یکى از چالش‌هاى همیشگى در مهندسى، یافتن ابزارى جدید و مثمر ثمر براى حفاظت سازه‌ها و تجهیزات در برابر اثرات مخرب نیروهاى طبیعى است. در این بین، زلزله یکى از رخدادهایى است که با وجود تحقیقات زیادى که در مورد آن صورت گرفته، هنوز امکان پیش بینى زمان و مکان دقیق آن وجود ندارد. بنابراینبه نظر مى‌رسد، روش اصلى مقابله با زلزله، ایمن سازى سازه‌ها در برابر آن است.
یکى از روش‌هایى که در چند دهه اخیر، موضوع مطالعات بسیارى بوده، ایده کنترل سازه‌هاست که براى افزایش کارآیى و ایمنى آنها در برابر خطرات طبیعى به کار مى‌رود. سیستم‌هاى جذب انرژى غیرفعال سازه‌ها، در سال‌هاى اخیر به طور وسیعى در صنعت ساختمان مورد استفاده قرار گرفته‌اند. به طور کلى، این سیستم‌ها شامل وسایل و مصالحى مى‌شوند که میرایى، سختى و مقاومت سازه را افزایش داده و مى‌توانند به منظور کاهش خطرات طبیعى محتمل و نیز مقاوم سازى سازه‌هاى جدید یا ساخته شده، به کار روند. سیستم جرم میراگر متوازن یکى از راه حل‌هاى نسبتاً نوینى است که اخیراً در کشورهاى پیشرفته جهت مقابله با نیروهاى جانبى باد و زلزله در سازه‌هاى بلند مرتبه مورد توجه بسیارى قرار گرفته است. در حالى که هنوز در ایران تأکید خاصى براى شناخت و استفاده از این سیستم نشده است.
سیستم‌های جرم میراگر متوازن (میراگر جرمى تنظیم شده) از جمله ابزارهای بکار رفته در کنترل لرزه در سازه‌ها است که در سال‌های اخیر، در بسیاری از پل‌ها و سازههای بلند که اغلب از شکل‌پذیرى بالایى برخوردارند، بکار رفته است. سازههای بلند تحت اثر نوسان‌های ناشی از بار باد و زلزله قرار می‌گیرند. مطالعات نشان می دهد که این سازه‌ها معمولاً در فرکانس‌های طبیعى خود ارتعاش می‌کنند که در مواقعی که فرکانس‌های انتقالی و پیچشی نزدیک باشند، توسط حرکت پیچشی نیز تشدید میشوند.
در سازههای بلند که خود دارای پریود بلند، فانوس‌های دریایی و برج‌های مراقبت فرودگاه‌ها نیز از سازه‌هایى هستند که در آنها، عموماً جرم اصلی در
بالای سازه به صورت پاندول وارونه متمرکز بوده و لذا، تغییر مکان رأس از نظر کاربردی و عدم ایجاد اختلال در ارسال و دریافت پیام‌های مخابراتی و همچنین راحتی استفاده کنندگان دارای اهمیت است. میراگرهای دینامیکی، سیستم‌های ایجاد میرایی در سازه‌ها هستند که در دو دهه اخیر تحقیقات فراوانی بصورت تئوریک و تجربی بر نحوه عملکرد آنها انجام شده و در سازههای زیادی با موفقیت اجرا شده‌اند. جرم میراگر متوازن (TMD) و مایع میراگر متوازن در این گروه قرار می‌گیرند.
سیستم جرم میراگر متوازن
سیستم کنترلى TMD یک میراگر غیر فعال نسبتاً جدید بوده و کاربردهای آن در سال‌های اخیر صورت گرفته است. این سیستم ابزاری است شامل یک جرم، یک فنر و یک میراگر که برای کاهش پاسخ دینامیکی سازه به آن نصب می‌شود و عملکرد آن، اساساً بر مبنای استهلاک انرژی ارتعاشی سازه بصورت حرکت نوسانی جرم میراگر است. بدین ترتیب که فرکانس TMD متناسب با فرکانس یکی از مودهای غالب سازه‌ای (معمولاً مود اول) تنظیم می‌شود. بنابراین زمانی که این فرکانس تحریک می‌شود، حرکت TMD در فازی خارج از حرکت سازه تشدید شده و انرژی از طریق نیروی اینرسی‌ای که میراگر به سازه وارد می‌کند، مستهلک می‌شود.
عملکرد جرم میراگر متوازن در سازه‌هاى بلند مرتبه نتیجه برخی از پژوهش‌ها نشان می‌دهد که عملکرد جرم میراگر متوازن در برابر تحریک زلزله که محدوده فرکانسى وسیعترى را نسبت به باد مى‌پوشاند، به مشخصات زلزله بستگی زیادی دارد.
جرم میراگر متوزان تنها زمانی در کاهش پاسخ زلزله موثر است که زلزله وارد بر سازه دارای محدوده فرکانسی کوچک و مدت زمان طولانی باشد. به عبارت دیگر از آنجا که پهنای باند فرکانسی نوسانات لرزهای پهن تر از حالت باد بوده و به علاوه در فرکانس‌های بالاتر نیز ارتعاشات قویتر است لذا مودهای بالاتر نیز تحریک میشوند. و در نتیجه در نظر گرفتن تنها مود غالب ارتعاشی کافی نخواهد بود. با توجه به عدم قطعیت موجود در پیش بینی لرزه و همچنین مشخصات دینامیکی سازه مثل فرکانس‌های طبیعی و نسبت استهلاک مودهای مختلف ارتعاشی مفیدتر آن است که از تعداد میراگرهای بیشتر استفاده شود به نحوی که این میراگرها دارای فرکانس ارتعاشی با اندک اختلافی نسبت به هم باشند تا بتوان محدوده بیشتری از فرکانس‌ها را پوشش داد که به این گونه سیستم‌ها میراگرهای چندگانه یا MTMD اطلاق می‌شود.
در این حالت حساسیت سیستم کنترلی به پارمترهایی مثل تحریک ورودی کاهش می‌یابد. به منظور بهبود عملکرد TMD می‌توان از مواد ویسکوالاستیک در اتصال جرم آن به سازه اصلی بهره برد. تا پاسخ لرزهای سازه با اسهلاک انرژی به روش‌های دیگر نیز صورت بگیرد. یکی دیگر از مشکلات TMD آن است که نقطه اوج در پاسخ ارتعاشی را به سادگی نمی‌توان کاهش داد. چرا که TMD به صورت غیر فعال با فرکانس سازه اصلی تنظیم شده و به خاطر ارتعاشی با اختلاف فاز باعث کاهش لرزه می‌شود.
از این رو در لحظات اولیه وقوع زمین لرزه که اغلب دارای نوسانات قوی لرزهای هم هستند عملکرد TMD چندان موثر نیست. برای حل این مشکل نیز می‌توان از کنترل فعال یا نیمه فعال استفاده نمود.
با وجود اینکه هنوز یک روال متعارف و یک استاندارد مشخص برای طراحی یک سیستم میراگر در یک سازه وجود ندارد این سیستم به سرعت به یک جز متعارف در سازههای بلند برای کنترل ارتعاشات ناشی از باد تبدیل شده و عملکرد آن نیز رضایت بخش ارزیابی شده است.
ملاحظات عملی جرم میراگر متوازن
بعضی از فاکتورهایی که انتخاب سیستم‌های کنترل لرزه برج‌ها و دیگر سازه‌ها را تحت تاثیر قرار می‌دهند شامل کارآیی، اندازه، هزینه ساخت، هزینه عملیات، هزینه نگهداری و تعمیرات و امنیت است.
در طراحی سیستم میراگر جرمی، مقدار کاهش پاسخ دینامیکی که به طور اقتصادی قابل دستیابی است. در طراحی‌های متعددی مورد توجه قرار می‌گیرد. اولین عامل در طراحی اقتصادی، مقدار جرم اضافی است. این جرم حدود ۱ الی ۵ درصد جرم ساختمان بوده که معمولاً در بالای سازه قرار می‌گیرد.
پایگاه علمی سعید سان دانلود رایگان مقالات علمی کنفرانس و ژورنال
