بخشی از مقاله
چکیده
میراگرهای مایع تنظیم شونده به دلیل هزینه نگهداری و نصب پایین و عملکرد مناسب بسیار مورد توجه قرار گرفته است. مایع تنظیم شده شامل ظرفی است که قسمتی از آن به وسیله سیالی پر شده باشد. در پژوهش حاضر از یک ظرف استوانهای با چهار تیغه درون آن استفاده شده است که با دوران تیغهها میتوان رفتار دینامیکی میراگر را بهبود بخشید.
سیال مورد استفاده این میراگر در این پژوهش، آب میباشد. برای بررسی اثرات دینامیکی تیغهها از نرمافزار GAMBIT برای مشبندی ظرف و نرم-افزار FLUENT6.3.26 برای تحلیل جریان درون ظرف استفاده شده است. نتایج نشان داد که نیروی کنترلی با افزایش زاویه دوران تیغهها، افزایش مییابد به طوری که در زاویه 0 و 80 درجه حداکثر نیروی کنترلی به ترتیب برابر 15/2 و 23 نیوتن میباشد یعنی حدود 33/9 درصد نیروی کنترلی در حالت زاویه دوران 80 درجه بیشتر از حالت 0 درجه میباشد. همچنین با افزایش زاویه دوران تیغهها، میرایی میراگر مایع تنظیم شده افزایش مییابد.
مقدمه
زمانی که سازههای عمرانی در برابر بارهای دینامیکی مانند زلزله قرار میگیرند دچار ارتعاش میشوند. وجود این ارتعاشات باعث خسارات مالی و جانی میگردد. بنابراین نیاز اساسی به کنترل سازهها میباشد.
میراگر مایعی تنظیم شده 1 - TLD - یک میراگر مکانیکی غیر فعال است که به منظور کاهش ارتعاشات ناخواسته سازه از طریق تلاطم سیال در یک ظرف صلب طراحی میشود. کاربردهای موفقی از سیستمهای میراگر TLD در سازههای مهندسی عمران گزارش شده است.
میراگر TLD نسبت به سایر سیستمهای میراگر دارای مزایایی است که از آن جمله میتوان به هزینه-های نصب و نگهداری پایین، مشکلات مکانیکی کمتر، قابلیت فعال شدن حتی در ترازهای کوچک تحریک و قابلیت تنظیم راحت پارامترهای میراگر حتی بعد از نصب اشاره کرد
. TLD به عنوان ابزار کنترل ارتعاشات در بسیاری از سازههای مهندسی عمران شامل ساختمانهای خیلی انعطافپذیر، سازههای برجی و ساختمانهای بلند مرتبه دلالت دارد. میراگر مایع تنظیم شده به راحتی با کوچکترین حرکت سازه جابجا میشود، در عین حال علاوه براین قابلیت، میتوان از آن به عنوان مخزن آب ساختمان استفاده کرد. در این میراگرها انرژی ارتعاشی بصورت اصطکاک در لایههای مرزی سیال، مشارکت سطح آزاد و شکست موج مستهلک می-شود. عموما مایع مورد استفاده در داخل TLD آب است.
در این سیستم اختلاف فشار دینامیکی مایع، روی سطح جدارههای انتهایی ظرف، باعث ایجاد نیروی کنترلی از نوع اینرسی ثانویه میگردد که ارتعاشات سازه را کاهش میدهد
شکل - 1 - شکلگیری نیروی کنترل ناشی از میراگرهای مایع با در نظر گرفتن مقطع طولی ظرف
تلاطم سیال به عنوان روشی برای استهلاک انرژی در TLD توسط محققین بسیاری مورد بررسی قرار گرفته است. ساتو و نیز مودی و همکاران از اولین کسانی بودند که کاربرد سیستمهای میراگر TLD را برای کنترل ارتعاشات سازهها پیشنهاد نمودند.
ساتو - 1987 - ظرف مستطیلی، و مودی و همکاران - 1988 - ظرف تیوبی شکل را مطالعه کردهاند. مطالعات گستردهای روی پارامترهای مختلف میراگر TLD توسط فوجینو و همکاران - 1988 - صورت گرفت. این پارامترها عبارت بودند از: نسبت فرکانس مایع به فرکانس سازه، ویسکوزیته مایع، زبری کف ظرف، ارتفاع سقف ظرف و نسبت جرمی بین میراگر و سازه. اندرکنش بین میراگر و TLD و سازه برای دامنههای کوچک تحریک، توسط چایسری و همکاران - 1989 - به دو شکل تحلیلی و آزمایشگاهی صورت گرفت. ایشان نشان دادند که پس از تحریک حرکت موجی، آب در TLD به سرعت در یک یا دو پریود توسعه پیدا می کند.
به عبارت دیگر حرکت موجی آب بلافاصله پس از اتمام تحریک تمام نمیشود و یک تاخیر زمانی قبل از توقف کامل حرکت آب وجود دارد. این رفتار موج پیوسته، اغلب در خلال نوسان آزاد، موجب پدیده "ضربان" یا تعدیل دامنه میشود که به روشنی مصداق رفتار معکوس TLD است. برای مقابله با این رفتار تلاشهای متعددی برای افزایش میرایی و اصلاح TLD صورت گرفت که حرکت موج را سریعا پس از توقف حرکت اجباری متوقف کند. همچنین مطالعات عددی کاملی توسط سان - 1991 - انجام گرفت. او یک مدل عددی را توسعه داد که اندرکنش مابین سازه و میراگر TLD را در نظر میگرفت و دو ضریب برای شکست موج ارائه نمود. هر دو ضریب توسط کارهای آزمایشگاهی کالیبره شدند.
مدل سان بعدها توسط کوه و همکاران - 1994 - برای تحریکات دلخواه بسط داده شد. پس از نصب سیستم میراگر TLD در هتل شین یوکوهاما مطالعات بعدی روی آن توسط واکاهارا و همکاران - 1994 - صورت گرفت و مشخص شد که ارتعاشات ناشی از باد به تراز قابل پذیرشی از دیدگاه نیازهای راحتی و سرویسدهی کاهش یافته است.
همچنین دماتی - 2002 - به مطالعه عددی و آزمایشگاهی TLD روی سازه در زلزله پرداخته است. نتایج این پژوهش نشان داد که با استفاده از TLD می توان حتی در زلزلههای قوی تا 60 درصد از پاسخ ساختمان 8 طبقه فولادی کاست که این امر به نحو چشمگیری باعث افزایش عملکرد سازه میگردد. بانرجی و همکاران - - 2000 مطالعات کاملی روی مقدار نسبت عمق - نسبت عمق سیال به طول ظرف - انجام دادند. آنها نشان دادند بهینهترین مقدار آن برای تحریکهای کمدامنه برای سازه-های معمولی 0/05 و برای سازههای با دورهی تناوب کم، 0/1 میباشد.
همچنین این مقدار برای تحریکهای با دامنه زیاد برای سازههای معمولی حدود 0/15 و برای سازههای با دورهی تناوب کم حدود 0/3 میباشد. علت این تفاوت را باید در رفتار TLD در مقابل تحریکهای مختلف جستجو کرد. در پژوهش دیگری زهرائی و همکاران - 2012 - نیز از دریچههای قابل تنظیم در مخزن مستطیلی استفاده نمودند. ایشان نشان دادند بهترین حالت برای کنترل سازه تحت تحریکهای سینوسی در زاویه جهتگیری برابر 75 درجه میباشد.
جانگ و همکاران - 2012 - اثر ارتفاع پرههای قائم را روی نوسانات مایع در ظرف مستطیلی در حالت سهبعدی به صورت عددی مورد بررسی قرار دادند. بر اساس این پژوهش با افزایش ارتفاع پرهها مقدار گردابههای تولیدی ناشی از جدایی جریان از پرهها، ضعیفتر و کمتر میشود. تاکاهارا و کیمورا - - 2012 با بررسی روی پاسخ فرکانسی نوسانات ظرف حلقوی استوانهای، تحت تحریک هارمونیک به این نتیجه رسیدند که ویژگیهای غیرخطی حرکت آب درون ظرف حلقوی استوانهای بسیار پیچیدهتر از ظرف استوانهای است، علاوه بر این نشان دادند که تحلیل غیرخطی برای تخمین پاسخ نوسانات بسیار مهم میباشد.
بررسی رفتار سیال در حال حرکت در مجاورت یک مانع مورد توجه بسیاری از محققین بوده است. این جریان در مجاورت سطوح مانع دارای اثرات چسبنده - برشی و غیر لغزشی - خواهد بود، اما به محض اینکه از جسم غوطهور تأثیر پذیرفت اثرات چسبندگی آن کمتر میشود به گونهای که در فاصلهای دور از مانع، رفتاری مشابه رفتار سیال غیرچسبنده از خود بروز خواهد داد. اینگونه جریانها به جریانهای لایهمرزی محصور نشده موسومند. روش لایه مرزی میتواند برای بیان اثرات چسبندگی در نزدیکی جداره-های جامد بهکار رود به گونهای که اثرات آن به حرکت غیرچسبنده خارجی امتداد نیابد.
در پژوهش حاضر با استفاده از نرمافزار Fluent 6.3.26، رفتار دینامیکی میراگر استوانهای با 4 پره قابل تنظیم در زوایای مختلف مورد بررسی قرار گرفته است.
مواد و روشها
طراحی میراگر مایع تنظیم شده
طراحی بهینه TLD باید بر اساس فرکانس مد اول سازه باشد. در نتیجه باید ابعاد TLD و عمق آب بگونهای تنظیم شوند که با مد اول سازه برابر گردند. فرکانس طبیعی تلاطم آب در میراگر مایع برای ظرف آب با مقطع دایرهای با استفاده از رابطهی 1 بدست میآید:
- 1 - برای ظرف استوانهای =
h ارتفاع آب درون ظرف، D قطر ظرف استوانهای میباشد. همچنین n شماره مد سازه که در این پژوهش برابر یک در نظر گرفته شده است.
نیروی کنترلی که در این پژوهش برای کاهش ارتعاشات سازه مورد استفاده قرار میگیرد از فشار دینامیکیای که روی سطح جدارههای انتهایی ظرف اثر میکند تولید میشود. اختلاف فشار ناشی از تفاوت رقوم سطح آزاد مایع در جدارههای انتهایی به صورت یک نیروی برشی در کف مخزن ظاهر میگردد
