سيستم‌های جرم ميراگر متوازن

سیستم‌های جرم میراگر متوازن (میراگر جرمى تنظیم شده) از جمله ابزارهای بكار رفته در كنترل لرزه در سازه‌ها هستند كه در سال‌های اخیر، در بسیاری از پل‌ها و سازه‌های بلند كه اغلب از شكلپذیرى بالایى برخوردارند، بكار رفته است. سازه‌های بلند تحت اثر نوسان‌های ناشی از بار باد و زلزله قرار می‌گیرند. مطالعات نشان می‌دهد كه این سازه‌ها معمولاً در فركانس‌های طبیعى خود ارتعاش می‌كنند كه در مواقعی كه فركانس‌های انتقالی و پیچشی در سازه‌های بلند كه خود دارای ارتعاشی بزرگی هستند، توسط حركت پیچشی نیز تشدید می‌شوند. تغییر مكان جانبی در بالاترین طبقه یكی از پارامترهای مهم طراحی بوده كه همواره سعی بر نگه داشتن آن در سطحی معقول است.

برج‌ها و سازه‌هایی مانند برج‌های مخابراتی، دكل‌های بلند، برج‌های بلند، فانوس‌های دریایی و برج‌های مراقبت فرودگاه‌ها نیز از سازه‌هایى هستند كه در آنها‌، عموماً جرم اصلی در بالای سازه به صورت پاندول وارونه متمركز بوده و لذا، تغییر مكان رأس از نظر كاربردی و عدم ایجاد اختلال در ارسال و دریافت پیام‌های مخابراتی و همچنین راحتی استفاده كنندگان دارای اهمیت است. میراگرهای دینامیكی ،سیستم‌های ایجاد میرایی در سازه‌ها هستند كه در دو دهه اخیر تحقیقات فراوانی بصورت تئوریك و تجربی بر نحوه عملكرد 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 كنترلى TMDیك میراگر غیر فعال نسبتاً جدید بوده كه مطالعات و كاربردهای آن در سال‌هاى اخیر صورت گرفته است. این سیستم ابزاری است شامل یك جرم، یك فنر و یك میراگر كه برای كاهش پاسخ دینامیكی سازه به آن نصب می‌شود و عملكرد آن، اساساً بر مبنای استهلاك انرژی ارتعاشی سازه بصورت حركت نوسانی جرم میراگر است. بدین ترتیب كه فركانس TMD متناسب با فركانس یكی از مودهای غالب سازه‌ای (معمولاً مود اول) تنظیم میشود. بنابراین زمانی كه این فركانس تحریك می‌شود حركت‌ TMD در فازی خارج از حركت سازه تشدید شده و انرژی از طریق نیروی اینرسی‌ای كه میراگر به سازه وارد می‌كند، مستهلك می‌شود.

عملكرد جرم میراگر متوازن در سازه‌هاى بلند مرتبه نتیجه برخی از پژوهش‌ها نشان می‌دهد كه عملكرد جرم میراگر متوازن در برابر تحریك زلزله كه محدوده فركانسى وسیعترى را نسبت به باد مى‌پوشاند، به مشخصات زلزله بستگی دارد. تعدادی از محققین معتقدند‌ كه جرم میراگر متوزان تنها زمانی در كاهش پاسخ زلزله موثر است كه زلزله وارد بر سازه دارای محدوده فركانسی كوچك و مدت زمان طولانی باشد‌. به عبارت دیگر، از آنجا كه پهناى باند فركانسى نوسانات لرز‌ه‌اى پهن‌تر از حالت باد بوده و بعلاوه در فركانس‌هاى بالاتر نیز ارتعاشات قویتر است لذا مودهاى بالاتر نیز تحریك مى‌شوند و در نتیجه در نظر گرفتن تنها مود غالب ارتعاشى كافى نخواهد بود.

با توجه به عدم قطعیت موجود در پیش بینی زمین لرزه و همچنین مشخصات دینامیكی سازه مثل فركان‌سهای طبیعی و نسبت استهلاك مودهای مختلف ارتعاشی، مفیدتر آن است كه از تعداد میراگرهای بیشتر استفاده شود به نحوی كه این میراگرها دارای فركانس ارتعاشی با اندك اختلافی نسبت به هم باشند تا بتوان محدوده بیشتری از فركانس‌ها را پوشش داد كه به این گونه سیستم‌ها، میراگرهای چندگانه‌ یا MTMDD اطلاق می‌شود.

در این حالت حساسیت سیستم كنترلی به پارامترهایی مثل تحریك ورودی كاهش می‌یابد. به منظور بهبود عملكرد TMD مى‌توان از مواد ویسكوالاستیك در اتصال جرم آن به سازه اصلى بهره برد تا پاسخ لرزه‌اى سازه با استهلاك انرژی به روش‌های دیگر نیز صورت بگیرد.

یکی دیگر از مشكلات TMD آن است كه نقطه اوج اول در پاسخ ارتعاشی را به سادگی نمی‌توان كاهش داد. چرا كه TMD بصورت غیرفعال با فركانس سازه اصلی تنظیم شده و به خاطر ارتعاشی با اختلاف فاز باعث كاهش لرزه می‌شود. از این رو، در لحظات اولیه وقوع زمین لرزه كه اغلب دارای نوسانات قوی لرزه‌ای هم هستند، عملكردTMD چندان موثر نیست. برای حل این مشكل نیز می‌توان از كنترل فعال یا نیمه فعال استفاده نمود.

با وجود اینكه هنوز یك روال متعارف و یك استاندارد مشخص برای طراحی یك سیستم میراگر در یك سازه وجود ندارد، این سیستم به سرعت به یك جزء متعارف در سازه‌های بلند براى كنترل ارتعاشات ناشى از باد تبدیل شده و عملكرد آن نیز رضایت‌بخش ارزیابى شده است.

ملاحظات عملی جرم میراگر متوازن

بعضی از فاكتورهایی كه انتخاب سیستم‌های كنترل لرزه برج‌ها و دیگر سازه‌ها را تحت تاثیر قرار می‌دهند، شامل موارد زیر هستند.

• كارآیی
• اندازه
• هزینه ساخت
• هزینه عملیات
• هزینه نگهداری و تعمیرات و امنیت.

در طراحی سیستم میراگر جرمی، مقدار كاهش پاسخ دینامیكی كه 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 كه 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 كه از اجزاء اجباری تأسیسات ساختمان‌ها هستند، میتوانند جایگزین خوبی برای این جرم‌ها باشند كه در این صورت در فضا و تجهیزات تقویتی اضافی صرفه جویی قابل‌ملاحظه‌ای می‌شود.

بررسى انواع مختلف جرم میراگر متوازن

میراگر انتقالی

برای كاهش پاسخ ساختمان در برابر باد تعبیه شده و با جرمی حدود ۴۰۰ تن، در عمل كاهشی تا حدود ۴۰ ٪ را در پاسخ سیستم سازه‌ای موجب شده است. این جرم میراگر متوازن در هر دو جهت عمل می‌كند و بسته به اینكه تحریك خروجی در كدام جهت باشد، در آن جهت حركت كرده و باعث كاهش پاسخ میشود.

در این حالت جرم، بر روی غلطك‌هایی كه حركت نسبت به كف را در یك جهت ممكن می‌سازند، قرار می‌گیرد. فنرها كه مى‌توانند از نوع مارپیچ یا فنرهای بادی‌ باشند و كمك فنرها ‌بین جرم و دیواره‌های تكیه گاهی كه نیروی حاصل ازحركت میراگر را به سازه منتقل می‌كنند، نهاده می‌شوند و سپس این سیستم بر روی سازه (ترجیحاً یكی از تیرهای كف كه جهت تحمل وزن و حركات میراگر طرح شده باشد) نصب می‌شود.

اولین TMD‌ها از مكانیسم‌های بسیار پیچیده‌ای به عنوان نشیمنگاه و عناصر میراگر بهره می‌بردند كه منجر به جرم، حجم و هزینه زیاد سیستم می‌شد، به نحوی كه طرح سازه برای تحمل وزن میراگر و همچنین یافتن فضای مناسب برای نصب آن خود به مشكلی بزرگ تبدیل شده بود‌. برای حل این مشكل، طرح‌های جدیدی پیشنهاد شدند. میراگر پیشنهادى از نشیمنگاه‌های پلاستیكی الاستومری چند لایه كه به صورت فنرهای برشی كار می‌كنند و نیز تركیبات پلاستیكیی چسبنده BRC به عنوان میراگر ویسكوالاستیك، بهره می‌برد.

در این حالت میراگر فضای كمی احتیاج داشته و به كنترل خاصی نیاز ندارد، در چند جهت كار می‌كند و به راحتی نصب و اصلاح میشود.

هنگامى كه سیستم TMD بر روی سازه مستقر شد، كارایی و حیطه عملیات لازم برای حصول كاهش پاسخ مورد نظر معین می‌شود. جهت تامین مقدار میرایی بالاتر و هماهنگی خوب، جابجایی نسبی زیادی لازم است. كه جابجایی نسبی را می‌توان با در نظر گرفتن میرایی بیشتر، كاهش داد. به طور كلی، جابجایی نسبی زیادی برای جرم TMD باید در نظر گرفته شده و وسایل امنیتی مانند ترمزهای مكانیكی یا سیستم‌های نگهدارنده دیگری به منظور محدود كردن حركت بیش از حد جرم باید نصب شود. ابزارهای قفل كننده مانند پین‌های معمولی یا اتوماتیك باید به كار رود تا در مواقعی كه جابجایی سازه یا میراگر از حد معینی تجاوز كرد، جرم را در جای خود قفل كند.

منبع: عمران سافت