پایگاه علمی سعید سان دانلود رایگان مقالات علمی کنفرانس و ژورنال
سیستم‌های جرم میراگر متوازن
سیستم‌های جرم میراگر متوازن
سیستم‌های جرم میراگر متوازن (میراگر جرمى تنظیم شده) از جمله ابزارهای بکار رفته در کنترل لرزه در سازه‌ها هستند 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 می‌دهد که این سازه‌ها معمولاً در فرکانسهای طبیعى خود ارتعاش می‌کنند که در مواقعی که فرکانسهای انتقالی و پیچشی در سازه‌های بلند که خود دارای ارتعاشی بزرگی هستند، توسط حرکت پیچشی نیز تشدید می‌شوند. تغییر مکان جانبی در بالاترین طبقه یکی از پارامترهای مهم طراحی بوده که همواره سعی بر نگه داشتن آن در سطحی معقول است.
برج‌ها و سازه‌هایی مانند برج‌های مخابراتی، دکل‌های بلند، برج‌های 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 (TLD) در اینن گروه قرار می‌گیرند.
معرفى سیستم جرم میراگر متوازن
سیستم کنترلى TMDیک میراگر غیر فعال نسبتاً جدید بوده که مطالعات و کاربردهای آن در سال‌هاى 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 دارد. تعدادی از محققین معتقدند که 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 پهناى باند فرکانسى نوسانات لرزهاى پهن‌تر از حالت باد بوده و بعلاوه در فرکانس‌هاى بالاتر نیز ارتعاشات قویتر است لذا مودهاى بالاتر نیز تحریک مى‌شوند و در نتیجه در نظر گرفتن تنها مود غالب ارتعاشى کافى نخواهد بود.
با توجه به عدم قطعیت موجود در پیش بینی زمین 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 MTMDD اطلاق میشود.
در این حالت حساسیت سیستم کنترلی به پارامترهایی مثل تحریک ورودی کاهش می‌یابد. به منظور بهبود عملکرد TMD مى‌توان از مواد ویسکوالاستیک در اتصال جرم آن به سازه اصلى بهره برد تا پاسخ لرزهاى سازه با استهلاک انرژی به روش‌های دیگر نیز صورت بگیرد.
یکی دیگر از مشکلات TMD آن است که نقطه اوج اول در پاسخ ارتعاشی را به سادگی نمی‌توان کاهش داد. چرا که TMD بصورت غیرفعال 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، عملکردTMD 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 جزء متعارف در سازه‌های بلند براى کنترل ارتعاشات ناشى از باد تبدیل شده و عملکرد آن نیز رضایت‌بخش ارزیابى 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 موارد زیر هستند.
- کارآیی
- اندازه
- هزینه ساخت
- هزینه عملیات
- هزینه نگهداری و تعمیرات و امنیت.
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 است که معمولاً در بالای سازه قرار می‌گیرد. جرم‌های بزرگتر از ۴۰۰ تن نیز در این شرایط غیر متعارف نیستند. جرم میراگر معمولاً از فلز یا بتن ساخته میشود و TMD باید در فضای مشخص شده برای عملیات قرار گیرد. مخازن ذخیره آب که از اجزاء اجباری تأسیسات ساختمان‌ها هستند، میتوانند جایگزین خوبی برای این جرم‌ها باشند که در این صورت در فضا و تجهیزات تقویتی اضافی صرفه جویی قابل‌ملاحظه‌ای میشود.
بررسى انواع مختلف جرم میراگر متوازن
میراگر انتقالی
برای کاهش پاسخ ساختمان در برابر باد تعبیه شده و با جرمی حدود ۴۰۰ تن، در عمل کاهشی تا حدود ۴۰ ٪ را در پاسخ سیستم سازه‌ای موجب شده است. این جرم میراگر متوازن در هر دو جهت عمل می‌کند و بسته به اینکه تحریک خروجی در کدام جهت باشد، در آن جهت حرکت کرده و باعث کاهش پاسخ میشود.
در این حالت جرم، بر روی غلطک‌هایی که حرکت نسبت به کف را در یک جهت ممکن می‌سازند، قرار می‌گیرد. فنرها که مى‌توانند از نوع مارپیچ یا فنرهای بادی باشند و کمک فنرها بین جرم و دیواره‌های تکیه گاهی که نیروی حاصل ازحرکت میراگر را به سازه منتقل می‌کنند، نهاده می‌شوند و سپس این سیستم بر روی سازه (ترجیحاً یکی از تیرهای کف که جهت تحمل وزن و حرکات میراگر طرح شده باشد) نصب میشود.
اولین TMDها از مکانیسم‌های بسیار پیچیده‌ای به عنوان نشیمنگاه و عناصر میراگر بهره می‌بردند که منجر به جرم، حجم و هزینه زیاد سیستم می‌شد، به نحوی که طرح سازه برای تحمل وزن میراگر و همچنین یافتن فضای مناسب برای نصب آن خود به مشکلی بزرگ تبدیل شده بود. برای حل این مشکل، طرح‌های جدیدی پیشنهاد شدند. میراگر پیشنهادى از نشیمنگاه‌های پلاستیکی الاستومری چند لایه که به صورت فنرهای برشی کار می‌کنند و نیز ترکیبات پلاستیکیی چسبنده BRC به عنوان میراگر ویسکوالاستیک، بهره می‌برد.
در این حالت میراگر فضای کمی احتیاج داشته و به کنترل خاصی نیاز ندارد، در چند جهت کار می‌کند و به راحتی نصب و اصلاح میشود.
هنگامى که سیستم TMD بر روی سازه مستقر شد، کارایی و حیطه عملیات لازم برای حصول کاهش پاسخ مورد نظر معین میشود. جهت تامین مقدار میرایی بالاتر و هماهنگی خوب، جابجایی نسبی زیادی لازم است. که جابجایی نسبی را می‌توان با در نظر گرفتن میرایی بیشتر، کاهش داد. به طور کلی، جابجایی نسبی زیادی برای جرم TMD باید در نظر گرفته شده و وسایل امنیتی مانند ترمزهای مکانیکی یا سیستم‌های نگهدارنده دیگری به منظور محدود کردن حرکت بیش از حد جرم باید نصب شود. ابزارهای قفل کننده مانند پین‌های معمولی یا اتوماتیک باید به کار رود تا در مواقعی که جابجایی سازه یا میراگر از حد معینی تجاوز کرد، جرم را در جای خود قفل کند.