بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
معرفی عملکرد میراگرهاي جاذب انرژي در مقاوم سازي ساختمان ها
چکیده:
با توجه به توسعه و گسترش چشم گیر انـواع میراگرهـاي مختلـف و کاربردهـاي آنهـا در صـنعت ساختمان، نیاز به توجه بیشتر در این زمینه امري ضروري می باشد. در این مقاله هدف آشـنایی بـا برخی میراگرهاي جاذب انرژي می باشد که استفاده آنها در مقاوم سازي ساختمانها متداول اسـت و همچنین خود این میراگرها نیز به انواع مختلفی تقسیم می شود که در باره هر یک از مـوارد نحـوه کار میراگر، روابط حاکم، کاربردهاي عملی میراگر و همچنین مزایـا و معایـب هرکـدام توضـیح داده شده است.
واژه هاي کلیدي : مقاوم سازي، تغیر شکل غیر الاستیک ، میراگر، پاسخ سازه
مقدمه
بطور کلی میراگرهاي جاذب انرژي به منظور کاستن پاسخ دینامیکی سازه در برابر بارگذاري باد و زلزله استفاده می شود مکانیزم عملکردي اینگونه وسایل به گونه اي است که بـا انجـام تغییـر شکلهاي ویژه و اعمال مکانیکی خاصی، مقدار زیادي از انرژي ورودي به سازه بـر اثـر بارگـذاري دینامیکی را جذب و مستهلک می سازند. عملکرد این گونه وسایل موجب می شـود کـه انـرژي دریافتی سایر اعضاي سازه اي کاهش یافته و در نتیجه تغییر شکل زیـادي در آنهـا ایجـاد نمـی شود. از مزایاي این وسایل می توان بکاربرد آنها در مقاوم سازي سازه هاي موجود اشـاره نمـود. علت این امر نیز شکل ویژه این وسایل و همچنین محل قرار گیري آنها می باشد که عمومـا در
بادبندها جایسازي می گردند. این وسایل را به سادگی می توان در سازههاي موجود جایسازي و یا در صورت لزوم بعد از بارگذاري(رخداد زلزله) تعویض نمود.[1]
اتلاف انرژي در این میراگرها بصورت تغییر انرژي جنبشی به حرارت توسط اصطکاك یا حرکـت در مایع لزج و یا تسلیم شدن فلزات و.... اتفاق می افتد، که با تشکیل حلقه هاي پسماند انـرژي را در سیکل بارگذاري جذب می کنند. استفاده از این میراگرهـا در طراحـی سیـستم سـازه اي مؤثر هستند. به این صورت که سازه به سختی و مقاومت معینی نیاز دارد تـا در برابـر نیروهـاي جانبی مقاومت کند و پایدار بماند. این میراگرها می توانند جایگزین این سختی اضافی شوند تا با جذب انرژي لرزشی پاسخهاي سـازه را کـاهش دهنـد تـا دیگـر اعـضاي سـازها در محـدوده الاستیک باقی بماند. میراگرهاي جاذب انرژي رامی توان در پنج گروه کلی دسته بندي نمود که در ادامه آورده شده است.
-1 میراگر ویسکوز
دو نوع میرایی در هنگام لرزش برا ي وسایل جاذب انرژي وجود دارد. وسایل کنترل تـسلیمی و اصطکاکی جزء انواع هستریتیک هـستند، آنهـا داراي محـدودیت نیـرو و وابـسته بـه جابجـایی هستند وبرپایه سرعت تحر یک، نیروي داخلی شان افـزایش پیـدا نمـی کنـد.ولـی میراگرهـاي ویسکوز، محدود به جابجایی نیستند . و نیروي داخلی آنها وابـسته بـه سـرعت تحریـک اسـت. میراگرها ي ویسکوز اولین بار در نیمه پایانی قرن 19 براي خنثی سازي اثـرات ضـربه توپهـا در کشتی استفاده شد . در نیمه اول قرن بیستم واردکمپانی اتومبیل سـازي شـد و در اواخـر دهـه 1980 جهت استفاده این نوع میراگر درصـنعت ساختمان،آزمایـشاتی در مرکـز ملـی مهندسـی زلزله در دانشگاه buffalo در نیورك انجام شد. میراگرهاي ویسکوز کـه در سـازه هـا اسـتفاده شده اند، از40cm تا 4/1 متر طول دارند و محدوده نیروي خروجی آنهـا از44/5KN تـا 9MN است. یک میراگر ویسکوز تشکیل شده ازیک پیستون که روزنه هایی در قـسمت انتهـایی دارد و با حرکت رفت و برگشتی در داخل سیلندر، سیال لزج وارد روزنه ها شده و تولید نیرو می کند. نیروي تولید شده به اندازه و شکل روزنه ها و همچنین سرعت حرکت وابسته می باشد . شـکل (1) جزئیات یک میراگر و یسکوز را نشان می دهد.[2]
شکل(:(1میراگر ویسکوز به همراه جزئیات آن
-1-1 روابط میرایی ویسکوز
معادله سیستم یک درجه آزادي با نیروي میراگر خارجی Fw و توزیع نیروي خـارجی Fd بـه صورت زیر است :
1-1
که m جرم، c میرایی و k سختی سیـستم یـک درجـه آزاد اسـت. در اینجـا میراگـر ویـسکوز وسیله اي فرضی است که نیروي میرایی تولید می کند. که مستقیماً متناسب با سرعت سیستم است ولی با علامت منفی که به صورت زیر نوشته می شود :
2-1
فاکتور تناسب Cd ضریب میرایی میراگر ویسکوز خارجی است .دلیل اینکـه چـرا میراگرهـاي ویسکوز خطی وسایل میرایی برتري هستند، توسط معادله زیرکه ناشی از معادلات قبلـی اسـت بیان می شود :
3-1
معادله بازهم خطی است و بنابراین به صورت تحلیلی قابل حل است علاوه براین مزیـت اصـلی میراگر ویسکوز خارجی با توجه به فرمول، این است که آنها میرایـی مـصالحی سـازه را افـزایش می دهند .[3]
کارW تلف شده در بازه زمانی[t1,t2] به این صورت فرمولبندي می شود:
4-1
براي تحریکات تناوبی، انرژي تلف شده در هر سیکل می شود:
5-1
شکل : (2 ) میرایی ویسکوز خطی (a نیرو – جابجایی و (b خط سیر نیرو- سرعت براي تحریکـات تناوبی
-2-1 مزایا و معایب
چند مزیت مهم براي استفاده از میراگرهاي و یـسکوز وجـود دارد. میراگرهـاي ویـسکوز نیـروي میرایی در یک سازه تولید می کنند و این نیرو به طور ذاتی غیر هم فاز با ماکزیمم پاسخ سـازه در طی رویداد لرزه اي است. به این دلیل میراگرهاي ویسکوز می توانند بـرش طبقـه، شـتاب و برش پایه را کاهش دهند. میراگر ویسکوز یک وسیله مهروموم شده است و ایـن موجـب تمایـل کمتر آن به خطرات جوي می شود کـه میراگرهـا ي اصـطکاکی بایـد تحمـل کننـد در نهایـت عملکرد میراگر ویسکوز تقریًبا مستقل از حرارت است و معادله میرایی ویسکوز مشابه کـه بـراي همه سطوح فرکانس معتبر است. متاسفانه میراگرهاي ویسکوز هنوز براي مـدل سـازي پیچیـده هستند. به علت اینکه نیروي خروجی آنها براساس سرعت آنهاست. در حالیکـه کـه میراگرهـاي ویسکوز باید در یک ماتریس جدا مطرح شوند. ماتریس ضرایب میرایی جزء لاینفک رونـد حـل است و اگر میراگرها به صورت ناهمسانی در سازه قـرار بگیرنـد، تجزیـه سیـستم بـراي تحلیـل سخت می شود. همچنین معایب دیگر براي میراگرهاي ویسکوز وجود دارد. بـه علـت فـشردگی کم سیال ویسکوز، شروع به کار کردن با ضربه اي در میراگر ویسکوز همراه است.[2]
-3-1 کاربرد میراگرهاي ویسکوز
اولین استفاده از میراگرهاي ویسکوز براي هدف لـرزه اي در سـال 1993 در طراحـی مقـاوم – لرزه اي مرکز دارویی بخش SAN BERNSDINO در کالیفرنیا بود. میراگرهاي ویـسکوز اضـافه شده به سیستم کمک کرد تا تغییر مکانها زیر 22 اینچ باقی مانده و پریـود مـوثر سـازه را تـا 3
ثانیه بالا برد . کاربردهاي لرزه اي دیگر شامل ساختمان ارتباطات اضطراري ناقوس صـلح، هتـل WOODLAND و اخیراً برا ي بهساز ي پلها را می توان نام برد.[4]
-2 میراگر ویسکوالاستیک
میراگرهاي ویسکوالاستیک بطور موفقیت آمیزي در ساختمانهاي بلنـد بـراي مقابلـه بـا بـاد، در چند دهه اخیر بکار گرقته شده اند. بررسی هاي تحلیلی اسـتفاده میراگرهـاي ویـسکوالاستیک براي کاربرد لرزه اي، توسط Ashour در سال 1987 در رساله دکتراي ایشان انجام شد و نتایج نشان می دهد که پاسخ ساختمانها در طول زمین لرزه هاي قوي کـاهش قابـل توجـه اي پیـدا کرده است.[5] میراگرهاي ویسکوالاستیک ساده عموما از صحفه لاستیک مانند بـین دو صـفحه فولادي تشکیل شده اند و یا دو لایه لاستیک مانند که بین سه صفحه قرار گرفته شده است که در شکل ( ( 3 دیده می شود. زمانیکه یک سازه تحریک مـی شـود صـفحات درجهـات مختلـف حرکت کرده و لایه هاي لاستیکی متحمل تغییر شکل برشی می شوند.[6]
شکل(:(3 میراگر ویسکوالاستیک
کل نیروي میراگر ویسکو الاستیک، برابر است با لزجی و سختی قطعات:
1-2
سختی قطعات باعث بیضوي شدن منحنی با شیب kd در در نمودار نیرو – جابجایی مـی شـود (شکل.( 4 انرژي مستهلک شده در هر سیکل برابر است با مساحت این بیضی.[3]
شکل(:(4 نمودار نیرو- جابجایی میراگر ویسکوالاستیک
با افزایش دماي محیط ، ظرفیت اسطهلاك انرژي میراگر کاهش می یابد. مطالعات تجربی نشان می د هد که خواص میراگر براي کرنشهاي پایین 20 درصد براي هر دما و فرکانسی مـستقل از میزان کرنش می باشد [1]، همچنین خواص میراگر بـه تعـداد سـیکلهاي بـار وارده و محـدوده تغییر شکلها بستگی دارد، مخصوصا تحت تحریکات کرنـشهاي بـزرگ، بـه دلیـل آن کـه دمـاي مصالح میراگر افزایش می یابد. ولی در طی یک زلزله بعلت اینکه شتابهاي بزرگ تنها در تعـداد محدودي از سیکلها به وقوع می پیوندند، از اهمیت زیادي برخوردار نبـوده و مـی تـوان خـواص میراگر را در حین زلزله ثابت فرض نمود.[5]
-1-2 مزایا و معایب میراگر هاي ویسکو الاستیک
مزیت اصلی استفاده از میراگرهاي ویسکو الاستیک این است که اگر این میراگر بصورت صـحیح در سازه قرار داده شود نیاز به جایگزینی نخواهـد داشـت. بـدلیل اینکـه تغییـر شـکل صـفحات لاستیکی، ماندگار نیست. دو عیب بـزرگ بـرا ي میراگرهـاي ویـسکوالاستیک وجـود دارد . اول اینکه مدل کردن آنها پیچیـده اسـت. میراگرهـاي ویـسکو الاسـتیک از مـوادي بنـام همبـسپار (Copolymer) تشکیل شده اند. مواد همبسپار خواص سختی و میرایی خاصی دارند که با دما محیط، فرکانس تحریک، تغییرات حرارت موضعی و سطوح کرنش برشـی تغییـر مـی کنـد. حلقه هاي هستریزیس می تواند توسط بیضیهاي کج ایده آل شود اما قانون هستریزیس واقعـی از حلقه اي به حلقه دیگر تغییر می کند. دومین عیب این میراگر ناپایداري آن است که بخـاطر خاصیت ذاتی پلیمر مخصوص میراگرهاي ویسکوالاستیک است. اولین گام آزمـایش میراگرهـاي ویسکو الاستیک معمولا پیدا کردن ا ین خواص است.[2]
-2-2 کاربردهاي میراگرهاي ویسکوالاستیک
میراگرهاي ویسکوالاستیک اولین بار در دهه 1970 بـه طـور گـسترده اي ( 10000 عـدد ) در برجهاي اي دوقلوي مرکز تجارت جهانی استفاده شد این میراگرها در این سـاختمان هـا بـراي
