بخشی از مقاله
چکیده
تجارب زلزلههاي گذشته و بروز خسارات فراوان مالی و جانی، حاکی از نقص عملکرد برخی سازهها بوده و نیاز به استفاده از ابزار و ادوات نوین جهت مقابله با نیروي زلزله و کاهش ارتعاشات ناشی از آن به یکی از دغدغههاي اصلی جامعه مهندسی تبدیل گردیده است. استفاده از سیستمهاي کنترل غیرفعال دوسطحی یکی از مواردي است که در سالهاي اخیر مورد توجه محققین مختلف قرار گرفته است. ایده اصلی در اینگونه سیستمها، ترکیب دو سیستم کنترل غیرفعال داراي سختی متفاوت بوده که عملاً موجب تغییر مشخصات سیستم تحت نیروهاي مختلف و بروز رفتارهاي متفاوت تحت سطوح انرژي است.
در این تحقیق در ابتدا یک سیستم کنترل دو یا چند سطحی با میراگر غیرفعال لولهدرلوله نوین با قابلیت تغییر سختی و جذب انرژي در سطوح مختلف جهت کاهش ارتعاشات لرزهاي سازهها ارائه گردیده و عملکرد آنها در یک قاب پرتال با انجام تحلیلهاي استاتیکی غیرخطی با استفاده از نرمافزار اجزاي محدود ABAQUS مورد ارزیابی واقع میشود. مقایسه منحنیهاي هیسترزیس میراگر پیشنهادي گویاي رفتار مناسب و شکلپذیر آن بوده، به طوري تا تغییرمکانهاي بیش از 10 برابر تغییرمکان تسلیم نیز پایدار بوده و باریکشدگی در آن دیده نمیشود.
همچنین بررسی منحنی رفتاري میراگر پیشنهادي مطابق انتظار داراي عملکرد دو سطحی با سختی متغیر بوده که عملاً امکان اتلاف انرژي و عملکرد مناسب در سطوح مختلف زلزله را فراهم آورده است. علاوه بر این حصول رفتار شکلپذیر با نسبت شکلپذیري در حدود 15 تا 37 و افزایش 50-36 درصدي در میزان میرایی معادل از مزایاي آن بوده و به نظر میرسد میراگر پیشنهادي در عین سادگی، قابلیت اجرا و هزینه نسبتاً پایین، از عملکرد مناسب و قابل قبول در کاهش دامنه ارتعاشات و در نتیجه نیروي وارد به سازه برخوردار باشد.
.1 مقدمه
تجارب زلزلههاي گذشته و بروز خسارات فراوان مالی و جانی، حاکی از نقص عملکرد برخی سازهها بوده و نیاز به استفاده از ابزار و ادوات نوین جهت مقابله با نیروي زلزله و کاهش ارتعاشات ناشی از آن به یکی از دغدغههاي اصلی جامعه مهندسی تبدیل گردیده است. استفاده از میراگرهاي فلزي جاري شونده یکی از راهکارهاي موثر در بهبود عملکرد لرزهاي سازه است که ابتدا توسط کلی و همکاران [1] مطرح گردید.
پس از آن تحقیقات متعددي در این زمینه انجام شده که طراحی میراگرهاي [2] ADAS، TADAS [3]، و پانلهاي برشی [4]، از جمله آنها میباشندمعمولاً. طراحی به گونهایست که عضو فیوزشونده قسمت قابل توجهی از انرژي ورودي به سازه را با ورود به مرحله غیرخطی و تشکیل مفاصل پلاستیک مستهلک نموده و از ورود سایر اعضاي سازه به مرحله غیرخطی و همچنین کمانش اعضاي مهاربند جلوگیري نماید. این ایده از جمله مواردي است که بطور گسترده در جهت اصلاح رفتار لرزهاي مهاربندها مورد توجه قرار گرفته است.
همچنین ایده استفاده از سیستمهاي کنترل غیرفعال چندسطحی یکی از مواردي است که در سالهاي اخیر مورد توجه محققین مختلف قرار گرفته است. ایده اصلی در اینگونه سیستمها، ترکیب دو سیستم کنترل غیرفعال داراي سختی متفاوت بوده که عملاً موجب تغییر مشخصات سیستم تحت نیروهاي مختلف و بروز رفتارهاي متفاوت تحت سطوح انرژي است. بالندرا و همکاران در سال 2001 سیستم کنترل دوسطحی متشکل از مهاربند زانویی و اتصال پیچی شیاردار را ارائه نمودند .[5] تحت بارهاي سرویس و نیروهاي کم، اتصال پیچی شیاردار با ایجاد میرایی اصطکاکی موجب استهلاك انرژي بوده و پس از آن در زلزلههاي شدید، استهلاك انرژي از طریق رفتار شکلپذیر و تسلیم عضو زانویی انجام میگیرد.
همچنین زهرایی و وثوق در سال 2013 تحقیقاتی بر روي سیستم دوسطحی با استفاده از ترکیب تیر پیوند قائم و المان زانویی انجام دادند .[6] تشکیل مفاصل پلاستیک بر روي تیر پیوند قائم تحت نیروهاي خفیف موجب افزایش استهلاك انرژي سیستم بوده و در طی نیروهاي شدید، تغییرشکلهاي پلاستیک المان زانویی سبب افزایش شکلپذیري و بهبود عملکرد لرزهاي سیستم میگردد. لذا با توجه به موارد مذکور، در مقاله حاضر به ارائه یک نمونه ابتکاري میراگرهاي هیسترزیس با قابلیت عملکرد چندسطحی با سختی و میرایی متغیر پرداخته شده است.
.2 دیدگاه کلی تحقیق
با توجه به ضرورت افزایش شکلپذیري و استهلاك انرژي سازههاي واقع در نواحی لرزهخیز، در این پژوهش به معرفی و بررسی رفتار یک سیستم کنترل غیرفعال با قابلیت تغییر سختی و جذب انرژي در سطوح مختلف پرداخته شده است. این سیستم از ترکیب قطعات لولهاي تودرتو تشکیل یافته و چیدمان و طراحی قطعات به گونهاي است که در حین وقوع زلزلههاي متوسط تا شدید، سیستم مهاربند قادر به کنترل و تغییر سختی سازه بوده و بصورت چند مرحلهاي عمل نماید.
تحت بارهاي لرزهاي خفیف که سازه متحمل درصد کوچکی از تغییرمکان جانبی نسبی بهرهبرداري میشود، لوله خارجی با تشکیل مفصل پلاستیک، بخش بزرگی از مقاومت لازم جهت بارهاي سرویس را کاهش داده و با افزایش دامنه جابجایی ارتعاشات، لولههاي داخلی نیز وارد عمل شده و با تغییرشکلهاي پلاستیک، سطح استهلاك انرژي را به طرز محسوسی افزایش میدهند. با طراحی مناسب و قرار دادن دقیق قطعات میراگر در سازه، میتوان قسمت بزرگی از اتلاف انرژي را به این قطعات اختصاص داد که به دنبال آن خسارتهاي وارده به اعضاي اصلی کاهش مییابد.
علاوه بر آن تعویض این فیوزها پس از زلزله آسان و کم هزینه خواهد بود. ایده اصلی میراگر پیشنهادي به صورت شماتیک در شکل - 1 - نشان داده شده است . همانطور که ملاحظه میگردد، میراگر مذکور از تعدادي لوله تودرتو تشکیل گردیده که به وسیله پیستونهایی به هم متصل گردیدهاند. بین هر لوله با لوله بعدي فضاي خالی تعبیه شده که این فاصله ناشی از سختی خمشی لولههاي خارجیتر بوده که با توجه به قطر و ضخامت آنها قابل محاسبه خواهد بود. با اعمال نیروي جانبی به مهاربند، لوله خارجی شروع به اعوجاج و تغییرشکل نموده و وقوع کرنشهاي پلاستیک موضعی موجب استهلاك انرژي میگردد.
با افزایش نیرو و در نتیجه افزایش اعوجاج جدار لوله خارجی، اتصال آن به لوله داخلیتر، موجب افزایش سختی سیستم و مشارکت هر دو لوله در استهلاك انرژي میشود. با افزایش میزان نیروي وارد به سازه طی زلزلههاي شدید، سختی لوله مرکزي نیز وارد عمل شده و مجموعه سختیهاي خمشی هر سه لوله موجب استهلاك انرژي میگردد. لازم به ذکر است که تعداد لولهها از لحاظ تئوري داراي محدودیت نبوده و با افزایش یا کاهش مدولار آنها قادر به طراحی یک سیستم کنترل غیرفعال چندسطحی میباشیم. علاوه بر این جهت جلوگیري از کمانش مهاربند و افزایش شکلپذیري رفتار آن میبایست مجموع سختی خمشی لولههاي تودرتو متاثر از قطر و ضخامت از بار بحرانی کمانش مهاربند کمتر باشد. رعایت نکته مذکور سبب اطمینان از رفتار مناسب عضو مهاربند و در نتیجه افزایش شکلپذیري آن خواهد بود.
شکل -1 ایده اصلی تحقیق
جهت انتخاب صحیح ظرفیت خمشی میراگر لازم است که در ابتدا ظرفیت کمانشی عضو مهاربند محاسبه و سپس ظرفیت خمشی لازم میراگر محاسبه گردد. انتخاب صحیح نسبت مذکور از مراحل تاثیرگذار بوده به طوري که در صورت کاهش سختی میراگر از میزان بهینه، انعطافپذیري بیش از حد مقطع موجب کاهش شدید سختی و عملکرد نامطلوب بوده و در صورت افزایش سختی میراگراز حد بهینه، عملاً اتصال پیشنهادي موثر نبوده و کمانش مهاربند تحت نیروي فشاري موجب افت عملکرد سیستم میگردد. در صورت طراحی مناسب انتظار میرود میراگر نقش فیوز را داشته و از کمانش عضو اصلی جلوگیري نماید.
.3 معرفی اجزا و قطعات میراگر پیشنهادي
-1-3 لوله خارجی
همانطور که در شکل - 2 - ملاحظه میشود در داخل جدار داخلی لوله خارجی، پیستونهاي ثابتی طراحی گردیده که موجب اتصال آن به لوله داخلی شده است. سر پهنتر پیستون موجب درگیر شدن لولههاي خارجی و داخلی بوده و علاوه بر اعمال نیروي فشاري موجب اعمال نیروي کششی و در نتیجه عملکرد مرکب لولهها میگردد. همچنین در طرفین لوله و محل اتصال مهاربند به لوله، سختکنندههایی جهت جلوگیري از تمرکز تنش و وقوع کرنشهاي موضعی و افزایش شکلپذیري رفتار لوله نصب گردیده است.
