بخشی از مقاله
چکیده:
انفجار در ساختمان ها می تواند به علت های متفاوتی از جمله تروریستی، نشت گاز، تصادف و زلزله و ... اتفاق بیافتد، لذا بررسی دقیق رفتار سازه ها تحت بارهای انفجاری یک ضرورت محسوب می شود و از آنجایی که در طراحی ساختمان ها غالبا" رفتار لرزه ای مورد توجه قرار می گیرد لذا بررسی رفتار این سازه ها در برابر بار انفجاری از اهمیت بالایی برخوردار می باشد. یکی از راه های کنترل غیر فعال سازه ها در برلبر تحریکهای لرزه ای استفاده از میراگر جرمی تنظیم شده می باشد از آنجایی که پاسخ سازه در مقابل انفجار یک پاسخ دینامیکی می باشد، امکان کاهش پاسخ دینامیکی تحت انفجار در اثر استفاده از میراگر های می تواند وجود داشته باشد.
در این مقاله تلاش شده تا به تأثیر میراگر جرمی در کاهش پاسخ دینامیکی ناشی از بار انفجار بپردازد، به این منظور سه قاب های خمشی ویژه 16، 24 و 32 طبقه که بصورت LRFD طراحی و در نرم افزار SAP2000 مدلسازی شدند، میراگر جرمی تنظیم شده با جرم های %2 و %4 و %8 وزن قاب و با نسبت میرایی %10 برای هر سه قاب مدل سازی شد، این میراگر ها در طبقه بام کار گذاشته شدند و قاب ها تحت بار انفجاری که بار ناشی از موج انفجار و فشار ایده آل سازی شده آن از خرج 400 کیلوگرمی TNT که در فاصله 20 متری از قاب مورد نظر قرار دارد و طبق آیین نامه - TM5-1300 - محاسبه و مدل سازی شده اند قرار گرفته اند و در نهایت مقدار مفاصل پلاستیک، تغییر مکان بام و تغییر مکان نسبی طبقات - Drift - اندازه گیری و مقایسه شدند.
نتایج نشان دادند افزایش جرم میراگر موجب کاهش جابجایی در بام می شود. میراگر جرمی تنظیم شده در جلوگیری از خرابی ساختمان تحت اثر انفجار بی تأثیر و موجب افزایش تغییر مکان نسبی طبقات شده است.
-1 مقدمه:
یکی از شیوه های کنترل غیر فعال سازه ها در برابر بارهای دینامیکی استفاده میراگر جرمی تنظیم شده می باشد این وسیله با جذب مقدار قابل توجهی از انرژی واردد شده به سازه، میزان تقاضا برای استهلاک انرژی را در سازه اصلی کاهش می دهد. ساده تری شکل میراگر جرمی تنظیم شده شامل جرم، فنر و میراگر می باشد که به سازه اصلی مهار می گردد. میراگرهای جرمی تنظیم شده - TMD - برای اولین بار توسط فراهامٌ در سال 1909 برای کاهش حرکات سالن کشتی مورد استفاده قرار گرفت
بعدها تئوری TMD به وسیله هارتوگٍدر مقالهای در سال 1928 ارائه گردید. که بحثهای مفصلتری راجع به تنظیمات و پارامترهای میرایی بهینه در کتاب - ارتعاشات دینامیکی - هارتوگ پیگیری شد - 1940 - ، تئوری اولیه برای یک سیستم یک درجه آزادی نامیرا تحت اثر بار سینوسی مورد استفاده قرار گرفته بود تحقیقات در مورد سیستمهای یک درجه آزادی دارای میرایی نیز بوسیله محققان زیادی از جمله راندال - 1981 - و واربورتون 1982 - ، 1981، - 1980 و لاین - 1993 - و تاسی صورت گرفت. اولین سازه ای که در آن از میراگر جرمی تنظیم شده استفاده شده است، برج سنترپوینتَدر شهر سیدنی استرالیا می باشد. به دلیل اینکه فرکانس این میراگرها با فرکانس طبیعی سازه تنظیم شده است، به این میراگرها، میراگرهای جرمی تنظیم شده میگویند.
با توجه به افزایش روز افزون حملات تروریستی در سراسر دنیا، ضرورت پدیده انفجار، شناخت رفتار و آسیب پذیری سازه ها و طراحی سازه های مقاوم در برابر انفجار به خصوص در ساختمان های حساس و شریان های حیاتی حوزه پدافند غیر عامل لازم به نظر می رسد. از مشخصه های اصلی یک انفجار که باعث وارد شدن نیرو به سازه می شود می توان به اتفاقی بودن موقعیت انفجار، دینامیکی و گذرا بودن نیروها و زمان اثر کم - بین چند میلی ثانیه - اشاره کرد. هنگامی که یک انفجار اتفاق می افتد انرژی بصورت ناگهانی آزاد می شود که به دو بخش تشعشعات حرارتی و انتشار امواج در زمین و هوا تقسیم می شود. امواجی که در هوا منتشر می شوند عامل اصلی تخریب سازه هستند.
تحلیل بارگذاری انفجار از سال 1960 آغاز شد. دپارتمان ارتش ایالات متحده کتابچه راهنمای فنی به نام سازه های مقاوم در برابر انفجار تصادفی را در سال 1959 منتشر کرد. تجدید نظر شده کتاب فوق تحت عنوان TM-5-1300 در سال 1990 بطور گسترده توسط سازمان های نظامی و غیر نظامی ارائه شد، جهت طراحی سازه ها به منظور جلوگیری از انتشار انفجار و تأمین حفاظت پرسنل و تجهیزات با ارزش مورد استفاده قرار گرفت.
مطالعات گسترده ای توسط محققین در زمینه بررسی رفتار سازه ها تحت اثرات مستقیم و غیر مستقیم پدیده انفجار و همچنین اثرات میراگر جرمی در ساختمان های بلند در برابر بار ناشی از زلزله و باد صورت گرفته است، از جمله آنها می توان به مطالعات سید مهدی زهرایی و سید فرید هاشمی اشاره کرد که کنترل ارتعاشات لرزهای قابهای فولادی متعارف به کمک میراگر جرمی را بررسی کردند تأثیر میراگر در ارتفاعات میانی سازه با قرار گرفتن آن در بام مقایسه شد، مطالعات نشان دهنده اثر ملموس و مثبت میراگر جرمی بر روی ارتعاشات سازه میباشند
لطف الهی یقین و همکاران اثر تغییر جایگاه میراگرهای TMD در پاسخ دینامیکی غیر خطی سازهها در نزدیکی گسل مورد بررسی قرار دادند، نتایج نشان داد که وقتی که میراگر در طبقه بام قرار میگیرد، بیشترین اثر مثبت را در کاهش پاسخهای دینامیکی دارد، همچین تأثیر میراگر در کاهش پاسخهای دینامیکی برای سازههای بلند و خیلی بلند بیشتر از سازه های کوتاه و متوسط است
شیرمحمدی و همکاران بر روی مدلسازی قاب خمشی فولادی تحت بار انفجار تحقیق نموده اند و نتایج نشان میدهد که در بارگذاری انفجاری ستونها نقش به سزایی در جذب انرژی دارند.
با توجه به مطالب ذکر شده ضرورت طراحی سازه های فولادی مقاوم در برابر انفجار به ویژه در ساختمان های مهم و شریان های حیاتی، ضروری به نظر می رسد. از طرفی همانطور که بیان شد نیروی انفجار بصورت یک نیروی دینامیکی به سازه وارد می شود و یکی از راه های مقاوم سازی سازه ها در برابر بارهای دینامیکی استفاده از روش های کنترل غیر فعال می باشد که یک نمونه آن میراگر جرمی تنظیم شده می باشد این روش در بسیاری از ساختمان های بلند مرتبه به منظور بهبود رفتار سازه در برابر نیروهای زلزله و باد مورد استفاده قرار گرفت و تأثیر مثبت این میراگر ها در این سازه ها ملموس و قابل مشاهده بود. لذا در این مقاله سعی شده تا اثر این نوع میراگر ها را در کاهش پاسخ دینامیکی سازه ها مورد بررسی و کاوش قرار دهد که آیا میراگر جرمی قادر به کاهش پاسخ دینامیکی سازه هایی که تحت بار انفجار قرار میگیرند را دارد؟
از این رو در این تحقیق سه قاب فولادی خمشی با ارتفاع های مختلف که مطابق آیین نامه زلزله ایران طراحی شده است مدل شده و تحت بار گذاری انفجار که در فاصله معین در بیرون ساختمان رخ می دهد قرار می گیرد، سپس به این قاب ها میراگر جرمی تنظیم شده با جرم های مختلف که در بام قرار دارد اضافه می شود و مجددا تحت بار انفجار بررسی شده و پاسخ های دینامیکی آنها با هم و با حالت بدون میراگر مقایسه می شود.
-2 میراگرهای جرمی تنظیم شده - - TMD
میراگرهای جرمی تنظیم شده - TMD - برای اولین بار توسط فراهام در سال 1909 برای کاهش حرکات سالن کشتی مورد استفاده قرار گرفت بعدها تئوری TMD به وسیله هارتوگ در مقالهای در سال 1928 ارائه گردید >17[ که بحثهای مفصلتری راجع به تنظیمات و پارامترهای میرایی بهینه در کتاب - ارتعاشات دینامیکی - هارتوگ پیگیری شد . - 1940 - میراگر ها از سه قسمت اصلی جرم، فنر و مرایی تشکیل شده اند.
به دلیل اینکه فرکانس این میراگرها با فرکانس طبیعی سازه تنظیم شده است، به این میراگرها، میراگرهای جرمی تنظیم شده میگویند. این میراگر تحت بار جانبی سازه حرکت میکند و از انرژی نیروی اینرسی استفاده میکند. حرکت میراگر 90 درجه با فاز حرکت سازه اختلاف دارد، میتوان گفت جرم نسبت به یک نقطه بیرون ساختمان ساکن است. به عنوان مثال هنگامی که ساختمان به سمت چپ حرکت میکند، جرم در جای خودش مانده و ساختمان را به سمت راست میکشد و عمل بالعکس نیز انجام میشود. اگر فنر دوطرفه باشد در واقع یکی ساختمان را میکشد و دیگر ساختمان را هل میدهد، این مکانیزم در شکل 1 دیده میشود
شکل:1 نحوه عملکرد میراگر جرمی تنظیم شده
