بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مکانیابی بهینه ی میراگر ویسکوز در پلان و ارتفاع سازه ها
چکیده
از روشهای نوین و موثر استفاده از سیستمهای اتلاف انرژی غیرفعال برای بهبود پاسخ لرزهای سازهها میباشند. سیستمهای کنترل غیرفعال نیازی به منبع انرژی خارجی ندارند. این ابزارها از نیروهایی که در پاسخ به حرکت سازه در داخل آنها ایجاد میشود بهره میگیرند. یکی از سیستمهای کنترل غیرفعال، میراگر ویسکوز می باشد که در سازههای جدید و یا بهسازی سازههای قدیمی مورد استفاده قرار میگیرد . میراگرها عموما به صورت یکنواخت در طبقات ساختمانها توزیع میشوند. سوال اینجا است که آیا میتوان الگویی بهینه برای نصب میراگرها در پلان و ارتفاع طبقات ارائه نمود. در این تحقیق با طراحی میراگر ویسکوز با 25درصد میرایی و جایگذاری آن در حالتهای مختلف در سازه با استفاده از نرم افزار ETABS2000 سعی شده است به این سوال پاسخ داده شود. مدلهای استفاده شده در این تحقیق دو ساختمان 5 و 10 طبقهی سهبعدی و شتابنگاشتهای به کار برده شده برای تحلیل تاریخچهی زمانی غیرخطی مربوط به زلزلهی El-Centro و Tabas میباشند. نتایج تحقیق حاکی از تاثیر چشمگیر میراگر ویسکوز در کاهش پاسخ لرزهای سازه دارد و با افزایش تعداد طبقات، مکانیابی بهینه میراگرها اهمیت خود را بیشتر نشان میدهد. با این حال مکان بهینهی میراگر ویسکوز برای یک سازه تحت زلزلههای مختلف به دلیل خصوصیات متفاوت زلزلهها تغییر میکند، بدین جهت نمیتوان یک الگوی صد در صدی برای مکان بهینهی نصب میراگرهای ویسکوز ارائه نمود. با این حال در اکثر مواقع بهترین پاسخ سازه زمانی است که میراگرها در قاب ساختمانی به صورت یک در میان در چشمههای مجاور نصب میگردند.
واژههای کلیدی: کنترل غیرفعال، مکانیابی بهینه، میراگر ویسکوز، تحلیل تاریخچهی زمانی
-1 مقدمه
طراحی سازههای مقاوم در مقابل ارتعاشات لرزهای یکی از دغدغههای اصلی مهندسان سازه بهشمار میرود. در روشهای مرسوم، ساختمان با استفاده از ترکیب سختی، شکل پذیری، استهلاک انرژی و همچنین اینرسی در برابر نیروهای دینامیکی (نظیر باد، زلزله، ارتعاش ماشینآلات، امواج دریا و...) از خود مقاومت نشان میدهد. مقدار میرایی در این قبیل از سازهها بسیار کم است و از اینرو، انرژی مستهلک شده در محدودهی رفتار الاستیک سازه ناچیز است. این ساختمانها تحت تاثیر نیروهای دینامیکی قوی نظیر زلزله با گذر از محدودهی الاستیک، تغییرمکانهای زیادی میدهند و به واسطهی قابلیت تغییرمکان غیرالاستیک خود پایدار باقی می مانند. تغییر مکانهای غیرالاستیک موجب به وجود آمدن مفاصل پلاستیک به صورت موضعی
در نقاطی از سازه میشود که خود افزایش شکلپذیری و همچنین افزایش استهلاک انرژی لرزهای را در پی دارد. در نتیجه مقدار زیادی از انرژی زلزله، به واسطهی تخریبهای موضعی در سیستم مقاوم جانبی سازه مستهلک میشود.
در دو دههی گذشته، تلاشهای فراوانی به منظور کاربرد سیستمهای کنترل مدرن در سازه های در معرض زلزله انجام شده است. گروه مهمی از این سیستمها، سیستمهای کنترل غیرفعال اند که بدون نیاز به هیچگونه منبع انرژی خارجی و فقط با استفاده از حرکت سازه، ارتعاشات لرزه ای را کاهش میدهند. بعضی از سیستم های کنترل غیرفعال با تغییر فرکانس ارتعاشی سازه و با محدود ساختن شتاب انتقالی به سازه مانع نفوذ انرژی زلزله به سازه میشوند. در حالی که در نوعی دیگر با عنوان میراگرهای انرژی، انرژی زلزله پس از ورود به سازه جذب می شود .[1] ایدهی استفاده از میراگرهای انرژی در سازه به منظور کنترل ارتعاشات لرزهای در سال 1972 با مطالعات تحلیلی و آزمایشگاهی آقای کلی و همکارانش مطرح شد .[2] امروزه انواع مختلفی از میراگرهای انرژی وجود دارند که معروفترین آنها عبارتند از: میراگرهای تسلیم فلزی، میراگرهای اصطکاکی، میراگرهای ویسکوالاستیک و میراگرهای سیال ویسکوز. اگر چه شیوههای مدرن به مهندسان سازه آزادی بیشتری در طراحی میدهد، اما همچنان پرسشهای زیادی در ارتباط با محدودیتهای اجرایی، دوام، اندازه و چیدمان این میراگرها در سازه وجود دارد. بر این اساس، تاثیر میراگرها بر رفتار لرزهای یک سازه، تابعی از چند پارامتر همچون تعداد میراگرها، محل آنها در سازه و مشخصات فیزیکی میراگر است.
-2 میراگر ویسکوز
میراگر ویسکوز مایع، یکی از سیستمهای جاذب انرژی است که در مقایسه با اندازه ی فیزیکی خود از توانایی جذب انرژی بالایی برخوردار است. بنابراین این نوع میراگرها میتوانند برای استهلاک انرژی ناشی از زلزله در سازه ها مورد استفاده قرار گیرند. در گذشته کاربردهای فراوانی از میراگرهای سیال لزج به منظور کنترل ارتعاشات ناشی از ضربه در سیستمهای فضایی و دفاعی مشاهده شده است. گذشت زمان نشان داده که این سیستمها می توانند اثر قابل ملاحظهای در کنترل ارتعاشات داشته باشند. در حقیقت تولید میراگرهای سیال لزج با ظرفیت زیاد به حدود سالهای 1980 برمیگردد. از جمله خصوصیات این میراگر وابستگی آن به دما و فرکانس بارگذاری است. این میراگرها قابلیت استهلاک انرژی را در هر شدت بارگذاری دارند و بسته به شدت و فرکانس بار وارده میزان معینی انرژی تلف میکنند.[3]
ساختمان میراگر شامل یک سیلندر و یک پیستون از جنس فولاد ضد زنگ به همراه یک کلاهک برنزی سوراخدار میباشد. سیلندر میراگر باید فشار بار وارد بر حجم سیلندر که آن هم از فولاد ضدزنگ است را باید تحمل کند، به دلیل خستگی یا تنش پسماند، جوشکاری سیلندر میراگر امکانپذیر نیست. سیلندرها معمولا طوری طراحی میشوند که 1/5 برابر زلزله را تحمل کنند. ضمن اینکه با توجه به نیروهای فشاری سیلندر نباید نشت کند. مایع داخل سیلندر از روغن سیلیکونی میباشد که غیرسمی و غیر اشتعالزا بوده و برای مدت زمان طولانی پایدار است. اساس کار این میراگر استهلاک انرژی توسط عبور مایع با فشار از درون روزنه تعبیه شده در کلاهک پیستون میباشد. وقتی میراگر در فشار است، مایع با فشار زیاد از محفظهی 2 به محفظهی 1 جاری میشود و برعکس وقتی میراگر در کشش است، مایع از محفظه ی 1 به محفظهی 2 جاری میشود (شکل .(1 عبور مایع با فشار زیاد از درون روزنه ی پیستون، سبب ایجاد اختلاف فشار در دو طرف کلاهک پیستون و در نتیجه تولید نیروی میراگر میگردد. تراکم پذیری مایع ممکن است باعث به وجود آمدن نیروی بازگشت کشسان و پسزدگی پیستون شود که جهت جلوگیری از این اتفاق یک سوپاپ کنترل، عبور مایع به محفظه سوم موسوم به آکومولاتور یا محفظهی ذخیره را فراهم میسازد.
میراگر ویسکوز از لحاظ تحلیلی وابسته به سرعت میباشد و رابطهی نیرو- سرعت برای میراگر ویسکوز در رابطهی 1 آورده شده است:
که در آن F نیروی میراگر؛ v سرعت نسبی پیستون؛ C ضریب میرایی؛ تابع نمایی سرعت و sgn(v) تابع علامت سرعت
میباشد. ضریب میرایی عدد ثابتی است که بر اساس قطر میراگر و سطح روزنه تعیین میشود. عددی ثابت بین 0/3 تا 1/95 میباشد. رفتار میراگر ویسکوز با =1 به صورت خطی میباشد یعنی رابطهی بین نیروی میراگر با سرعت نسبی به صورت خطی است. میراگر با >1 دارای رفتار غیرخطی است و اغلب کاربرد سودمندی ندارد. میراگر با <1 نیز دارای رفتار غیرخطی است که بسیار موثر در به حداقل رساندن شوک های با سرعت های نسبی اولیه بالا میباشد. در این تحقیق میراگر ویسکوز خطی به کار رفته است. جزئیات میراگر ویسکوز در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل :1 جزئیات میراگر ویسکوز[4]
-3 مشخصات سازههای مورد مطالعه
سازههای مورد مطالعه در این تحقیق که شامل دو ساختمان فولادی 5 و 10 طبقه میباشند، طوری انتخاب شدهاند تا معرف سازههای معمول موجود در ایران باشند. مدل ها به صورت سه بعدی بوده که در جهت X دارای 5 دهانه 5، 4 و 3 متری و در جهت Y دارای 4 دهانهی 5 متری به ارتفاع 3/2 متر میباشند.
دیگر مشخصات مدل های تحلیلی به قرار زیر میباشد:
نوع سیستم سازهای: قاب خمشی فولادی با شکلپذیری متوسط نوع زمین: نوع 2 نسبت شتاب مبنای طرح: پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد
تنش تسلیم فولاد: 2400 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع تنش نهایی فولاد: 3700 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع مقطع ستونها: قوطی شکل
مقطع تیرها: پروفیل IPE و دوبل IPE
بارگذاری: بر مبنای مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ایران طراحی سازه : بر مبنای مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ایران نرم افزار تحلیل و طراحی سازه: [5] ETABS2000
تعداد میراگر در ساختمان پس از تجهیز : 2عدد در هر طبقه
-1-3 نما و پلان سازه
در اینجا به دلیل یکسان بودن پلان در هر دو ساختمان 5 و 10 طبقه به نشان دادن نمای سه بعدی و پلان سازهی 5 طبقه به ترتیب در شکل 2 و 3 اکتفا میکنیم.
شکل :2 نمای سه بعدی ساختمان 5 طبقه
شکل :3 پلان طبقات
-4 تعیین ضریب میرایی میراگر ویسکوز
در روش استاتیکی خطی، درصد میرایی موثر سازه ( ( eff همراه با میراگر وابسته به سرعت توسط رابطهی2 محاسبه میشود:[6]
که در آن میرایی سیستم قاب بندی ساختمان؛ W j کار انجام شده توسط وسیله j ام در یک سیکل کامل تحت تغییرمکانهای کفهای طبقات و Wk حداکثر انرژی کرنشی قاب میباشد.
برای قابهای ساختمانی چند طبقه با توزیع یکنواخت میرایی در ارتفاع قاب و مشخص بودن میرایی مؤثر و مودهای ارتعاشی و نحوه قرار گیری میراگرها میتوان نسبت میرایی را برای میراگر ویسکوز خطی با رابطهی 3 به دست آورد:[6]
که در آن T پریود ساختمان دارای میراگر الحاقی ویسکوز؛ wi وزن هر طبقه از سازه؛ C j ضریب میرایی میراگر j ام؛ مود ارتعاشی؛ j f ضریب طرز قرارگیری میراگر که با توجه به نصب میراگر به صورت قطری در قاب
میباشد؛ میرایی موثر سازه ناشی از میراگر الحاقی در مود مورد نظر میباشد.
در صورت تحلیل دینامیکی غیرخطی مطابق با آییننامه FEMA356 مقدار Tss جایگزین مقدار T در رابطهی 3 خواهد
شد
که در آن Ti پریود حاصل از تحلیل دینامیکی خطی؛ ki سختی جانبی الاستیک و ks سختی قطعی سازه میباشد که در شکل 4 نحوهی محاسبه هر یک از متغیرها نشان داده شده است.
مانند شکل 4 منحنی Pushover مطابق با آیین نامه FEMA356 برای سازه رسم شده و Tss به وسیله دوخطی کردن این منحنی بر طبق ضوابط آییننامه محاسبه میگردد. ki و ks مطابق شکل 4 از محاسبه شیب خطوط بدست میآید. مولفهی افقی در این شکل تغییرمکان هدف و مولفهی عمودی برش پایه را نشان میدهد. محاسبهی تغییرمکان هدف از رابطهی 5 صورت میپذیرد:
: C0 ضریب اصلاح تغییرمکان سیستم یک درجه آزادی به تغییرمکان بام در سیستم چند درجه آزادی که بر اساس ضریب مشارکت مود اول و یا جدول 3.3.3.2.3 آییننامه FEMA356 تعیین میشود.
: C1 ضریب اصلاح تبدیل تغییرمکان طیفی خطی به تغییرمکان حداکثر غیرخطی : C2 اثرات کاهش سختی و مقاومت اعضای سازهای بر تغییرمکانها
: C3 اثرات افزایش تغییرشکل جانبی سازه تحت اثر - P : Sa شتاب طیف استاندارد
: B1 ضریب اصلاح که براساس نسبت میرایی سازه مطابق جدول 1 تعیین میگردد.
:Te پریود اصلی موثر سازه حاصل از رابطهی 6 که در آن ke معرف سختی موثر سازه می باشد.
جدول :1 ضریب B1 متناسب با میرایی سازه
