طراحی ميراگرهای غيرفعال در برابر زلزله

جداسازهای پایه یکی از انواع وسایل کنترل غیر فعال لرزه‌ای سازه‌ها هستند. وسایل مستهلک کننده‌ی انرژی (میراگرها) از انواع دیگر سیستم‌های کنترل غیرفعال سازه‌ای هستند.

کاربرد ابزارهای استهلاک انرژی و میرایی درون سازه‌ای کمتر از جداسازهای پایه است، اما به هر حال در موقعیت‌هایی که استفاده از سیستم‌های جداساز لرزه‌ای میسر نباشد، استفاده از میراگرها می‌تواند گزینه‌ی مناسبی باشد. بنابراین، استفاده از میراگرها، زمینه‌ی مناسبی برای توسعه و گسترش تکنولوژی مقابله با بارهای زلزله و کاهش خرابی‌های سازه را فراهم می‌آورد. از جمله موارد به کارگیری وسایل استهلاک انرژی‌، می‌توان به یک قاب سازه‌ای‌ اشاره نمود. این سازه با مهار تسلیم شونده تقویت شده است.

سیستم میرایی درون سازه‌ای (استهلاک انرژی) در برگیرنده‌ی تمامی‌ المان‌های استفاده شده برای کاهش حرکات سازه‌ها تحت بارهای جانبی و زلزله است. در این استراتژی، بر خلاف سایر روش‌هایی که هدفشان افزایش ظرفیت باربری سازه است، سعی می‌شود تقاضای سازه کاهش یابد. هدف اصلی مهندسی سازه این است که با صرف کمترین هزینه‌ی ممکن، ظرفیت سازه از مقدار تقاضای آن بیشتر شود.

در روش‌های معمول در مهندسی سازه سعی بر آن است که با افزایش ظرفیت سازه معیار مذکور تأمین شود. اما در روش کنترل غیرفعال، نوع دیگری از روش کنترل سازه به کار گرفته می‌شود و کاهش میزان تقاضای سازه مد نظر قرار می‌گیرد.

از دیدگاه سخت افزاری، وسایل کاهش آثار زلزله به سه دسته‌ی جداسازی لرزه‌ای، استهلاک انرژی غیر فعال و کنترل فعال تقسیم بندی می‌شوند. در این بخش چهار گروه عمده از وسایل وجود دارند که شامل موارد زیر هستند.

• میراگرهای فلزی تسلیم شونده نظیر کنسول‌های فولادی
• مهارهای تسلیم شونده
• میراگرهای حاوی سرب میانی‌
• استهلاک انرژی‌‌

وسایل اصطکاکی نظیر بالشتک‌های ترمز کننده

این وسایل توسط پیچ هایی در نفاط تقاطع مهارها به هم متصل می‌شوند. در این وسایل نیز مانند میراگرهای تسلیم شونده‌ی فلزی، نیرو وابسته به جابجایی است و استهلاک انرژی از طریق چرخه‌های اصطکاکی انجام می‌شود.

میراگرهای ویسکوز

در این میراگرها نیروی سیال از طریق یک روزنه (Orifice) اعمال می‌شود. در این وسایل، نیرو وابسته به سرعت است و استهلاک انرژی توسط ویسکوزیته‌ی سیال صورت می گیرد.

میراگرهای ویسکوالاستیک

این وسایل به شکل یک هم بسپار جامد است. این مصالح در عین اینکه دارای سختی الاستیک (که با نیروهای وابسته به جابجایی همراه خواهد بود) هستند، دارای یک مؤلفه‌ی ویسکوز نیز هستند. جزء ویسکوز باعث تولید نیروی وابسته به سرعت می‌شود. برخی از میراگرهای ویسکوالاستیک به شکل مایع بوده و میرایی آنها از طریق ویسکوزیته‌ی مصالح تأمین میشود. برای استهلاک انرژی به صورت غیرفعال، ابزارهای دیگری نیز به کار می‌روند که از جمله آنها می‌توان به آلیاژهای مغز هندسی اشاره نمود. در این بخش تنها به چهار موردی که در بالا توضیح داده شد، پرداخته می‌شود.

کلیه‌ی ابزارهای استهلاک انرژی تقریباً عملکرد مشابهی دارند. این وسایل نیروی کینماتیکی (‌جنبشی) ناشی از نیروهای خارجی را به انرژی حرارتی تبدیل می‌کنند. برخی از ابزارهای جدید به رغم این که امیدهای زیادی را در زمینه‌ی استهلاک انرژی به وجود آورده‌اند، هنوز به صورت عمده در بازار موجود نیستند. به عنوان نمونه‌هایی از این وسایل، می‌توان به موارد زیر اشاره نمود.

‌میراگرهای با فولاد پرمقاومت

میراگرهای فولادی با مقاومت تسلیم کم، که به صورت برشی عمل می‌کند. به عنوان یک نمونه از این میراگرها، می‌توان به میراگر آسفالتی اصلاح شده‌ی مخصوص اشاره نمود. همه‌ی میراگرهایی که در بالا به آنها اشاره شد، در یکی از دسته‌های چهارگانه جای میگیرند. بنابراین، هر نتیجه گیری که برای این چهار گروه انجام شود، برای این میراگرها نیز قابل تعمیم است.

میراگرهای ویسکوز سیال

این میراگرها در صنایع نظامی نظیر محافظت از سیلوهای انبار موشک و ارسترهای هواپیما استفاده می‌شوند. ساخت این وسایل بسیار پر هزینه است. اگر چه جداسازی لرزه‌ای، زیرمجموعه‌ی بحث استهلاک انرژی غیرفعال است، میرایی درون سازه‌ای از دو جنبه با جداسازی لرزه‌ای متفاوت است.

بر خلاف سیستم جداسازی که در یک صفحه عمل می‌کند، میرایی درون سازه‌ای در ارتفاع سازه توزیع می‌یابد. نحوه‌ی عملکرد سیستم جداسازی به صورت تغییر پریود سازه و در نتیجه تغییر شتاب طیفی سیستم سازه‌ای است. افزایش پریود باعث می‌شود پاسخ سازه کاهش یابد، در حالی که میرایی درون سازه‌ای اثر اندکی بر پریود سازه دارد و تنها آن را اندکی کاهش می‌دهد. کاهش پاسخ سازه توسط میراگرها به صورت استهلاک انرژی انجام می‌شود.

از دیدگاه مهندسی، تفاوت اساسی بین سیستم جداسازی و میرایی استهلاک انرژی این است که سیستم جداساز لرزه‌ای به صورت سری با سازه عمل می‌کند، در حالی که میرایی درون سازه‌ای به موازات سازه کار می‌کند.

سیستم جداساز لرزه‌ای انرژی را قبل از این که وارد سیستم سازه‌ای شود، فیلتر کرده و اثر آن بر سازه را می‌کاهد. برای سازه‌ای که با میرایی درون سازه‌ای تقویت شده است، تمام انرژی زلزله وارد سیستم ترکیبی شده و متناسب با مشخصات هر یک از اجزاء (سیستم سازه‌ای و ابزارهای استهلاک انرژی) توسط آنها مستهلک می‌شود. برای این که این کار به بهترین شکل انجام شود، باید میرایی افزوده شده به سازه تنظیم شود. این کار بسیار پیچیده‌ تر از مسئله‌ی جداساز لرزه‌ای است.

کاهش پاسخ سازه با استفاده از میرایی درون سازه‌ای نسبت به سیستم‌های جداسازی لرزهای کمتر است. با استفاده از سیستم جداسازی می توان نیروها و تغییرشکل‌های سازه را از ۴ تا ۶ برابر کاهش داد، در حالی که میزان کاهش پاسخ سازه با استفاده از میرایی درون سازه‌ای بین ۱/۵ تا ۲ برابر (در بهترین حالت) است. در عوض، اجرا و نصب میراگرها نسبت به اجرای سیستم جداسازی سهولت بیشتری دارد. می‌توان با اطمینان زیاد گفت که اجرای سیستم استهلاک انرژی صرفاً برای ساختمانهایی مطرح است که اجرای سیستم جداسازی برای آنها مقدور نباشد.

همچنین استفاده از سیستم استهلاک انرژی برای سازه‌های انعطاف پذیر با سیستم‌های باربر جانبی ضعیف و سازه‌های واقع در مناطقی با خاک سست مناسب است. دلیل مناسب بودن ساختمان‌های انعطاف پذیر برای اجرای سیستم استهلاک انرژی این است که میرایی درون سازه‌ای از طریق حرکات نسبی بین طبقات (به شکل جابجایی یا سرعت) فعال می‌شود. در یک فرآیند تناقض آمیز به هر میزانی که حرکات سازه بیشتر باشد، میرایی افزایش خواهد یافت و در عین حال میرایی باعث کاهش حرکات سازه می‌شود.

برای زلزله‌های نزدیک به گسل، ساختمان‌های با میرایی درون سازه‌ای نسبت به ساختمان‌های معمولی یا جداسازی شده مزیت خاصی ندارند. هر چند این موضوع نیاز به مطالعات موردی بیشتری دارد، اما مطالعات ما نشان می‌دهد میراگرها برای مقابله با یک ‌یا تعداد کم، پالس زلزله کارآیی خاصی ندارند.

طراحی سیستم میرایی درون سازه‌ای فرآیند مشکلی است و تنها برای بازه‌ی محدودی از ساختمان‌ها مناسب است. متأسفانه این محدوده به درستی و به دقت تعریف نشده و بسیاری از تلاش‌ها و هزینه‌ها فقط و تنها فقط برای این صرف می‌شود تا معلوم شود که استفاده از سیستم میرایی درون سازه‌ای برای یک سازه‌ی خاص مناسب است یا نه‌. ‌

‌از دیدگاه کارآیی و عملکرد، بهترین نوع میراگرها (حداقل از لحاظ تئوری) گران‌ترین آنها یعنی میراگرهای ویسکوز هستند. میراگرهای هیسترتیک اغلب با المان‌های سازه‌ای ادغام می‌شوند و در برخی موارد تمییز قائل شدن بین یک مهار سازه‌ای و یک میراگر مشکل است.

موانع استفاده از این تکنولوژی

عملکرد سیستم‌های کنترل غیرفعال به شکل تغییر مشخصات دینامیکی سازه است. بیشتر مهندسین ترجیح می‌دهند با دینامیک پاسخ سازه درگیر نشوند و از روش‌های استاتیکی معادل استفاده کنند. در برخی از موارد نیز از تحلیل طیفی استفاده می‌کنند.

اصول میرایی درون سازه‌ای

میرایی سازه‌ها

میرا کردن‌ در اصطلاح به کاستن یا متوقف ساختن ارتعاش سیستم اطلاق میشود. در مبحث مهندسی سازه، می‌توان میرایی را به عنوان یک مشخصه‌ی مجزا از مصالح در نظر گرفت که تمایل به مخالفت با حرکت دارد. هر چه میزان میرایی یک سیستم بیشتر باشد، بازگشت به حالت سکون در مدت کوتاه‌تری صورت می‌گیرد.

برای مقادیر معمول میرایی سازه‌ای، میزان تغییر در پریود قابل ملاحظه نیست. اساساً افزایش میرایی باعث کاهش پاسخ سازه می‌شود. هر چند میزان این کاهش برای پریودهای مختلف پاسخ سازه متفاوت است. همچنین میزان این کاهش به زلزله‌ی اعمال شده نیز بستگی دارد.

مشخصات میراگرها

میراگرهای تسلیم شونده‌ی هیسترتیک

عموماً میراگرهای تسلیم شونده‌ی هیسترتیک به شکل فولادی هستند. پیکربندی این نوع از میراگرها را می‌توان طوری تعیین نمود که تسلیم آن به صورت خمشی، برشی یا محوری باشد. همچنین، این میراگرها می‌توانند به صورت سربی باشند که در برش تسلیم می‌شوند. میراگرها طوری پیکربندی می‌شوند که مصالح آن سازگار با جابجاییهای نسبی طبقات تغییرشکل دهد.

میراگرهایی که به صورت محوری تسلیم می‌شوند، اغلب به صورت مهارهای قطری در سازه قرار می‌گیرند. همچنین می‌توان این میراگرها را به شکل افقی در ارتفاعی از یک دیوار سازه‌ای به ستون مجاور متصل نمود. پیکربندی میراگرهای تسلیم شونده‌ی برشی یا خمشی می‌تواند به صورتی باشد که بالای یک دیوار پانلی را به سطح زیرین یک تیر اصلی از طبقه‌ی فوقانی متصل کند. دیوار پانلی به شکل طره‌ای از دیوار زیرین است که شکافی بین بالای دیوار و سقف بالای آن وجود دارد. به عنوان یک جایگزین برای دیوار پانلی، می‌توان میراگرهای برشی یا خمشی را روی یک قاب فولادی سوار کرد.

تاکنون پیشنهاداتی برای استفاده از پانل‌های پوششی ساختمان به منظور سوارسازی میراگرهای برشی و خمشی مطرح شده است، اما هیچ مورد ثبت شده‌ای از اجرای این پشنهادات موجود نیست. سرب به طور کلی رفتار الاستوپلاستیک بدون سخت شدگی کرنشی دارد. فولاد نرمه‌ای که در ساخت میراگرها استفاده می‌شود، دارای ناحیه‌ی تسلیم صاف است که با یک سخت شدگی کرنشی همراه است. بزرگی نیروی تولید شده توسط میراگر، با میزان کرنش میراگر فولادی مرتبط است.

برخی از پیکر بندی‌های میراگرهای هیسترتیک (نظیر مهارهای تسلیم شونده) اساساً به صورت یک عضو سازه‌ای عمل می‌کنند. هدف اصلی از نصب وسایل تأمین کننده‌ی میرایی درون سازه‌ای، استهلاک انرژی است و افزایش سختی و مقاومت سازه‌ که در بیشتر موارد جزء لاینفک استفاده از میراگرها بوده، مورد نظر نیست. اگر طراحی با دقت کافی صورت نگیرد، میراگرهای هیسترتیک نمی‌توانند هدف مورد نظر را به انجام برسانند.

‌عامل تعیین کننده در تأمین میرایی توسط این میراگرها، سختی اولیه‌ی آنها است. هر چه میزان سختی بیشتر باشد، استهلاک انرژی نیز بیشتر خواهد بود. حتی اگر میراگرهای هیسترتیک به صورت یک عضو سازه‌ای عمل کنند، تحلیل و طراحی میراگرها باید به جای روش‌های معمول تحلیل و طراحی سازه‌های تقویت شده، بر اساس اصول تحلیل و طراحی میراگرها انجام شود. دلیل این امر این است که میراگرهای هیسترتیک طوری طراحی می‌شوند که قبل از المان‌های سازه‌ی موجود تسلیم شوند. همچنین در تراز بارهای طراحی، رفتار غیرخطی وجود خواهد داشت؛ در حالی که در روش‌های سنتی طراحی، رفتار اعضا به صورت الاستیک خطی فرض می‌شود.

 منبع: عمران سافت