میراگر و جداگر لرزه‌ای ؛ راهکارهای کنترل غیرفعال ارتعاشات سازه

میراگر و جداگر لرزه‌ای ؛ راهکارهای کنترل غیرفعال ارتعاشات سازه

استفاده از میراگر و جداساز لرزه‌ای ، از راهکار‌های مهم و مؤثر کنترل ارتعاش سازه‌ها و خنثی کردن بارهای وارده بر ساختمان می‌باشند . در طول عمر سازه نیروهای زیادی از جهات گوناگون به آن وارد می‌شود که یکی از مهم ترین آن‌ها نیروهای جانبی ناشی از باد و زلزله است . این نیرو‌ها باعث ارتعاش از قسمت پایه شده و تمایل به جابجا کردن ساختمان دارند ؛ زیرا جهت وارد شدن آن ها متفاوت از جهت طبیعی ایستایی سازه است . از این رو مقاوم‌سازی ، بهسازی سازه‌ها و طراحی سازه با توجه به کاهش هر چه بیشتر خسارات جانی و مالی ناشی از این قبیل اتفاقات از نکات مهم ساختمان سازی به شمار می‌رود . همچنین کاهش هزینه‌های تعمیر و بازسازی مجدد پس از سوانح نیز هدف مهمی است .

در دهه‌های اخیر در کشور‌های زلزله خیز طراحی و استفاده از میراگر‌ها در قسمت‌های محدودی از سازه مورد اقبال بوده است . جداگر‌های لرزه‌ای بخصوص در قسمت پایه ساختمان‌ها در ترکیب با میراگر‌ها عملکرد بسیار خوبی دارند .

انواع روش‌های کنترل ارتعاشات در سازه

الف) کنترل فعال

در سیستم کنترل فعال ارتعاشات ، حین بارگذاری بر روی سازه ، اطلاعاتی از شتاب زمین و وضعیت سازه شامل جابجایی قسمت‌های مختلف سازه ، سرعت و شتاب در آن و ... توسط سیستمی هوشمند از گیرنده‌ها به هسته پردازشگر ارسال می‌شود . در قسمت پردازشگر اطلاعات به دست آمده تحلیل و بررسی شده و میزان و نوع پاسخ مناسب از سمت سازه تعیین و اعمال می‌شود . به این ترتیب تغییراتی در جرم ، سختی و مشخصات دینامیکی سازه به صورت بهینه ایجاد می‌شود .

ب) کنترل غیر فعال

در این سیستم از تجهیزات هوشمند و پردازشگر‌های نیرو خبری نبوده و در راستای اینکه نیروی کمتری به سازه وارد شود ، از میراگر‌ها و جداگر‌های لرزه‌ای و انواع اتصالات و ... بهره می برند . از این رو تمام لوازمی که در مستهلک کردن نیروی وارده به سازه مؤثر باشند ، در دسته کنترل غیر فعال ارتعاشات قرار می‌گیرند . هزینه ساخت ، نگهداری و استفاده از سیستم کنترل غیرفعال بسیار کمتر از سیستم فعال بوده و در میزان استقبال از این روش تأثیر قابل توجهی داشته است .

ج) کنترل نیمه فعال

این سیستم ترکیبی از دو روش بالا را ارائه می دهد . در واقع به صورت محدود از انرژی خارجی و سیستم کنترلی با استفاده از باتری برای تغییر در مشخصات سازه حین زلزله استفاده می‌شود . پس انرژی زیادی به سیستم اضافه نشده و تنها مواقع حساس اصلاح حرکت سازه توسط سیستم هوشمند صورت می‌گیرد.

ساختمان‌های معمولی با میرایی کم اغلب می‌توانند بدون فروپاشی کامل تا حدی ایمنی ساکنان را فراهم کنند اما هزینه تعمیر و مقاوم‌سازی بسیار زیادی را پس از سانحه به مالکین وارد می‌کنند و استفاده از تجهیزات غیر فعال و اضافه کردن آن ها به سازه ساختمان ، از آسیب قسمت های اصلی سازه و پیامد‌های ناگوار آن جلوگیری می‌کنند .

با توجه به تعریف انجام شده از انواع سیستم‌ها ، میراگر‌ها و جداگر‌ها جزء سیستم‌های کنترل غیرفعال هستند اما نحوه عملکردشان کمی متفاوت از یکدیگر است . جداسازها انرژی وارد به سازه را هنگام زلزله با استفاده از جدا کردن آن از مؤلفه افقی زمین کاهش می‌دهند . جداساز‌ها لایه ای از المان‌های با سختی جانبی کم را تشکیل می‌دهند که فرکانس تحریک این لایه خیلی کم تر از فرکانس طبیعی سازه و فرکانس غالب زلزله است . به این صورت ، عمده تغییر شکلِ انتقال یافته از زمین به جداساز‌ها رسیده و توسط آن‌ها مستهلک شده و میزان جابجایی کل سازه خیلی کم تر می‌شود.

میراگر‌ها در نقاط محدودی از سازه مثل اتصالات و به عنوان عضوی واسط بین تیر و ستون‌ها نیروی ارتعاشی را جذب خود کرده و آن را تلف می‌کند . در واقع هدایت نیرو به سمت این اعضاء راهکار اصلی برای کمتر آسیب دیدن اجزای اصلی است . میراگر‌های فلزی ظرفیت قابل توجهی برای میرا کرن نیروهای وارده دارند .

پژوهش‌های فراوانی در راستای عملکرد میراگر و جداگر‌ها در کشور‌های زلزله خیز مانند آمریکا ،ژاپن و نیوزلند انجام شده و به شدت مورد استفاده هستند . بهتر است در طراحی سازه در ایران نیز صنعت ساختمان‌سازی به این مسائل توجه بیشتری نماید .

میراگر‌ها (Dampers)

عناصری که در قسمت‌های مختلف سازه مانند اتصالات و ... برای جذب ارتعاشات به خود و سپس اتلاف آن به کار می‌روند ، میراگر نام دارند . افزایش سختی الاستیک با به کار بردن میراگر‌ها انجام می‌شود و تغییر شکل سازه در مناطق تقویت شده بهتر کنترل می‌شود .

در فلزات خاصیت میرا کردن انرژی بسیار خوب است و چنانچه از میراگر‌های جاری شونده استفاده شود ، عملکرد بهتر می‌شود و به میزان قابل توجهی از آسیب دیدگی و تأثیر بر سایر قسمت‌های سازه جلوگیری می‌شود . در میراگر‌های جای شونده تسلیم مصالح تحت نیروهای مختلف محوری ، خمشی ، برشی ، پیچشی یا ترکیبی از این نیرو‌ها رخ می‌دهد و توسط تغییر مکان تحریک می‌شوند .

انواع میراگر‌ها

- میراگر‌های ویسکوز

میراگر‌‌های ویسکوز از ابتدا مصارف نظامی داشته‌اند و از اوایل دهه هشتاد میلادی در موارد غیرنظامی نیز به کار رفتند . مکانیزم آن به این صورت است که مایع داخل پیستون (روغن ، سیلیکون و ...) نیروی مقاوم در برابر حرکت برای پیستون ایجاد کرده و انرژی اعمال شده مستهلک می‌گردد .

- میراگر‌های ویسکو الاستیک

این میراگر‌ها از مواد ویسکوالاستیک بین صفحات فلزی تشکیل شده است . هنگامی که جابه‌جایی برشی در صفحات فلزی ایجاد می‌شود ، مواد ویسکوالاستیک تحت تغییر‌شکل‌های برشی قرار می‌گیرند .

- میراگر‌های جرمی تنظیم شده

با استفاده از اجرام متمرکز که توسط فنر از بالای سازه آویزان می‌شوند ، جذب و کنترل ارتعاش انجام می‌شود ؛ به این صورت که فرکانس میراگر جرمی را با فرکانس مود اول نوسان سازه و با تحریک در سازه اصلی ، حرکت میراگر در فازی خارج از حرکت سازه متصل به آن تشدید می‌شود . در نتیجه با ایجاد نیروی اینرسی در جرم میراگر انرژی وارده به سازه مستهلک می‌گردد .

- میراگر‌های مایع تنظیم شده

عملکرد این میراگر‌‌ها  مشابه مورد بالا است . مخازن مایع کم عمق در بالای سازه نصب شده و با ایجاد نوسان در آن‌ها ارتعاشات وارد بر سازه جذب و مستهلک می‌شوند . فرکانس طبیعی تلاطم مایع با فرکانس ارتعاش غالب سازه هماهنگ می‌شود .

اندازه و شکل مخزن ، عمق و لزج بودن مایع ، نسبت جرم مایع به جرم سازه و زبری جداره مخزن از عوامل مؤثر بر رفتار میراگر مایع هستند . کاربرد این میراگر‌ها غالبا در ساختمان‌های بلند می‌باشد .

- میراگر‌های فلزی جاری شونده

در این نوع با استفاده از ظرفیت جذب انرژی مصالح اتلاف بار وارده انجام می شود . این میراگر‌ها مزایای بسیاری داشته و به همین دلیل استفاده از آن‌ها روز‌به‌روز رو به افزایش است . فلزات به ویژه فولاد خاصیت میرایی بالایی در برخورد با نیرو دارند و هنگامی که به گونه‌ای طراحی شوند تا برای مقابله با نیرو جاری شوند ( به حد جاری شدن برسند ) قدرت بیشتری برای هدایت نیرو‌ها به سمت خود و اتلاف آن‌ها می‌یابند . این میراگر‌ها بسیار مقرون به صرفه بوده و در هر منطقه‌ای به دلیل در دسترس بودن مصالح و تکونولوژی ساخت ، با هزینه مناسبی قابل اجرا هستند .

انواع میراگر فلزی جاری شونده عبارت اند از : میراگر شکافدار ، میراگر مثلثی ، مهاربند کمانش‌تاب .

میراگر تسلیمی

میراگر شکافدار

مهاربند کمانش تاب

- میراگر‌های اصطکاکی

لغزش دو عنصر فلزی روی یکدیگر و اصطکاک بین سطوح آنها قسمتی از انرژی وارد شده را مستهلک می‌گرداند . انواع مختلفی از میراگر‌ها مورد‌استفاده هستند و سه نوع مرسوم آن میراگر اصطکاکی پال ، میراگر اتصال اصطکاکی و میراگر اصطکاکی دورانی می‌باشد .

میراگر اصطکاکی پال

میراگر اصطکاکی دورانی

جداگر‌های لرزه‌ای

تکیه‌گاه‌های ویژه‌ای برای جدا کردن سازه ساختمان از زمین وجود دارد . این عناصر اصطلاحا جداگر لرزه‌ای نامیده می‌شوند ؛ از آن جهت که وظیفه اصلی آن‌ها کنترل لرزش ناشی بار‌های جانبی زلزله و باد و ... است . بهترین مکان برای تعبیه آن‌ها حد فاصل زمین و سازه است . این المان‌ها پیشینه تاریخی نیز دارند . افراد براساس تجربه زیست در خانه‌های قدیمی چوبی از تنه‌های درختان روی کرسی‌چینی استفاده می کردن و به این ترتیب با وارد شدن نیرو به سازه خانه‌شان ، چوب‌های گرد شروع به حرکتی آرام می‌کرده و کل خانه روی آن با حداقل آسیب جابجا می‌شده تا تکان‌ها تمام شوند .

جداساز‌ها سختی قائم زیاد و سختی جانبی کمی دارند . نیرو‌های ثقلی وارده با استفاده از سختی قائم آن به زمین منتقل شده و بار‌های جانبی که از زمین به جداگر وارد می‌شود ، طی فرآیند طولانی شدن دوره تناوب نوسانی سازه ، اثر تخریبی خود را از دست داده و بخشی از این مؤلفه‌های افقی از بین رفته و سپس از جداگر وارد سازه اصلی می‌شود .

انواع جداگر‌‌های لرزه‌ای

- جداساز‌های الاستومری طبیعی با میرایی کم

در این نوع میراگر ، لایه‌های فولادی بالا و پایین لایه لاستیکی قرار می‌گیرند.

- جداساز‌های الاستومری طبیعی با میرایی بالا

در این نوع میراگر ، از انواع الاستومر با میرایی بالاتری در ترکیب با ورقه فولادی استفاده شده است .

- جداساز‌های با هسته سربی

در این نوع میراگر ، در میان لایه‌های لاستیکی و فولادی هسته‌ای سربی قرار گرفته که در اثر نیرو‌های جانبی به حد جاری شدن می رسد . اولین بار در 1975 به کار گرفته شد .

- جداساز‌های اصطکاکی پاندولی

این جداساز شامل دو قطعه خارجی که از بیرون مسطح و از داخل مقعر و محدب هستند ، تشکیل شده است . بین این دو لایه یک مفصل لغزنده وجود داشته که هنگام وارد شدن نیروی زلزله بین دو صفحه در محدوده معین حرکت کرده و انرژی را مستهلک می‌کند .