محمد احمدی اکبری دانشجو و پژوهشگر مهندسی عمران

سیستم‌های جرم میراگر متوازن

سیستم‌های جرم میراگر متوازن (میراگر جرمی تنظیم‌شده) 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 شکل‌پذیری بالایی 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 طبیعی 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 نگه‌داشتن آن در سطحی معقول است.

برج‌ها و سازه‌هایی مانند برج‌های مخابراتی، دکل‌های بلند، برج‌های بلند، فانوس‌های دریایی و برج‌های مراقبت فرودگاه‌ها نیز از سازه‌هایی هستند که در آنها، عموماً جرم اصلی در بالای سازه به‌صورت پاندول وارونه متمرکز بوده و لذا، تغییر مکان رأس ازنظر کاربردی و عدم ایجاد اختلال در ارسال و دریافت پیام‌های مخابراتی و همچنین راحتی استفاده‌کنندگان دارای اهمیت است. میراگرهای دینامیکی، سیستم ایجاد میرایی در سازه‌ها هستند که در دو دهه اخیر تحقیقات فراوانی به‌صورت تئوریک و تجربی بر نحوه عملکرد آنها انجام‌شده و در سازه‌های زیادی با موفقیت اجراشده‌اند. جرم میراگر متوازن (TMD) و مایع میراگر متوازن (TLD) در اینن گروه قرار می‌گیرند.

معرفی سیستم جرم میراگر متوازن

سیستم کنترلی TMD یک میراگر غیرفعال نسبتاً جدید بوده که مطالعات و کاربردهای آن در سال‌های 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 به‌صورت 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.

در ادامه بخوانید  معرفی پل بروکلین

عملکرد جرم میراگر متوازن در سازه‌های بلندمرتبه نتیجه برخی از پژوهش‌ها نشان می‌دهد که عملکرد جرم میراگر متوازن در برابر تحریک زلزله که محدوده فرکانسی وسیع‌تری را نسبت به باد می‌پوشاند، به مشخصات زلزله بستگی دارد. تعدادی از محققین معتقدند که جرم میراگر متوازن تنها زمانی در کاهش پاسخ زلزله مؤثر است که زلزله وارد برسازه دارای محدوده فرکانسی کوچک و مدت‌زمان طولانی باشد. به عبارت دیگر، ازآنجاکه پهنای باند فرکانسی نوسانات لرزه‌ای پهن‌تر از حالت باد بوده و بعلاوه در فرکانس‌های بالاتر نیز ارتعاشات قوی‌تر است لذا مودهای بالاتر نیز تحریک می‌شوند و درنتیجه در نظر گرفتن تنها مود غالب ارتعاشی کافی نخواهد بود.

با توجه به عدم قطعیت موجود در پیش‌بینی زمین‌لرزه و همچنین مشخصات دینامیکی سازه مثل فرکانس‌های طبیعی و نسبت استهلاک مودهای مختلف ارتعاشی، مفیدتر آن است که از تعداد میراگرهای بیشتر استفاده شود به‌نحوی‌که این میراگرها دارای فرکانس ارتعاشی با اندک اختلافی نسبت به هم باشند تا بتوان محدوده بیشتری از فرکانس‌ها را پوشش داد که به این‌گونه سیستم‌ها، میراگرهای چندگانه یا MTMDD اطلاق می‌شود.

در این حالت حساسیت سیستم کنترلی به پارامترهایی مثل تحریک ورودی کاهش می‌یابد. به‌منظور بهبود عملکرد TMD می‌توان از مواد ویسکوالاستیک در اتصال جرم آن به سازه اصلی بهره برد تا پاسخ لرزه‌ای 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 به‌سادگی نمی‌توان کاهش داد. چراکه TMD به‌صورت غیرفعال با فرکانس سازه اصلی تنظیم‌شده و به خاطر ارتعاشی با اختلاف‌فاز باعث کاهش لرزه می‌شود. ازاین‌رو، در لحظات اولیه وقوع زمین‌لرزه که اغلب دارای نوسانات قوی لرزه‌ای هم هستند، عملکرد TMD چندان مؤثر نیست. برای حل این مشکل نیز می‌توان از کنترل فعال یا نیمه فعال استفاده نمود.

در ادامه بخوانید  آشنایی با آسفالت متخلخل + کلیپ

باوجوداینکه هنوز یک روال متعارف و یک استاندارد مشخص برای طراحی یک سیستم میراگر در یک سازه وجود ندارد، این سیستم به‌سرعت به یک جزء متعارف در سازه‌های بلند برای کنترل ارتعاشات ناشی از باد تبدیل‌شده و عملکرد آن نیز رضایت‌بخش ارزیابی‌شده است.

ملاحظات عملی جرم میراگر متوازن

بعضی از فاکتورهایی که انتخاب سیستم‌های کنترل لرزه برج‌ها و دیگر سازه‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهند، شامل موارد زیر هستند.

  • کارایی
  • اندازه
  • هزینه ساخت
  • هزینه عملیات
  • هزینه نگهداری و تعمیرات و امنیت

در طراحی سیستم میراگر جرمی، مقدار کاهش پاسخ دینامیکی که به‌طور اقتصادی قابل‌دستیابی است، در طراحی‌های متعددی موردتوجه 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 غیرمتعارف نیستند. جرم میراگر معمولاً از فلز یا بتن ساخته می‌شود و TMD باید در فضای مشخص‌شده 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 صرفه‌جویی قابل‌ملاحظه‌ای می‌شود.