بخشی از مقاله
میراگر مایع تنظیم شونده، تئوری و نرم افزار کاربردی
چکیده
روشهای زیادی برای کنترل ارتعاشات سازهها که تحت حرکت لرزهای زمین و یا اثر تندبادها قرار دارند وجود دارد از جمله سیستمهای جداسازی پی، میراگرهای ویسکو الاستیک، قطعات افزایشدهنده سختی و میرایی، سیستمهای مهاربندی، میراگرهای جرمی تنظیم شده و دیگر روشها که هر یک محدودیتها و مزایای خاص خود را دارند. یک روش برای کنترل غیرفعال ارتعاشات سازهها وجود دارد که در آن از نوسانات و تلاطم آب در یک تانک برای کنترل ارتعاشات سازه استفاده میشود و ازاینرو به آن سیستم میراگر مایع تنظیم شده (Tuned Liquid Damper) گویند. سیستمهای TLD برای طراحی بهینه باید بر اساس فرکانس مود اول سازه تنظیم شوند؛ بنابراین مشخصات میراگر نظیر ابعاد ظرف و عمق آب داخل آن باید به گونهای تنظیم شوند که فرکانس تلاطم مایع درون میراگر با فرکانس ارتعاش سازه هماهنگ شود. برای مدل سازی ساختمان با قاب خمشی فولادی به همراه میراگر مایع تنظیم شونده در نرمافزار آباکوس میبایست سه بخش مجزا مدلسازی شود؛ که عبارتاند از: مدلسازی ساختمان فولادی به همراه بارگذاری سازهای و اعمال بار لرزهای، مخزن مایع میراگر و همچنین مایع درونمیراگر که عمدتاً آب میباشد.
واژگان کلیدی: میراگر مایع تنظیم شونده، ABAQUS، TLD
-1مقدمه
میراگر مایع تنظیم شدهیک سیستم کنترل غیرفعال است که از نیروی هیدرودینامیکی استفاده میکند. نحوه کار میراگر بدین ترتیب است که تعدادی مخزن در قسمت بالای سازه نصب شده و تلاطم مایع درون این مخازن انرژی ارتعاشی وارده به سازه را در هنگام زلزله یا تندباد، مستهلک میکند. نیروی کنترلی که در این روش برای کاهش ارتعاشات سازه مورد استفاده قرار میگیرند از فشار دینامیکی ای که روی سطح جدارههای انتهایی ظرف اثر میکند تولید میشود. تلاطم مایع موجب ایجاد تفاوت در رقوم سطح آزاد مایع در جدارههای انتهایی مخزن میشود و اختلاف فشار ناشی از تفاوت رقوم سطح آزاد مایع در جدارههای انتهایی به صورت یک نیروی برشی در کف مخزن ظاهر میگردد. اگر پارامترهای میراگر ستون مایع روی مورد ارتعاش تنظیم نشده باشد تأثیر میراگر ستون مایع کاهش مییابد. در این مقاله به بررسی کارکرد این سیستم پرداخته می شود.
-2مواد و روش ها
الف- میراگرهای مایع تنظیم شده جهت کاهش ارتعاشات سازهها
روشهای زیادی برای کنترل ارتعاشات سازه ها که تحت حرکت لرزهای زمین و یا اثر تندبادها قرار دارند وجود دارد که از آن جمله میتوان سیستمهای جداسازی پی، میراگرهای ویسکوالاستیک، قطعات افزایش دهنده سختی و میرایی، سیستمهای مهاربندی، میراگرهای جرمی تنظیم شده و سایر روشها اشاره کرد که هریک محدودیتها و مزایای خاص خود را دارند. موضوع استفاده از میراگرهای مایع تنظیم شدهیک مبحث مهم و شناخته شده در سازههای مختلف است. اگر چه استفاده از چنین سیستمهایی در دنیا رو به فزونی است اما در کشورهای کمتر توسعهیافته نیاز به شناخت و بررسی روشهای استفاده بهینه از اینگونه تجهیزات نیاز به مطالعه و سرمایهگذاری دارد. فنآوری کنترل ارتعاش برای سازههای خشکی به منظور مقاومت در برابر نیروهای باد یا زمینلرزه در چند دهه گذشته به نحو مؤثری رو به پیشرفت است؛ اما این فنآوری به ندرت برای سکوهای ثابت دریایی استفاده شده است. کاربرد این فنآوری دریا محدود به موج و زلزله نبوده و دامنه وسیعی از نیروها شامل ارتعاش ایجاد شده در اثر گردابه های تولید شده در اطراف سکو، نیروهای دینامیکی ناشی از یخ و جریانهای قوی دریایی را میتواند شامل گردد. به این منظور سیستمهای جاذب انرژی متنوعی میتواند استفاده شود. از شناختهشدهترین این سیستمها میتوان میراگر فلزی (جاری شونده، میراگر ویسکو الاستیک، میراگرویسکوز، میراگر جرمی تنظیم شده، میراگر مایع تنظیم شده) را نام برد. هر سیستمی در موارد خاصی ممکن است عملکرد بهتری داشته باشد.
میراگرهای ستون مایع، یک گروه از میراگرها هستند که میرایی را به طور غیرمستقیم به سازه اولیه با استفاده از نوسانگرهایی از ستون مایع در یک ظرف –U شکل استفاده می کنند. روشهای زیادی برای کنترل ارتعاشات سازههای بلند مرتبهای که تحت حرکت لرزهای زمین و یا اثر تندبادها قرار دارند وجود دارد از جمله سیستمهای جداسازی پی، میراگرهای ویسکو الاستیک، قطعات افزایشدهنده سختی و میرایی، سیستمهای مهاربندی، میراگرهای جرمی تنظیم شده و دیگر روشها که هر یک محدودیتها و مزایای خاص خود را دارند. روش دیگری برای کنترل غیرفعال ارتعاشات سازهها وجود دارد که در آن از نوسانات و تلاطم آب در یک تانک برای کنترل ارتعاشات سازه استفاده میشود و ازاینرو به آن سیستم میراگر مایع تنظیم شده (Tuned Liquid Damper) گویند. برای اولین بار در اوایل قرن بیستم از این سیستم برای کنترل ارتعاشات ناشی از امواج دریا در کشتیهای اقیانوسپیما استفاده شد.
سپس در نیمه دوم قرن بیستم برای کنترل نوسانات و جنبشهای آزادِ با دوره تناوب بالا در ماهوارهها به کار رفت؛ از اواسط دهه 1980 میراگر مایع تنظیم شده برای کنترل ارتعاشات سازههای مهندسی عمران به کار گرفته شد. به طور کلی اعمال هرگونه نیرو به یک سازه سبب ایجاد ارتعاش در آن میگردد. نیروی وارده به سازه میتواند منشأ داخلی یا خارجی داشته باشد. وجود یک دستگاه مرتعش در داخل سازه به نحوی که تکیهگاه این دستگاه به یک عضو سازه ای نیرو وارد کند، میتواند سبب ارتعاش موضعی یا کلی سازه گردد . نیروی نظیر باد، منشأ خارجی داشته و مستقیماً به سازه وارد می گردد و از طرف دیگر، نیروهایی نظیر زلزله با اثر ترافیک خارج از ساختمان، ارتعاش را از طریق زمین به پایه سازه منتقل کرده و این انرژی ارتعاشی از پی سازه به سایر طبقات انتقال مییابد که به این حالت، تحریک پایه (Base excitation) گفته میشود. در مقایسه با بارهای عادی و نرمال وارده بر سازه ها و ساختمانها، نیروهای ناشی از زلزله تفاوتهای عمدهای را دارا میباشند. در اغلب موارد، وجود همین تفاوتهاست که کار طراحی و مقاومسازی در برابر این پدیده طبیعی و بالقوه ویرانگر را آنگونه دشوار
æ بهدور از اطمینان قرار میدهد زیرا:
1. نیروهای ناشی از زلزله به صورتی افقی و از پهلو بر ساختمان وارد میآید، در حالیکه بارهای معمولی مورد انتظار در طول عمر سازه، اغلب قائم است.
2. بارهای عادی مربوط به سرویسهای هرروزه و عادیمورد انتظار از ساختمان تقریباً همیشه و در تمامی مدت عمر آن پیش میآید، در حالیکه در طول همان مدت، ممکن است حتی یک مرتبه هم هیچ زلزلهای رخ ندهد.
میراگرهای مایع تنظیم شده را از نظر شکل میتوان به دو دسته مکعب مستطیلی و استوانهای که هر دو به صورت در باز هستند در نظر گرفت. (شکل (4-2 این میراگرها را میتوان بر حسب ابعاد آنها به دو دسته کم عمق و عمیق تقسیمبندی کرد. در صورتی که نسبت h به L یا h به D (این پاراگرافها در شکل تعریف شده اند). در میراگر کمتر از 0.15 باشد از نوع کم عمق محسوب شده و در غیر این صورت در زمره میراگرهای عمیق قرار میگیرند.
شکل -1 شکل استوانهای و مکعبی مخزن میراگرهای مایع
ب- ارزیابی عملکرد لرزهای میراگر مایع تنظیم شونده در سازهها
روشهای زیادی برای کنترل ارتعاشات سازهها که تحت حرکت لرزهای زمین و یا اثر تندبادها قرار دارند وجود دارد از جمله سیستمهای جداسازی پی، میراگرهای ویسکو الاستیک، قطعات افزایشدهنده سختی و میرایی، سیستمهای مهاربندی، میراگرهای جرمی تنظیم شده و دیگر روشها که هر یک محدودیتها و مزایای خاص خود را دارند. میراگر مایع تنظیم شده یک سیستم کنترل غیرفعال است که از نیروی هیدرودینامیکی استفاده میکند. نحوه کار میراگر بدین ترتیب است که تعدادی
مخزن در قسمت بالای سازه نصب شده و تلاطم مایع درون این مخازن انرژی ارتعاشی وارده به سازه را در هنگام زلزله یا تندباد، مستهلک می کند. نیروی کنترلی که در این روش برای کاهش ارتعاشات سازه مورد استفاده قرار می گیرند از فشار دینامیکیای که روی سطح جدارههای انتهایی ظرف اثر می کند تولید میشود. تلاطم مایع موجب ایجاد تفاوت در رقوم سطح آزاد مایع در جدارههای انتهایی مخزن میشود و اختلاف فشار ناشی از تفاوت رقوم سطح آزاد مایع در جدارههای انتهایی به صورت یک نیروی برشی در کف مخزن ظاهر می گردد. سیستمهای TLD باید بر اساس فرکانس مود اول سازه تنظیم شوند یعنی فرکانس نوسانات آب در داخل ظرف باید نزدیک فرکانس طبیعی مود اول سازه باشد. بنابراین مشخصات میراگر نظیر ابعاد ظرف و عمق آب داخل آن باید به گونهای تنظیم شوند که فرکانس تلاطم مایع درون میراگر با فرکانس ارتعاش سازه هماهنگ شود.
شکل -2شکلگیری نیروی کنترل ناشی از میراگرهای مایع
به عنوان مثالی از عملکرد و میزان تأثیر این میراگرها در کنترل و کاهش ارتعاشات سازهای، حداکثر شتاب پاسخ برج
دریایی یوکوهاما تحت اثر باد برابر 0/1 یا کمتر رسید و ضریب میرایی سازه به % 4/5 افزایش یافت. با توجه به اینکه عمده تحقیقات قبلی در زمینه میراگرهای مایع تنظیم شده با در نظر گرفتن تحریک پایه هارمونیک انجام شده است، هدف از انجام این تحقیق بررسی عملکرد سیستمهای TLD در حالت تحریک پایه زلزله میباشد. برای این منظور برج فرودگاهی ناگازاکی برای مثالهای عددی تحت تحریک زلزلههای طبس، ناغان و السنترو قرار گرفته است.
ج- مدل یک درجه آزادی
یکی از سازههایی که از روش TLD برای کنترل ارتعاشات لرزهای آن ها استفاده شده است، برج های فرودگاهی هستند. از طرفی دیگر، این سازهها با تقریب بسیار خوبی میتوانند به عنوان مدل یک درجه آزادی در نظر گرفته شوند. در اینگونه سازهها معمولاً تمرکز اجرام و تجهیزات در قسمت بالای برج بوده و لذا میتوان بهخوبی آنها را با یک مدل یک درجه آزادی تقریب زد. TLD، یک میراگر غیرفعال (Passive) جدید بوده که مطالعات و کاربردهای آن در چند سال اخیر صورت گرفته است. TLD عبارتاند از یک تانک یا مخزن با هندسه مشخص که بخشی از آن توسط مایعی پر میشود و عملکرد آن،ساساً بر مبنای استهلاک انرژی ارتعاشی سازه به صورت تلاطم مایع کم عمق درون تانک میباشد، از نقطه نظر عملکرد، TLD شباهت بسیاری به TMD دارد با این تفاوت که روش کنترل ارتعاش در TMD بر پایه نیروی اینرسی ناشی از جرم اضافی استوار و در TLD بر تلاطم مایع و جذب و استهلاک انرژی وارده به سیستم. TLD ها دارای مزایای زیر میباشند:
-1 قابلیت استفاده موقت از TLD؛
