

میراگر های مایع تنظیم شده:

به طورکلی میراگر های مایع تنظیم شده، عملکری مشابه میراگر های جرمی تنظیم شده خواهند داشت. ایجاد نوسان در مخازن مایع کم عمق نصب گشته و در بالای سازه، سبب ایجاد تلاطم در مایع درون این مخازن شده و به این طریق انرژی ارتعاشی وارد به سازه را مستهلک خواهد نمود. از جمله عواملی که بر رفتار میراگر مایع تنظیم شده تاثیر دارد؛ می توان به نسبت جرم مایع به جرم سازه، اندازه و شکل مخزن ، عمق و لزجت مایع و زبری جداره مخزن، اشاره نمود.

بیشتر بخوانید:

میراگرهای اصطکاکی:

میراگرهای اصطکاکی از لغزش میان دو جسم فلزی و اصطکاک بین سطوح آن استفاده نموده و حجم قابل توجهی از انرژی ورودی را مستهلک خواهند کرد. میراگر های اصطکاکی زیادی و با تنوع بالا به جهت استفاده در سازه ها در چند دهه ی گذشته توسعه داده شد. از جمله این میراگرها می توان به میراگر اصطکاکی پال، میراگر اتصال اصطکاکی و میراگر اصطکاکی دورانی اشاره کرد. ضریب اصطکاک میان دو سطح تا اندازه ی زیادی وابسته به جنس سطوح در تماس می باشد.

میراگرهای جاری شونده فلزی:

میراگر های جاری شونده فلزی از زیرمجموعه های سیستم های کنترل غیر فعال بوده که دارای مزیت های زیادی بوده، از جمله هزینه ی کم و تکنولوژی نسبتا ساده. در میراگر های جاری شونده ی فلزی، اتلاف انرژی به وسیله ی ظرفیت جذب انرژی مصالح خود میراگر ها که غالبا فولادی هستند، صورت می گیرد.