مقاله تاثیر میراگر جرمی بر پاسخ تغییرمکان در سازه های نامنظم

بخشی از مقاله

چکیده

امروزه روش های معمول استهلاک انرژی در سازه ها بر استفاده از تغییر شکل های غیرخطی مصالح به کار رفته در ساخت آن استوار می باشد، ولی در حال حاضر مستهلک کردن انرژی وارده به سازه در اثر زلزله، به سمت استفاده از وسایل کنترل سازه ای غیرفعال، نیمه فعال و فعال سوق یافته است . میراگر جرمی تنظیم شده با جذب کردن مقداری از انرژی وارد شده از بار دینامیکی به سازه، میزان تقاضا برای استهلاک انرژی را در سازه اصلی کاهش می دهد.

آسیب پذیری ساختمان های نامتقارن در نتیجه لنگرهای پیچشی و تغییرمکانهای دورانی اضافی است که در اثر نامتقارنی در پلان ساختمان ایجاد شده و سبب افزایش تغییرمکان به ویژه در وجوه بیرونی ساختمان می گردند. در این تحقیق به بررسی تاثیر میراگرهای جرمی بر روی رفتار سازه های نامتقارن پرداخته شده است.

این تحقیق که به صورت عددی و با استفاده از روشهای المان محدود صورت گرفته است. ابتدا مدل های سازه ای در نرم افزار ETABS بر اساس موقعیت و مکان آن مقاطع و سازه طراحی گردیده است. در ادامه برای تحلیل غیر خطی دینامیکی سازه های نامتقارن از نرم افزار المان محدود Abaqus استفاده شده است. در مدلسازی برای صحت مدلها عددی با یک مدل آزمایشگاهی صحت سنجی صورت گرفته است.

نتایج تحقیق نشان میدهد که میراگر جرمی می تواند پاسخ تغییرمکان حداکثر این سازه ها را به طور مناسبی کاهش دهد. همچنین موقعیت قرار گیری میراگر تاثیر قابل توجهی در نتایج تحلیل دارد.

-1 مقدمه
سیستم میراگر جرمی - - TMD، وسیله ای متشکل از یک جرم، فنر و یک میراگر است که به منظور کاهش پاسخ دینامیکی سازه، به آن متصل میگردد. میراگر جرمی تنظیم شده یک وسیله جذب انرژی غیرفعال می باشد. مکانیزم کاهش ارتعاش این سیستم، انتقال انرژی ارتعاش به TMD و استهلاک آن توسط میرایی TMDمی باشد.

این میراگر معمولاً در طبقه بالای سازه نصب می شود و با تغییر رفتار دینامیکی سازه، پاسخ آن را بهبود می بخشد. روش های معمول استهلاک انرژی در سازه ها بر استفاده از تغییر شکل های غیرخطی مصالح به کار رفته در ساخت آن استوار می باشد، ولی در حال حاضر مستهلک کردن انرژی وارده به سازه در اثر زلزله، به سمت استفاده از وسایل کنترل سازه ای غیرفعال، نیمه فعال و فعال سوق یافته است

این وسیله با جذب کردن مقداری از انرژی وارد شده از بار دینامیکی به سازه، میزان تقاضا برای استهلاک انرژی را در سازه اصلی کاهش می دهد. روند طراحی سازه ها تامین سختی و مقاومت لازم در تحمل بارهای قائم و جانبی در محدوده مجاز تغییر شکل می باشد. میرایی انرژی عامل مهمی در جذب و اتلاف انرژی وارده به سازه می باشد. افزودن به سختی سیستم مستلزم صرف هزینه زیاد بوده و در بعضی مواردعملاً امکان پذیر نبوده و روشی غیراقتصادی محسوب می شود، زیرا به مقاطعی بسیار بزرگ برای اعضا منجر می شود.

در اینجا عاملی دیگر یعنی میرایی سازه مطرح شده و افزودن به قابلیت جذب و استهلاک انرژی در چنین سیستمهایی مورد توجه قرار می گیرد. نیروهای جانبی که در اثر عوامل دینامیکی همچون باد و زلزله در یک سازه ایجاد می شوند تابعی از مشخصات دینامیکی سازه، مانند سختی، ضریب میرایی و فرکانس طبیعی ارتعاش می باشد. از این رو برای مقاوم نمودن و یا طرح یک سازه برای تحمل این بارهای دینامیکی ممکن است به جای تقویت اعضای آن برای تحمل بارهای وارده، با استفاده از میراگرها نیروهای القا شده در سازه تحت تحریکات دینامیکی را تا حد ظرفیت باربری اعضای آن را کاهش داد.

عدم تقارن در ساختمان می تواند ناشی از توزیع نامتقارن جرم در دیافراگم های ساختمان و یا در اثر توزیع نامتقارن سختی در المانهای مقاوم جانبی باشد. عدم توزیع یکنواخت جرم یا سختی باعث اختلاف در نقطه اثر برآیند نیروهای ناشی از زلزله و نیروهای المان های مقاوم جانبی شده و این خروج از مرکزیت باعث ایجاد لنگرهای پیچشی در دیافراگم های صلب ساختمان می گردد.

نتایج حاصل از مطالعه علل ویرانی ساختمان ها در جریان زلزله های مخرب و نیز تجربیات آزمایشگاهی که بر روی مدلهای ساختمانی انجام شده به نحوی قاطع ثابت کرده اند که چگونگی شکل ساختمان تاثیری به سزا در پایداری سازه ی آن در مقابل زلزله دارد. وجود نامنظمی جرمی در ارتفاع ساختمان، به دلایل مختلف از جمله تفاوت در نوع کاربری طبقات یا تمرکز جرم به دلایل دیگر معماری، در برخی شرایط امری اجتناب ناپذیر است. وجود نامنظمی در ارتفاع به دلیل توزیع غیریکنواخت خواص هندسی، فیزیکی و مقاومتی در ارتفاع ساختمان است که می تواند منجر به تمرکز ناخواسته تغییر شکل های غیر خطی حین وقوع زلزله شده و انهدام موضعی یا کلی را در پی داشته باشد

هدف از این مطالعه بررسی تاثیر میراگر جرمی بر رفتار سازه های نامنظم می باشد، متغییر هایی چون لنگر خمشی تیرها، نیرو محوری ستون ها و پریود سازه ها مورد بررسی قرار می گیرد. به علت ناشناخته بودن تاثیر زلزله بر کارایی میراگر جرمی و همچنین تاثیر نوع زلزله بر پارامترهای مختلف مانند پریود سازه، لنگر خمشی تیرها و نیروی محوری ستون ها در سازه های نامنظم، لازم است مطالعات کاملی در خصوص رفتار سازه ها در حین استفاده از میراگر جرمی انجام گیرد.

-2مروری بر تحقیقات گذشته:

در زمینه کنترل سازه های نامنظم با میراگرهای جرمی مطالعات و تحقیقات بسیار زیادی در سراسر جهان انجام گرفته است که در ادامه به بیان برخی از آنها خواهیم پرداخت.

سیاهی، فرزین و جدیدیان، حسین، 1394، یک مدل سازهای نامتقارن با رفتار نرم پیچشی با خروج از مرکزیت های صفر، 10 و 20 درصد و موقعیتهای مختلف نصب میراگر توسط نرم افزار opensees مدلسازی کردند و تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی خطی، تحت اثر هفت شتابنگاشت حوزه نزدیک، بر روی آن انجام دادند. در مجموع تغییرمکان حاصل از 336 مدل ساخته شده مورد بررسی قرار گرفت و نتایج به صورت نمودارهایی ارائه شد.

نتایج نشان داد که سیستم میراگر کارایی بالایی در کنترل شتاب دو لبه و کنترل پیچش سازههای نرم پیچشی تحت زلزلههای حوزه نزدیک داشته و با افزایش نسبت جرم و خروج از مرکزیت، کارایی افزایش مییابد. همچنین مشخص شد که بهترین موقعیت نصب در هردو لبه، با درصد جرمی 12M برای میراگر و با خروج از مرکزیت 20 درصد می-باشد.

سیاهی، فرزین و جدیدیان، حسین، 1394، یک مدل سازهای نامتقارن با رفتار نرم پیچشی با خروج از مرکزیت های صفر، 10 و 20 درصد و موقعیتهای مختلف نصب میراگر توسط نرم افزار opensees مدلسازی کردند و تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی خطی، تحت اثر هفت شتابنگاشت حوزه نزدیک، بر روی آن انجام گرفت.

در مجموع تغییرمکان حاصل از 336 مدل ساخته شده مورد بررسی قرار گرفت و نتایج به صورت نمودارهایی ارائه شد. نتایج نشان داد که سیستم میراگر کارایی بالایی در کنترل تغییرمکان دو لبه و کنترل پیچش سازههای نرم پیچشی تحت زلزلههای حوزه نزدیک داشته و با افزایش نسبت جرم و خروج از مرکزیت، کارایی افزایش مییابد. همچنین مشخص شد که بهترین موقعیت نصب در هردو لبه، با درصد جرمی 12M برای میراگر و با خروج از مرکزیت 20 درصد میباشد.

رحیمیان و همکاران، 1385، به بررسی میزان تاثیر استفاده از میراگر جرمی تنظیم شده در بهبود پاسخ سازه ها پرداختند. در این پژوهشبه بررسی میزان تاثیر استفاده از میراگر جرمی تنظیم شده در کاهش پاسخ لرزه ای سازه ها مورد بررسی قرار گرفته است 

رحیمیان و همکاران در تحقیق خود از سه قاب 3، 9 و 20 طبقه را مورد مطالعه قرار دادند. انها در تحقیق خود از تحلیل تاریخچه زمانی بر روی سازه ها تحت اثر زلزله در دو، حالت با و بدون میراگر جرمی انجام شده و نتایج ارائه و مقایسه گردید است.

جدیدیان و سروقدمقدم، 1388، مطالعاتی برای یافتن بهترین موقعیت نصب میراگر و درصد جرم بهینه برای کاهش همزمان شتاب و تغییر مکان لرزهای سازههای نامتقارن خطی و غیرخطی با استفاده از میراگرهای جرمی تنظیم شده تحت زلزلههای حوزه دور انجام دادند. نتیجه ای که به دست آمد این بود که نسبت جرم میراگر پارامتری است که همیشه افزایش آن تاثیر مثبت داشته و میزان بهینه آن بایستی با توجه به محدودیتهای اجرایی و اهداف کنترل تعیین گردد. افزایش خروج از مرکزیت تاثیر چندانی در کارایی سیستم در کنترل شتاب و تغییرمکان و همچنین کنترل همزمان شتاب و تغییرمکان ندارد. میراگر در کنترل سازههای نرم پیچشی موثرتر از بقیه حالتها است. سیستم میراگر در سازه های نرم پیچشی شتاب و تغییرمکان لبه سخت را همزمان تا 50 درصد کاهش میدهد.

شریعتمدار و اکبرزاده 1389 به بررسی کاهش پاسخ لرزه ای سازه توسط چند و یک میراگر جرمی غیر فعال پرداختند. هدف از تحقیق انجام شده، بررسی اثرات تغییر در نسبت تنظیم میراگرهای جرمی غیر فعال در مقایسه با یک میراگر جرمی می باشد - شریعتمدار و اکبرزاده . - 1389 در این تحقیق یک قاب دو بعدی بتنی 16 طبقه دارای سه دهانه 5 متری که برای بارهای ثقلی و زلزله طراحی کرده اند. نسبت جرم در این تحقیق، نسبت جرم میراگر به جرم کل سازه مقادیر%1، %3، %5 و %7 در نظر گرفته شده است.

سحاب و رضایی هزاوه، 1389، با استفاده از مدل آزمایشگاهی یک ساختمان یک طبقه با یک درجه آزادی، که بر روی آن یک میراگر جرمی با جرم قابل تغییر نصب شده است، به بررسی عملی تاثیر پارامترهای موثر میراگر جرمی بر روی پاسخ های سازه پرداختند

در نهایت نتیجه ای که به دست آوردند این بود که عملکرد موثر میراگر جرمی تنظیم شده وابسته به دو پارامتر نسبت جرمی - نسبت جرم میراگر به جرم سازه - و نسبت فرکانسی - نسبت فرکانس میراگر به فرکانس سازه - است. بر اساس نتایج حاصله جرم و سختی بهینه میراگر با توجه به جرم و سختی سازه تعیین می شود.

پالیزوان زند و صالحی راد، 1390، به عملکرد سیستم کنترلی غیرفعال میراگر جرمی تنظیم شده در کاهش پاسخ دینامیکی سیستم های سازه ای یک درجه و چند درجه آزادی پرداختند. بررسی ها نشان داد سیستم کنترل غیر فعال میراگر جرمی تنظیم شده عملکرد قابل قبولی در جهت کاهش پاسخ دینامیکی تغییر مکان و سرعت دو سیستم سازه ای یک درجه آزادی و چند درجه آزادی دارد.

حق اللهی و عباسی طرئی، 1391، اثرات تغییر در آرایش های مختلف میراگر جرمی در طبقات مختلف بررسی کردند - حق اللهی و عباسی طرئی . - 1391 در تحقیق انجام شده یک قاب دو بعدی 25 طبقه فولادی با سیستم سازهای قاب دوگانه شامل قاب خمشی به همراه مهاربند ضربدری، مورد بررسی قرار داده شده است. ارتفاع هرطبقه 3,2 متر که دارای 4 دهانه 5 متری می باشند. نتیجه ای کلی به دست آمده از این تحقیق این بود که با توزیع جرم میراگر در طبقات، علاوه بر کاهش پاسخ سازه در طبقات بالایی، پاسخ سازه در طبقات پایینی نیز کاهش پیدا می کند.

بیگلریان و همکاران، 1391، به بررسی عملکرد میراگر جرمی بر روی سازه های بلند پرداختند - بیگلریان, زهرائی و روحانی منش . - 1391 در این تحقیق عملکرد حالتهای مختلف میراگر جرمی چندگانه و تک تحت زلزله های مختلف بررسی شده است. طراحی میراگرهای جرمی چندگانه یک بار با استفاده از مود اول سازه و بار دیگر مود اول و دوم سازه با نسبت جرمی های مختلف انجام شد. بر اساس نتایج عددی بدست آمده در این تحقیق، میراگرهای جرمی تک و چندگانه در کاهش پاسخ های تغییر مکان و شتاب موثر هستند.

یاماگوچی و هارنپورنچای، 1993 ، به مطالعه خصوصیات اصلی و عملکرد میراگرهای جرمی تنظیم شده چندگانه - - MTMDs با فرکانس های طبیعی توزیع شده برای کنترل پاسخ هارمونیک سازه پرداختند - . - Yamaguchi H and Harnpornchai N 1993 آنها در این مقاله پارامترهایی که محدوده فرکانس MTMD ها را پوشش می دهند، نسبت میرایی هر TMD و تعداد کل TMD ها را، بررسی کردند. هم چنین اثر بخشی و استحکام MTMD ها نیز مورد مطالعه قرار دادند.