بخشی از مقاله
معرفي انواع ميراگرها به عنوان عامل اتلاف انرژي غيرفعال
چکيده :
با توجه به غير مقاوم بودن بخش وسيعي از ساختمان هاي موجود در کشور و با توجه به اهميت زياد و مسئله مقاوم سازي ساختمانها درمقابل لرزه هاي نيرو هاي لرزه اي و طراحي بهينه ساختمان ها در مقابل زلزله ، بحث جديدي که در سالهاي اخير ميان دانشمندان علوم ژئو تکنيک و مهندسين طراح سازه ها مطرح شده است طراحي نوع جديدي از ساختمانها است که شامل يک سيستم مهاربند لرزه اي باشند که فقط در مقابل ارتعاشات مختلف ناشي از زلزله عمل نموده و در تحمل بارهاي استاتيکي هيچ نقشي نداشته باشند که اين مسئله باعث ساده سازي پيش بيني رفتار سازه تحت بارگذاري لرزه اي مي شود.دراين مقاله روش تحقيق بر اساس منابع موجود و بصورت مروري و جمع بندي کلي ميباشد. هدف از تهيه اين مقاله معرفي انواع ميرايي،انواع سيستمهاي اتلاف انرژي وميراگرها ميباشد.
کلمات کليدي: ميراگر،سيستمهاي اتلاف انرژي،زلزله ،ميرايي
١- مقدمه
با تعريف اعضا جديدي در سازه با نام ميراگر (Damper) که عامل اتلاف انرژي لرزه اي وارد به ساختمان هستند و به کار بستن انها در ساختمانها مي توانيم يک ساختمان بهينه سازي شده داشته باشيم که در مقابل انواع بار هاي ديناميکي ناشي از زلزله رفتاري مناسب و مطلوب از خود ارائه مي دهد . روش کنترل ارتعاشات مقوله جديدي در روند بهسازيسازه ها وطراحي ساختمانهاي مقاوم در برابر بارهاي ديناميکي است . اين تفکر باعث کنترل پاسخ سازه تحت بارهاي ديناميکي شده و بدون اينکه نياز به مقاوم سازي تک تک عناصر مقاوم سازه اي باشد با تعبيه وسايل وتجهيزات مناسبي در ساختمان باعث کاهش تغييرمکان و بهبود پاسخ ديناميکي سازه ميشوند.
با گسترش روشهاي کنترل درسازه بايد به دنبال روشهايي بود که با توجه به امکانات موجود در کشور به سادگي قابل اجرا بوده و ازسوي ديگر توليد وکاربردآن براي ساختمانهاي متعارف ، از هر نظراقتصادي باشد.
يکي از روشهاي کنترل ارتعاشات سازه ها تحت تاثير بارهاي لرزه اي، استفاده از وسايل اتلاف انرژي يا ميراگرها است . کاربرد اين وسايل هم در، طراحي ساختمانهاي جديد ويا در مقاوم سازي ساختمان هاي موجود به سادگي امکان پذيراست .
اين سيستمها با جذب و استهلاک درصد بالايي از انرژي ورودي به سازه ، شرايط ايمن و پايداري را نسبت به ساختمانهاي مشابه فراهم مي کنند، ميراگرها بجاي افزايش شکل پذيري عناصر سازه اي تکيه بر مستهلک نمودن انرژي لرزه اي دارند . امروزه استفاده از ميراگرها بعنوان روشي اقتصادي و عملي براي افزايش مقاومت ديناميکي سازه ها قابل ذکر است ، بنابراين استفاده ازآن جهت مقاوم سازي ساختمانها وبناهاي متعارف نيز امکان پذير است .
هدف اصلي در اين روشها جلوگيري از انتقال مستقيم نيروي زلزله از پي به سازه مي باشد . در اين روشها اگر درست اجرا شوند مي توانيم نتايج قابل قبولي داشته باشيم که مزيت اصلي اين شيوه در مقابل شيوه هاي معمول مقاوم سازي از قبيل نصب بادبندها ت
قابهاي خمشي ت ديوارهاي برشي و .... که همگي در صلب کردن بيشتر سازه ها در مقابل نيروهاي زلزله تلاش مي کنند مي باشد . در اين روش چون نيروي زلزله به سازه وارد نمي شود و يا سهم اندکي از آن به سازه منتقل مي شود نتايج زير را مي توان انتظار
داشت :
- تغيير مکان طبقات و تغيير مکانهاي نسبي طبقات (drift) کاهش يابد.
- کاهش قابل ملاحظه اي در شتاب طبقات بوجود آيد.
- خسارات سازه اي و نيز خسارات غير سازه اي به مقدار محسوس کاهش يابد.
- از مشکلات معماري در طراحي ساختمانها کاسته شود .
- هزينه اجراي سازه ها بدليل استفاده از مقاطع با ظرفيت کمتر کاهش يابد .
در ايران نيز با توجه به لرزه خير بودن بسياري از مناطق کشور و خصوصاً قرار گرفتن بسياري از مناطق پرجمعيت و مهم در مناطق با خطر نسبي خيلي زياد و زياد طبق تعريف آئين نامه ٢٨٠٠ ايران لزوم استفاده از ابزارهاي مناسب مستهلک کننده انرژي زلزله چه براي ساختمانهاي نوساز و در حال طراحي يا اجرا و چه براي مقاوم سازي ساختمانهاي قديمي ضروري مي باشد، که اخيراً اين ميراگرهاي ويسکوز در طراحي و مقاوم سازي ساختمان هايي نظير هتل بزرگ آزادي تهران ، ساختمان مرکز تجارت جهاني تبريز، پل ميانگذر درياچه اروميه بکار رفته است .{٣}
٢- ميراگر(damper ) چيست ؟
اصلاً در مورد همه ي مواردي که در طبيعت وجود دارند يکي از خصوصيات ذاتي ماده ، ميرايي ماده مي باشد. همانطور که با دانستن ضريب الاستيستيه يک ماده مي توانيم محاسبات مربوط به مصالح تشکيل شده از آن ماده را انجام دهيم ، با دانستن ميرايي يک ماده نيز مي توانيم به تحليل دقيقتري از سيستم هاي متشکل از آن ماده دستيابي کنيم . با توجه به اينکه ميرايي داخلي (که به جنس ماده بستگي دارد) در جامدات تحت تاثير عوامل مختلفي نظير تاثيرات حرارتي ، پديده خستگي و پديده باوشينگر تغيير مي کند براي اينکه بتوان مصالح با ميرايي معلوم داشته باشيم بايستي تاثيرات اين عوامل را در مصالح مورد نظر به حداقل برسانيم .
روشهاي مختلفي براي توليد مصالح داراي ميرايي معلوم که اصطلاحاً ميراگر ناميده مي شوند ، وجود دارد که ذيلاً به بررسي انواع اين روشها و نشان دادن ميراگرهاي توليد شده به وسيله ي اين روشها مي پردازيم البته با توجه به اينکه ميراگرها به عنوان عوامل اتلاف انرژي زلزله در سازه ها استفاده مي شوند لازم است ابتدا توضيح مختصري پيرامون انواع کلي سيستمهاي اتلاف انرژي داده شود .{٣}
٣- انواع ميرايي
٣-١- ميرايي خارجي ويسکوز(لخت )
نوعي از ميرايي است که توسط هوا ، آب و شرايط محيطي اطراف يک سازه بوجود مي ايد . و در مقايسه با انواع ديگر ميرايي ها بسيار کوچک و در اکثر اوقات با تقريب خوبي قابل صرف نظر است .
٣-٢- ميرايي داخلي ويسکوز(لخت )
اين ميرايي حاصل خاصيت ويسکوزيته (لختي) ماده بوده و متناسب با سرعت است به نحوي که نسبت ميراي متناسب با فرکانس طبيعي ساختمان افزايش مي يابد . اين نوع ميرايي غالباً براي ارائه هر نوع ميرايي ديگر به کار مي رود و معروفترين نوع ميرايي است .
٣-٣- ميرايي اصطکاکي
اين ميرايي که ميرايي کلمب هم ناميده مي شود به علت وجود اصطکاک در اتصالات و يا نقاط تکيه گاهي پديد مي آيد . بدون توجه به سرعت و جا به جايي ثابت است و بسته به مقدار جا به جايي به دو نحو با آن برخورد مي شود . اگرمقدار جا به جايي ها کوچک باشد به عنوان يک ميرايي داخلي لخت و اگر مقدار جا به جايي بزرگ باشد به عنوان يک ميراي هسترزيس در نظر گرفته مي شود . يک مثال در مورد اين ميرايي راجع به ديوارهاي مصالح بنايي ميانقاب است که در هنگام ترک خوردن ديوار ، اصطکاک جسمي زياد شده و مقاومت موثري در مقابل ارتعاشات به وجود مي آيد .
٣-٤- ميرايي هيسترزيس
اين ميرايي هنگامي اتفاق مي افتد که رفتار ماده تحت بار رفت و برگشتي در محدوده الاستيک قرار مي گيرد مساحت چرخه ي هيسترزيس در واقع بيان گر مقدار انرژي اتلاف شده در هر سيکل از بارگذاري مي باشد .
٣-٥- ميرايي تشعشعي
هنگامي که يک سازه ساختماني ارتعاش مي کند ، امواج الاستيک در محيط نامتناهي زمين زير ساختمان منتشر مي شود . انرژي تزريق شده به سازه از همين طريق ميرا مي شود . اين ميرايي تابعي از ضريب الاستيک يانگ (خطي) ، نسبت پواسون و چگالي زمين بوده و نيز به جرم بر واحد سطح سازه و ضريب سختي به جرم آن بستگي دارد .{٢}
٤- انواع سيستم هاي اتلاف انرژي
٤-١- سيستم غير فعال (Dissipation energy Passive)
سيستم هايي هستند که نياز به منبع انرژي خارجي ندارند. اين ابزار از نيروهايي که در پاسخ به حرکت سازه در داخل آنها ايجاد مي شود بهره ميگيرند. جدا نمودن پايه اي (BaseIsolation) و ميراگر جرمي تنظيم شده (TMD) از اين گروهند.
٤-٢- سيستم نيمه فعال (Semi active Energy Dissipation)
دستگاههاي قابل کنترلي هستند که نسبت به سيستم هاي کنترل فعال نيازمند انرژي به مراتـب کمتـري هسـتند. در ايـن سيسـتم هـا انرژي به داخل سيستم تزريق نميشود و بنابراين پايداري در تمام مراحل باقي خواهد مانـد. بـه عنـوان نمونـه ميتـوان از ميراگـر بـا مجراي متغير (Variable orifice) براي ايجاد سختي متغير نام برد.
٤-٣- سيستم فعال (active Energy dissapation)
پاسخهاي سازه توسط انرژي خارجي وارده بر سازه کاهش مي يابد. اين سيستم ها دستگاههاي قابل کنترلي هستند که توسط ابزار کمکي همواره در حال وارد کردن نيروهاي کنترلي به ساختمان هستند. به عنوان مثال کابلي به ساختمان وصل مي شود و در جهت خلاف نيروهاي برشي وارده زلزله به ساختمان نيرو وارد ميکند. سيستم هاي فعال از غير فعال موثرتر هستند، اما عليرغم عملکرد عالي ، مشکل بزرگ هزينه هاي اجرايي و نگهداري را دارند. نمونه اين گونه سيستم ها ميراگرهاي جرمي فعال (AMD) ميباشد.
٤-٤- سيستم دوگانه : (Hybrid system)
اصولاً در صورتي که در مهار بندي از دو سيستم فعال و غير فعال به صورت همزمان استفاده مي کنيم ، سيستم دوگانه به وجود مي ايد . در نگاه اول ، اين سيستم از همه ي سيستمهايي که تا کنون معرفي کرديم بهتر است اما با دقت بيشتر متوجه مي شويم که مثلاً در صورتي که سيستم کنترل فعال ، نيرويي را در جهتي که به پايداري سازه کمک مي کند به سيستم وارد کند و انرژي اين نيرو توسط سيستم غيرفعال اتلاف شود ، تضادي در سيستم پديدار مي شود . {١-٣}
٥- انواع ميراگرها به عنوان عامل اتلاف انرژي غيرفعال
٥-١- ميراگر فلزي تسليم : (Metallic yield damper)
در اين ميراگر انرژي منتقل شده به سازه صرف تسليم و رفتار غير خطي در قطعات بکار رفته در ميراگر مي شود.در اين ميراگرها از تغيير شکل غير الاستيک فلزات شکل پذيري مانند فولاد و سرب جهت اتلاف انرژي استفاده مي شود. در تمام سازه هاي معمولي اتلاف انرژي بر شکل پذيري اعضاي فولادي پس از تسليم متکي است .
در بادبندها استفاده از ميراگر فلزي تسليم متداول تر مي باشد اين نوع ميراگرها اغلب از چند ورق فولادي موازي تشکيل مي شوند و در ترکيب با يک سيستم بادبندي نقش جذب و اتلاف انرژي را بر عهده مي گيرند. اين قسمت از مهاربند به عنوان يک فيوز در سازه عمل نموده و با تمرکز رفتار غيرخطي در خود مانع بروز رفتار غيرخطي و آسيب در ساير اجزاي اصلي و فرعي سازه مي گردد.
ميراگرهاي فلزي X شکل از کارايي قابل توجهي برخوردار مي باشند تسليم گسترده در تمام حجم فولاد، تأمين ميرايي هيسترتيک و اتلاف انرژي فوق العاده از خصوصيات منحصر به فرد اين نوع ميراگر مي باشد اين ميراگرها ضمن تأمين ميرايي از سختي جانبي بالايي برخوردار بوده و به همين جهت با عنوان ميرايي و سختي افزوده (ADAS=Added Damping And Stiffness )
نامگذاري شده است .
فلزي که براي ساخت اينگونه ميراگرها به کار مي رود ، عموماً بايستي داراي رفتار مناسب تغيير هيسترزيس ، دامنه خستگي بالا ،
