میراگر و انواع آن

برای جذب انرژی‌های ورودی بیشتر از حد مشخصی سازه وارد ناحیه غیر الاستیک شده و با تشکیل مفاصل پلاستیک این انرژی را جذب می‌کند؛ که تخریب موضعی در سیستم مقاوم جانبی سازه را در پی خواهد داشت. به همین دلیل ایده استفاده از سیستم‌های کنترل سازه (میراگر) شکل گرفت.در ادامه با توجه با عناوین زیر توضیح بیشتری در این باره خواهیم داد:

• میراگر چیست؟
• انواع سیستم های میراگر
• انواع مدل های میراگر
• وظایف میراگر

میراگر چیست؟

با توجه به قرارگیری کشور ایران در منطقه ی با لرزه خیزی زیاد، استفاده از روش های مقاوم سازی ساختمان ها برای مقاومت در برابر زلزله و کاهش خرابی های ناشی از آن توصیه می شود. ساخت نامناسب سازه ها، در هنگام زلزله باعث خرابی و خسارات جانی و مالی فراوان می گردد. اگر مهندسان در ساخت این بناها، از توانایی کافی بر خوردار باشند، همه ساله شاهد این گونه خسارات جانی و مالی نخواهیم بود. از جمله راهکارهای مقاوم سازی در برابر زلزله، استفاده از میراگرهای لرزه ای می‌باشد. میرایی یکی از خصوصیات ذاتی مواد می باشد. با توجه به اینکه میرایی داخلی (که به جنس ماده بستگی دارد) در جامدات تحت تاثیر عوامل مختلفی نظیر تاثیرات حرارتی و پدیده خستگی تغییر می کند برای اینکه بتوانیم مصالح با میرایی معلوم داشته باشیم بایستی تاثیرات این عوامل را در مصالح مورد نظر به حداقل برسانیم. روش های مختلفی برای تولید مصالح دارای میرایی معلوم که اصطلاحاً میراگر یا دمپر نامیده می‌شوند، وجود دارد.

انواع سیستم های میراگر

1- سیستم کنترل فعال (Active Control Systems):

در این سیستم‌ها حسگرهایی در نقاط مختلف سازه نصب می‌شوند که پاسخ سازه را در هر لحظه تعیین و به یک پردازنده مرکزی منتقل می‌کنند. سپس پردازنده به محاسبه نیروی مورد نیاز در جهت کنترل پاسخ سازه می‌پردازد و در نهایت محرک‌ها که توسط یک منبع نیروی خارجی تأمین می‌شوند این نیروهای محاسبه شده را اعمال می‌کنند و این کار تا زمان کاهش پاسخ سازه به حد مورد نظر ادامه می‌یابد. نیروی ناشی از زلزله تابعی از زمان است و به صورت لحظه به لحظه تغییر می‌کند، پس سیستم کنترل فعال هم باید بتواند لحظه به لحظه وارد عمل شود. تأخیر در عملکرد سیستم کنترل نه تنها از کارایی سیستم می‌کاهد حتی ممکن است باعث ناپایداری سیستم گردد. بدین صورت که ممکن است در فاصله‌ی زمانی بین دریافت اطلاعات توسط حسگرها و زمان اعمال نیروی کنترل بر سازه جهت نیروهای زلزله معکوس شود ونیروهای اعمالی توسط سیستم کنترل به کمک نیروهای زلزله بیایند.

2- سیستم کنترل غیر فعال (Passive Control System):

در این سیستم‌ها ابزاری به سازه افزوده می‌شود که با مشخصات فیزیکی خود باعث کاهش پاسخ سازه در برابر نیروهای دینامیکی خارجی می‌گردد. عملکرد این سیستم (تغییر مشخصات دینامیکی سازه یا اتلاف انرژی یا هر دو) در زمان تحریک سازه تغییر نمی‌کند. این سیستم نیازی به منبع انرژی خارجی ندارد و با افزایش شکل پذیری سازه میزان آسیب پذیری سازه را در برابر زلزله کاهش می‌دهد.

نمونه ای از این دسته میـراگرها عبارتند از:

• میـراگر جرمی تنظیم شده (Tuned Mass Dampers)
• میـراگرهای مایع (Liquid Damper)
• میـراگرهای جرم غیرفعال (Passive Tuned Mass Damper)
• میـراگر سختی و میرایی افزوده (Added Damping And Stiffness)
• مهاربند کمانش ناپذیر (Buckling Restrain Brace)
• جداساز پایه (Base Isolation)

3- سیستم کنترل نیمه فعال (Semi-active Control Systems):

دسته ای دیگر از سیستم های کنترلی حالتی ما بین دو دسته قبل را دارا هستند. در واقع در سیستم کنترل نیمه فعال به صورت بسیار محدودی از منبع انرژی خارجی و سیستم کنترلی استفاده می شود. برای این منظور در بیشتر موارد سیستم کنترلی با استفاده از انرژی باتری ها و تغییر در مشخصات سازه مانند سختی، حرکت سازه در حین زلزله را اصلاح می‌کند. به این ترتیب در سیستم‌های کنترل نیمه فعال برخلاف سیستم های فعال، انرژی زیادی به سیستم اضافه نمی‌شود. مثال‌‌هایی از این سیستم:

• میراگر روزنه‌ای متغیر (Variable Orifice Damper)
• میراگر اصطکاکی متغیر (Variable Friction Damper)
• دریچه متغیر
• ابزار با اصطکاک متغیر
• مایع میراگر متوازن قابل تنظیم
• میراگرهای سیال قابل کنترل

انواع مدل های میراگر

میـراگر ADAS

به واسطۀ شکل پذیری فوق العاده و با بوجود آمدن تغییر شکل غیر ارتجاعی در ورقه‌های فولادی آن، میرایی سازه را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد و باعث کنترل پاسخ و کاهش نیاز لرزه ای می‌گردد. سیلان گسترده در تمام حجم فولاد و تامین میرایی هیسترتیک و در پی آن اتلاف فوق العاده انرژی ورودی به صورت انرژی حرارتی، از خصوصیات منحصر به فرد این ابزارها محسوب می‌شود.

میـراگر آلیاژِی SMA

آلیاژهای حافظه‌ دار شکلی Shape Memory Alloys)SMA) مصالح جدیدی هستند که در چند دهه اخیر کاربردهای مختلفی در زمینه‌های علوم و مهندسی پیدا کرده‌اند. این مواد از آلیاژهای فلزی هستند که توانایی بازیابی شکل اولیه خود را دارند. به عبارت دیگر می‌توان این فلز را به نوار لاستیکی تشبیه کرد که توانایی کشیده شدن زیاد را دارد، بدون اینکه از فرم اصلی خود خارج شود. این مصالح با توجه به دو خاصیت منحصر به فرد یعنی رفتار فوق ارتجاعی (Superelasticity) و اثر حافظه‌ دار شکلی مورد توجه طراحان و مهندسین سازه و زلزله قرار گرفته است. در سال‌های اخیر کاربرد آلیاژهای حافظه‌‌دار شکلی برای کنترل سازه‌ها در قاب‌های مهاربندی شده در سه حوزه غیرفعال، نیمه‌فعال و فعال مورد توجه قرار گرفته است.

میـراگر اصطکاکی

میراگر اصطکاکی (Friction Damper) بر پایه استهلاک انرژی به وسیله لغزش و بالاتر بردن زمان تناوب ارتعاشی سیستم است. این میراگرها به علت هزینه پایین و کارایی مناسب در دسته سیستم های کنترلی غیر فعال جایگاه خوبی دارند.

میـراگر الاستومری

میراگر الاستومری Maurer که از ترکیبات خاص با خواص میرایی متفاوت تولید می شوند، کاربردهای فراوانی برای بالا بردن میرایی سازه ها در مهندسی سازه دارند. کارکرد این دمپرها بر اساس تغییر شکل سازه بوده و به دلیل ویژگی‌های برگشت پذیریشان به حالت اولیه پس از وقوع زلزله یا ارتعاش از محبوبیت زیادی برخوردار هستند.

میـراگر جرمی تنظیم شونده

میراگر جرمی تنظیم‌شونده، دارای یک جرم، یک فنر و یک میراگر است. فرکانس میراگر نسبت به فرکانس سازه تنظیم می‌شود که در هنگام وقوع زلزله تحریک شود و نیرویی خلاف حرکت سازه به سازه وارد کند. از مهم‌ترین نکات در طراحی میراگر جرمی تعیین میزان سختی فنر و میزان نسبت جرم دمپر به جرم سازه است.

میـراگر کابل پل

میراگر کابل پل به منظور اتلاف انرژی ناشی از ارتعاشات کابل ها در سازه های مهاربندی شده که در اثر عوامل انسانی (ترافیک ناشی از ماشین آلات و …) ، باد و یا باران به وجود می آید، مورد استفاده قرار می گیرند. دمپرهای الاستومری ، ویسکوز و اصطکاکی برای این سیستمها می توانند به کار گرفته شوند.

میـراگر نیمه فعال هیسترزیس

عملکرد این میراگرها همراه با یک سیال داخل محفظه که ویسکوزیته آن توسط میدان مغناطیسی الکترونیکی (Magneto-Rheological Dampers)، کنترل می شود. با اسفاده از این میراگرها امکان بهینه سازی تغییرمکان و نیروی ذخیره شده امکان پذیر می گردد.

میـراگر هیدرولیکی ویسکوز

اين ميراگر، که بسيار شبيه به جذب کننده ضربه در اتومبيل است، شامل يک استوانه است که با يک مايع با لزجت بالا پر مي‌شود. پيستون از يک سمت به مايع فشار وارد مي‌کند و مايع از سمت ديگر به تدريج خارج مي‌شود. اتلاف انرژي به وسيله اصطکاک داخلی (لزجت) مايع صورت مي‌گيرد. نيروي مقاومي که اين وسيله فراهم مي‌کند متناسب با جابجايي و سرعت نسبي دو طرف آن است. این نوع میراگر جهت انواع ارتعاشات با دامنه زیاد مانند زلزله یا کم مانند باد یا ارتعاشات پل مناسب و کارآمد است.

میـراگر هیسترزیس MRSD

میراگر هیسترزیس MRSD ( میراگرهای هیسترزیس فولادی MRSD – Recentring Steel-Hysteresis-Dampers ) جهت استفاده در پل ها و ساختمان ها طراحی شده و می‌توانند برای افزایش ظرفیت باربری قائم همراه با جداسازهای لغزشی، بصورت همزمان مورد استفاده قرار گیرند. در این سیستم جذب انرژی توسط المانهای فولادی که دارای هندسه خاصی هستند (به جای تغییر شکل های پلاستیک) انجام می‌شود.

میـراگر هیسترزیس MSD

این نوع میراگر، اساسا برای استفاده در پل‌ها تولید شده اند و معمولا همراه با نئوپرن‌ ها و بالشتک های الاستومری نصب می‌شوند.

وظایف میراگر

همانطور که از نام این ابزار مدرن ساختمانی بر می‌آید، میراگر باعث میرایی نیروهای جانبی وارده شده به سازه می‌شود. بیشتر نیروهای جانبی وارد شده به ساختمان در اثر زلزله و بد و طوفان‌های شدید است. با کاهش یا مردن نیروی وارد شده به سازه در هنگام ورود آن، خسارات وارد به دلیل ارتعاش کمتر ساختمان، بسیار کاهش پیدا خواهد کرد. با توجه به توضیحات ارائه شده، میراگر در زمان عدم وجود نیروهای جانبی، غیرفعال است و به محض وارد شدن نیرو، فعال شده و وارد عمل می‌شود. عملکرد میراگر به شرح زیر است.

• میراگر باعث می‌شود جابجایی مکان طبقات و مکان‌ها (drift) در هنگام ورود نیروی جانبی کاهش پیدا کند.
• میراگر باعث می‌شود در هنگام ورود نیرو به سازه شتاب وارد شده به طبقات به طور قابل توجهی کاهش پیدا کند.
• با وجود میراگر، خسارات سازه‌ای و غیر سازه‌ای به شدت کاهش پیدا می‌کند.
• با اجرای میراگر در سازه، به دلیل استفاده از سطح مقطع با ظرفیت کمتر، کاهش می‌یابد.
• با اجرای میراگر از مشکلات معماری در طراحی ساختمان‌ها کاسته می‌شود.
• با نصب میراگر در سازه، اخلال در سرویس‌ دهی سازه به حداقل خواهد رسید.
• در نهایت با اجرای میراگر مناسب، تغییر شکل‌های مخرب در اجزای سازه‌ای و غیر سازه‌ای کاهش پیدا می‌کند.

جمع بندی

به طور کلی بحث میراگرها و مقاوم سازی سازه در ایران مقوله تازه‌ای است و با توجه به لرزه خیز بودن ایران این بخش از مهندسی سازه از اهمیت زیادی برخوردار است. از میراگرها در ساختمان‌های بلند و سازهایی مانند پل‌ها برای خنثی کردن نیروهای جانبی و عموی وارده به سازه استفاده‌های فراوانی می‌شود. در واقع هر میراگر که در هر سازه نصب می‌شود، مختص آن است و نمی‌توان از آن در سازه دیگری استفاده کرد.

تهیه شده در گروه تولید محتوای فولاد 24