«

»

میراگرها (Dampers)

مقدمه:

با توجه به زلزله هاي اخير کشور و غير مقاوم بودن بخش وسيعي از ساختمان هاي موجود در کشور و با توجه به اهميت زياد و مسئله مقاوم سازي ساختمان ها درمقابل لرزه هاي نيرو هاي لرزه اي و طراحي بهينه ساختمان ها در مقابل زلزله، بحث جديدي که در سال هاي اخير ميان دانشمندان علوم ژئو تکنيک و مهندسين طراح سازه ها مطرح شده است طراحي نوع جديدي از ساختمانها است که شامل يک سيستم مهاربند لرزه اي باشند که فقط در مقابل ارتعاشات مختلف ناشي از زلزله عمل نموده و در تحمل بارهاي استاتيکي هيچ نقشي نداشته باشند که اين مسئله باعث ساده سازي پيش بيني رفتار سازه تحت بارگذاري لرزه اي مي شود.

با تعريف اعضا جديدي در سازه با نام ميراگر (Damper) که عامل اتلاف انرژي لرزه اي وارد به ساختمان هستند و به کار بستن انها در ساختمان ها مي توانيم يک ساختمان بهينه سازي شده داشته باشيم که در مقابل انواع بار هاي ديناميکي ناشي از زلزله رفتاري مناسب و مطلوب از خود ارائه مي دهد.

میراگرها (Dampers)

با پيشرفت علم مهندسي عمران و شروع طراحي سازه هاي مقاوم در برابر زلزله و مقاوم سازي ساختمانهاي موجود، ايده هاي مختلفي توسط صاحبان عقيده در اين مورد بيان شده. تحقيقات بسيار وسيعي در کشورهايي نظير ژاپن، نيوزلند و ايالات متحده انجام شد و نتايج اين تحقيقات در قالب ايده اي جديد مقاوم سازي لرزه اي ساختمان ها اعلام شد. در اين روش ها که از اوايل دهه ۱۹۶۰ پايه ريزي شد، ممانعت از لرزش ساختمان ها در هنگام زلزله در رأس کار قرار داشت. سيستم هايي که ارائه شد، بر اين پايه استوار بودند که سازه را در مقابل زلزله جداسازي کنند.

میراگرها (Dampers)

هدف اصلي در اين روش ها جلوگيري از انتقال مستقيم نيروي زلزله از پي به سازه مي باشد. در اين روش ها اگر درست اجرا شوند مي توانيم نتايج قابل قبولي داشته باشيم که مزيت اصلي اين شيوه در مقابل شيوه هاي معمول مقاوم سازي از قبيل نصب بادبندها – قابهاي خمشي – ديوارهاي برشي و …. که همگي در صلب کردن بيشتر سازه ها در مقابل نيروهاي زلزله تلاش مي کنند مي باشد. در اين روش چون نيروي زلزله به سازه وارد نمي شود و يا سهم اندکي از آن به سازه منتقل مي شود نتايج زير را مي توان انتظار داشت :
– تغيير مکان  طبقات و تغيير مکانهاي نسبي طبقات (drift) کاهش يابد
– کاهش قابل ملاحظه اي در شتاب طبقات بوجود ايد
– خسارات سازه اي و نيز خسارات غير سازه اي به مقدار محسوس کاهش يابد
– از مشکلات معماري در طراحي ساختمان ها کاسته شود.
– هزينه اجراي سازه ها بدليل استفاده از مقاطع با ظرفيت کمتر کاهش يابد.
همان طور که گفته شد اولين تلاش ها در اين زمينه از اوائل دهه ۱۹۶۰ ميلادي صورت گرفت در اين زمان سيستم هاي انتخاب شده براي جداسازي لرزه اي بسيار محدود بودند اين سيستم ها شامل ميراگرهاي تير فولادي و قطعات لاستيک لايه اي که در پي ساختمان نصب مي شدند بودند. در همان زمان با تحقيق در رفتار فلزات سيستم جديدي که بر پايه رفتار پلاستيک سرب بنا شده بود معرفي شد که آن را سيستم ميراگر سربي – تزريقي ناميدند و اولين بار در پل تقاطع يکي از خيابان هاي نيوزلند استفاده شد. روش منطقي ديگري که همزمان پيشنهاد شد استفاده از تغيير شکل پلاستيک تيرهاي فولادي براي ايجاد ميرايي داخلي لخت در ساختمان بود. اين روش در سال ۱۹۶۶ توسط پوپوف ارائه شد. اولين ميراگرهاي تيري فولادي که نسبت به اعضاء فولادي ديگر مقاومت بيشتري در مقابل پديده خستگي دارند با تلاش هايي که توسط کلي و هکاران در سال ۱۹۷۲ اسکينر ۱۹۷۴ و تيلور و همکاران در سال ۱۹۹۱ معرفي شدند. اصولا سه نوع ميراگر تير فولادي در ان سال ها ارائه شد که عبارت بودند از ميراگرهاي پيچيشي – ميراگرهاي تيري با مقطع متغيير و ميراگرهاي با لنگر يکنواخت. در همه اين ميراگرها با استفاده از فولاد مناسب تر و شکل مناسب تر تيرها و جوشکاري در محلهايي دور  از ناحيه تغيير شکل پلاستيک ميرايي قابل قبولي حاصل مي شد.

بررسی های دیگری در سال های ۱۹۹۴ و ۱۹۹۵ توسط دانشمندان ژاپنی صورت گرفت که در آن ها  با انجام آزمایشات مختلفی روی میراگرها و رسم منحنی هیسترزیس اقدام به پایه ریزی سیستم های اتلاف انرژی کردند.

ميراگر چيست؟

اصلاً در مورد همه ي مواردي که در طبيعت وجود دارند يکي از خصوصيات ذاتي ماده، ميرايي ماده مي باشد. همانطور که با دانستن ضريب الاستيستيه يک ماده مي توانيم محاسبات مربوط به مصالح تشکيل شده از ان ماده را انجام دهيم، با دانستن ميرايي يک ماده نيز مي توانيم به تحليل دقيقتري از سيستم هاي متشکل از ان ماده دستيابي کنيم. با توجه به اينکه ميرايي داخلي (که به جنس ماده بستگي دارد) در جامدات تحت تاثير عوامل مختلفي نظير تاثيرات حرارتي، پديده خستگي و پديده باوشينگر تغيير مي کند براي اينکه بتواني مصالح با ميرايي معلوم داشته باشيم بايستي تاثيرات اين عوامل را در مصالح مورد نظر به حداقل برسانيم. روشهاي مختلفي براي توليد مصالح داراي ميرايي معلوم که اصطلاحاً ميراگر ناميده مي شوند، وجود دارد که ذيلاً به بررسي انواع اين روشها و نشان دادن ميراگرهاي توليد شده به وسيله ي اين روشها مي پردازيم.
میرایی و انواع آن:
با توجه به اينکه هر سازه يا سيستم سازه اي، به تناسب شکل و اجراي تشکيل دهنده ي آن داراي ميرايي خاص خود مي باشد ابتدا بايستي انواع ميرايي را شناخته و سپس درباره اعضايي که اين انواع ميرايي را تامين مي کنند بحث کنيم.

انواع میرایی:
ميرايي سازه ها تحت تحريکات زلزله به صورت ترکيبي از ميرايي خارجي ويسکوز (لخت)، ميرايي داخلي ويسکوز (لخت)، ميرايي اصطکاکي، ميرايي هيستريزيس و ميرايي تشعشعي مي باشد که در زير، اين انواع ميراي را شرح مي دهيم.

۱- ميرايي خارجي ويسکوز (لخت):
نوعي از ميرايي است که توسط هوا، آب و شرايط محيطي اطراف يک سازه بوجود مي ايد و در طرف مقايسه با انواع ديگر ميرايي ها بسيار کوچک و در اکثر اوقات با تقريب خوبي قابل صرف نظر است.

۲- ميرايي داخلي ويسکوز (لخت):
اين ميرايي حاصل خاصيت ويسکوزيته (لختي) ماده بوده و متناسب با سرعت است به نحوي که نسبت ميرايی متناسب با فرکانس طبيعي ساختمان افزايش مي يابد.  اين نوع ميرايي غالباً براي ارائه هر نوع ميرايي ديگر به کار مي رود و معروفترين نوع ميرايي است.
۳- ميرايي اصطکاکي:
اين ميرايي که ميرايي کلمب هم ناميده مي شود به علت وجود اصطکاک در اتصالات و يا نقاط تکيه گاهي پديد مي ايد. بدون توجه به سرعت و جا به جايي ثابت است و بسته به مقدار جا به جايي به دو نحو با ان برخورد مي شود. اگرمقدار جا به جاي ها کوچک باشد به عنوان يک ميرايي داخلي لخت و اگر مقدار جا به جايي بزرگ باشد به عنوان يک ميراي هسترزيس در نظر گرفته مي شود. يک مثال در مورد اين ميرايي راجع به ديوارهاي مصالح بناتي ميانقاب است که در هنگام ترک خوردن ديوار، اصطکاک جسمي زياد شده و مقاومت موثري در مقابل ارتعاشات به وجود مي ايد.
۴- ميرايي هيسترزيس:
اين ميرايي هنگامي اتفاق مي افتد که رفتار ماده تحت بار رفت و برگشتي در محدوده الاستيک قرار مي گيرد مساحت چرخه ي هيسترزيس در واقع بيان گر مقدار انرژي اتلاف شده در هر سيکل از بارگذاري مي باشد. همانطور که در شکل زیر مشاهده می شود با تزریق انرژی از نقطه D تا A و حرکت سازه از D تا A انرژی زیر سطح BAE حذف می شود. با تعمیم همین مسئله برای فواصل B تا C و C تا D نتیجه می گیریم که اتلاف انرژی در هر سیکل از بارگذاری معادل سطح ABCD می باشد.

ميرايي هيسترزيس۵- ميرايي تشعشعي:
هنگامي که يک سازه ساختماني ارتعاش مي کند، امواج الاستيک در محيط نامتناهي زمين زير ساختمان منتشر مي شود. انرژي تزريق شده به سازه از همين طريق ميرا مي شود. اين ميرايي تابعي از ضريب الاستيک يانگ (خطي)، نسبت پواسون (U) و چگالي (P) زمين بوده و نيز به جرم بر واحد سطح سازه (A/M) و ضريب سختي به جرم ان (m/k) بستگي دارد.
انواع سیستم های اتلاف انرژی:
سيستم غير فعال (Dissipation energy Passive)
در اين سيستم هرگونه واکنش سيستم، متناسب با مقدار کنش وارده به سيستم مي باشد.
سيستم نيمه فعال (Semi active Energy Dissipation)
در اين سيستم مي توانيم ميزان واکنش را توسط کنترل کننده هايي مهار کنيم.
سيستم فعال (active Energy dissapation)
دراين سيستم توسط اعضاء مخصوص که روي سازه نصب مي شوند مي توانيم نيروهايي را به سازه وارد کنيم اين نيروها مي تواند در خلاف جهت نيروهاي مخرب به سازه وارد شده و نقش ميراگر را بازي کنند. کنترل اين سيستم نيازمند محاسبات رياضي پيچيده و کامپيوتر هاي کنترلر دقيق مي باشد.
سيستم  دوگانه (Hybrid system):
اصولاً در صورتي که در مهار بندي از دو سيستم فعال و غير فعال به صورت همزمان استفاده مي کنيم، سيستم دوگانه به وجود مي آيد. در نگاه اول، این سیستم از همه سیستم هایی که تا کنون معرفی شد بهتر است اما با دقت بیشتر متوجه می شویم که مثلا در صورتی که سیستم کنترل فعال، نیرویی را در جهتی که به پایداری سازه کمک می کند به سیستم وارد کند و انرژی این نیرو توسط سیستم غیر فعال اتلاف شود، تضاد در این سیستم پدیدار می شود.
ساير سيستم هاي اتلاف انرژي
در مقوله تحليل مکانيکي و طراحي سازه هاي مقاوم در برابر زلزله، بحث هاي بسياري مطرح شده است. در زمينه اتلاف انرژي مي توانيم به سيستمهاي جداساز اشاره کنيم که باعث اتلاف زلزله در پي سازه و مانع از ارتعاش سازه مي شوند.
انواع ميراگرها به عنوان عامل اتلاف انرژي غير فعال:
ميراگر فلزي تسليم (Metallic yield damper):
با دانستن ساختمان کريستالي فلزات مختلف مي توانيم رفتار ميرايي اين فلزات را در شرايط بارگذاري تناوبي بررسي نموده و خواص ميرايي مطلوب در محدوده قبل از نقطه تنش تسليم ( yield point) مشاهده کنيم. مي توانيم با فرم دادن يک قطعه فلز به حالتي که در بارگذاري ديناميکي سازه رفتار ميراي از خود نشان دهد (عموماً به شکل مثلث متساوي الساقين) و قرار دادن ان در محل اتصال اعضاء سازه به يکديگر از اين خاصيت به نحو مطلوب در اتلاف و پراکنده سازي انرژي زلزله استفاده نماييم.
همان طور که در تعريف ميراگر گفته شد بايستي جنس و شکل و محل استفاده اين دسته از ميراگرها را طوري انتخاب کنيم که در طول عمر سازه، خواص ميرايي انها تحت عوامل مختلف تاثير گذارنده دچار اختلال نگردد.
فلزي که براي ساخت اينگونه ميراگرها به کار مي رود، عموماً بايستي داراي رفتار مناسب تغيير هيسترزيس، دامنه خستگي بالا، استحکام نسبي بالا و عدم حساسسيت زياد نسبت به تغييرات درجه حرارت باشد. اصولا ميراگرهاي فلزي، با تکيه بر تغيير شکلهاي الاستيک فلز و ميرايي ناشي از اتلاف انرژي به صورت اصطکاک داخلي کريستال ها مي شود. استفاده از اینگونه میراگرها در سازه به عنوان تنها سیستم مهاربندی دارای ریسک زیادی می باشد اما به عنوان یک سیستم تکمیلی در تعامل با سیستم های مهاربندی معمول می تواند مفید واقع شود.

ميراگر فلزي تسليم (Metallic yield damper)ميراگرهاي ويسکوالاستيک (Viscoelastic Dampers):
اين گونه ميراگرها از نظر عامليت ميرايي دقيقا مانند ميراگرهاي فلزي عمل مي کنند با اين تفاوت که به دليل ساختمان کوپوليمري يا کريستالي خود و خواص ايزوتروپيکي که دارند در بارگذاري هاي مختلف، از طريق تغيير شکلهاي برشي باعث اتلاف انرژي مي شوند. اينگونه ميراگرها را عموما طوري در سيستم نصب مي کنند که تنشهاي وارد به آن ها نوع برشي باشد تا خاصيت ميرايي خود را نشان بدهند. کاربرد عمومي اين گونه ميراگرها در سازه پل هاي بلند مي باشد. اين ميراگرها باعث جلوگيري از ايجاد پديده مخرب تشديد در ساختمان پل شده و مانع از تخريب پل در اثر بارهاي باد مي شود. اين گونه ميراگرها مانند اکثر ميراگرهاي ديگر به دليل تاثير گذاري عوامل مختلف روي ميزان ميرايي از تاريخ مصرف برخوردارند و در پايان تاريخ مصرفشان بايستي تعويض شوند. ممکن است در طول عمر يک سازه، چندين بار تعويض ميراگرها صورت گيرد که بزرگترين نقطه ضعف اينگونه ميراگرها همين امر مي باشد. در شکل زیر نمونه شماتیکی از این میراگرها نشان داده شده.

ميراگرهاي ويسکوالاستيک (Viscoelastic Dampers)ميراگرهاي اصطکاکي (Friction Dampers):
خواص ميرايي يک ماده، همان طور که گفته شد جزيي از ذات ماده مي باشد که با بوجود امدن برخي شرايط و تحت تاثير برخي از پديده ها، دچار اختلال مي شود. در صورتي که اين اختلال براي سيستمي که ميراگرهايي با خواص ميرايي دروني در ان وجود دارند ايجاد شود، سيستم دچار اشکال مي شودکه اين مسئله بزرگترين نقطه ضعف ميراگرهاي ويسکوالاستيک و متاليک مي باشد.
با تحقيقات نسبتاً خوبي که در سال ۱۹۸۰ توسط پال و همکاران صورت گرفت طرحي جديد که بيانگر نسل جديد سيستمهاي اتلاف انرژي غير فعال بود ارائه شد. در اين سيستم ميرايي توسط اصطکاک خطي موجود ميان ورقه هاي فلزي روي هم سوار شده به وجود ميايد اين نوع از ميراگرها به دليل اينکه به خصوصيات دروني ماده بستگي ندارد مي توانند حالتي ايده آل باشند که با دانستن فاکتور اصطکاک خطي موجو ميان سطوح مختلف، ضرايب ميراي ميراگرها را حاصل مي کند. به عنوان اولين ميراگر سازه اي تجارتي شرکت هاي آمريکايي اقدام به طراحي و ساخت انواع مختلف اين ميراگرها نمودند که بسته به تقاضاي مشتري در نقاط دلخواه از سازه قابل نصب مي باشد. اين دسته از ميراگرها به دليل اينکه طول عمري تقريباً برابر با اعضائ سازنده دارند، مشکل تعويض و خرابي را نيز تا حدود قابل قبولي مرتفع کرده اند.
در شکل زیر انواع مختلف این میراگرها را مشاهده می کنید. میرایی در کلیه این میراگرها از طریق ایجاد اصطکاک مابین ورق های متصل به هم پین شده بوجود می آید. این پدیده اولین بار توسط پال در سال ۱۹۸۰ تدوین و ارائه شد. مهمترين ويژگي ميراگرهاي اصطکاکي اين است که مي توانيم توسط آن ها انواع ديگر ميراگر را شبيه سازي و مدل کنيم.

ميراگرهاي اصطکاکي (Friction Dampers)الف. میراگر وصل شده به پایه پل راه آهن شهری در نیوزیلند.

ب. میراگر طراحی شده برای استفاده در محل اتصال بادبندی.

ج. نوعی میراگر مناسب جهت استفاده در محل اتصال تیر به ستون.

د. میراگر اصطکاکی مخصوص نیروهای برشی.

ه. نوع جالبی از میراگر اصطکاکی.

و. میراگر مناسب برای استفاده در سازه های حساس.

ميراگرهاي مايع لزج (Viscous fluid Damper):
ايده اين دسته از ميراگرها نيز همان طور که ايده ميراگرهاي اصطکاکي از ترمز اتومبيل گرفته شده است از اتومبيل سرچشمه مي گيرد. سيستم تعليق اتومبيل از يک فنر و يک کمک فنر (ميراگر) استفاده مي کند که در تعامل با يکديگر، ضربان وارده به اتومبيل از سوي زمين را جذب و انرژي استفاده مي کند که در تعامل با يکديگر، ضربات وارده به اتومبيل از سوي زمين را جذب و انرژي انها را اتلاف مي کنند. اگر ستونهاي يک سازه را به عنوان فنر در نظر بگيريم، در واقع با ايجاد کمک فنر (ميراگر) در کنار انها مي تونيم انرژِي وارده به سازه در اثر زلزله را اتلاف کنيم.
ساختمان ميراگرهاي مايع لزج عموماً از يک پيستون و يک سيلندر تشکيل شده است مايع لزج داخل سيلندر توسط پيستون فشرده مي شود، با توجه به اينکه درون پيستون، سيلندر ديگري وجود دارد. که به وسيله سوراخهاي ريزي مي تواند مايع را به درون پمپ کند، با اعمال فشار به سيستم مايع لزج با سرعت کمي بين دوسيلندر مبادله مي شود و مقدار زيادي انرژي را اتلاف مي کند. ساختمان کلي اين ميراگرها در شکل (V) نشان داده شده اس . استفاده از اين نوع ميراگر مدتي است که در کشورهاي آمريکا و نيوزلند و ژاپن در ساختمانهاي مختلف رايج شده است.
لازم به ذکر است که اين ميراگر حساسيتي نسبت به تغييرات حرارتي نداشته و به دليل عدم دارا بوده و ساختمان جامد مورد اثر پديده هاي خستگي و اثر باوشينگر قرار نخواهد گرفت اما طول عمر آن نسبت به طول عمر سازه کم است.

ميراگرهاي مايع لزج (Viscous fluid Damper)ساختمان میراگر سیال لزج

ميراگر جرم هماهنگ شده (Tuned mass damper):
در اين ميراگر، سازه و ميراگر نقش يک سيستم دو قسمتي را باز مي کنند. جرم ميراگر، روي سازه قرار مي گيرد ولي ميراگر توسط غلتک هايي مي تواند در جهت افقي حرکت آزادانه داشته باشد. در هنگام زلزله نيروي جديدي توسط ميراگر در جهت ميراسازي انرژي زلزله به سيستم اعمال مي شود.

ميراگر جرم هماهنگ شده (Tuned mass damper)نحوه عملکرد سیستم میراگر جرم هماهنگ

ميراگر سيال هماهنگ شده (Tuned liquid dampers):
با توجه با حالت سختي و رفتار مايع سيالات، اگر يک ظرف بزرگ محتوي يک سيال سخت را روي سازه قرار دهيم با ارتعاش سازه، مقدار زيادي انرژي توسط رفتار لخت سيال و نيروهاي هيدرو ديناميکي ناشي از ان اتلاف مي شود.
اکنون با شناختي از انواع ميراگرها و نحوه عملکرد آنها داريم مي توانيم در جهت تدوين سيستمهايي که بر مبناي اين اصول بنيادين طراحي مي شوند گام برداريم.

منابع:
۱- گرداوری و تالیف سایت  civiltech.ir
۲- مقاله (معرفی انواع میراگر ها و کاربرد آنها در مهاربندی لرزه ای سازه ها) از آقای علی رضائی فر

 

10 comments

Skip to comment form

  1. حمید رضا

    سلام. دستتون درد نکنه !
    ولی نمیشه فایل رو دان کرد . اگه میشه برام میل کنین ازتون ممنون میشم.

    1. پویا فامیل مدبران

      با سلام
      دوست عزیز در این مقاله چیزی برای دانلود وجود نداره اگر چیزی لازم دارید لطفا به صورت واضح بیان کنید تا اونجا که از دستم بر بیادراهنماییتون میکنم.
      با تشکر از نظرتون

  2. محسن

    دوست عزیز حداقل حقوق مولف نوشتن نام مولف در انتهای مقاله است این مقاله کاملا کپی برداری شده است.

    1. پویا فامیل مدبران

      دوست عزیز در انتهای مقاله کاملا واضح عبارت “مقاله (معرفی انواع میراگر ها و کاربرد آنها در مهاربندی لرزه ای سازه ها) از آقای علی رضائی فر” ذکر شده اگر نام اشتباه است لطفا بفرمائید تا اصلاح بشه.

  3. ارکید

    سلام ممنون از مقاله شما
    میشه خواهش کنم که منبع مقاله رو بفرمایید که از کدام مقاله خارجی یا ایرانی دریافت کرده اید باتشکر

    1. پویا فامیل مدبران

      باسلام
      با تشکر از نظرتون منبع مقاله به وضوح در انتها ذکر شده در صورتی که به نظرتون اشتباه هستش بفرمایید در صورت لزوم اصلاح میشه.

  4. usef

    آقا خدا هر چی می خواد بهت بده برای این مطالب من ۵الی ۶ ماه کسری خدمت می گیرم ممنون داداش

  5. kohestani

    سلام.سوالی درمورد میراگرلاستیکی دارم.

  6. امیر

    سلام،سال انتشار این مقاله رو هم اگه میشه ذکر کنید و جزییات انتشارش که بتوان به عنوان منبع در پایان نامه بهش استناد کرد.ممنون

    1. پویا فامیل مدبران

      با سلام

      این مقاله در اسفند ۸۳ در اولین همایش دانشجویی مهندسی عمران منتشر شده

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *