میراگر و کاربرد آن در صنعت ساختمان

زمان مورد نیاز برای مطالعه : 10 دقیقه

میراگر و کاربرد آن در صنعت ساختمان

به طور کلی کاهش خسارت های جانی احتمالی در هنگام وقوع زلزله و یا بعد از وقوع آن و کاهش هزینه های تعمیر یا بازسازی بعد از زلزله مورد توجه و اهمیت می باشد.

در دهه های اخیر، روش های مختلفی برای کاهش نیروهای وارد بر سازه گسترش یافته است. استفاده از جداسازهای پایه و یا میرا نمودن نیروی زلزله که با عنوان میراگر شناخته می شوند، در بعضی از قسمت های سازه مورد استفاده بوده است. با توجه به این امر انواع مختلفی از جداسازهای پایه و میراگرها توسط محققین مختلف پیشنهاد و مورد آزمایش قرار گرفته است.
میراگرها و جداسازهای پیشنهادی بسیار متنوع بوده و هر یک از آن ها به نوبه خود از مزایا و معایب خاصی برخوردارند. به طور جامع استفاده از میراگرها و جداسازها و سایر ابزارهایی که برای کاهش و مستهلک نمودن نیروی زلزله مورد استفاده قرار می گیرند، به عنوان سیستم کنترل ارتعاشات در سازه شناخته شده اند. 

سیستم های کنترل ارتعاشات در سازه

سیستم های کنترل ارتعاشات ایجاد شده در سازه تحت تاثیر نیروهای مختلف از جمله زلزله، در سه دسته کلی کنترل فعال، کنترل غیر فعال و کنترل نیمه فعال قرار می گیرند. هر یک از این روش ها در زیر تشریح شده است.

کنترل فعال

در سیستم کنترل فعال در حین ایجاد ارتعاش در سازه، اطلاعاتی از تحریک خارجی شامل شتاب زمین و وضعیت سازه شامل جابجایی، سرعت و شتاب بخش های مختلف، توسط گیرنده ها به هسته پردازش اصلی ارسال می شود. هسته پردازش سیستم کنترلی با تحلیل اطلاعات فوق بهترین پاسخ برای کاهش نیروها و تغییر شکل های ناشی از تحریک ایجاد شده در سازه را تعیین می کند. در این حالت با استفاده از روش ها و ابزارهای مختلف مانند جرم و سختی متغیر فعال، نیروی کنترلی مناسب به سازه اعمال می شود. به این صورت سیستم کنترل فعال با استفاده از انرژی خارجی در حین زلزله تغییرات لازم در مشخصات دینامیکی سازه را ایجاد می نماید.

کنترل غیر فعال

در سیستم کنترل غیر فعال برخلاف سیستم کنترل فعال، از منبع انرژی خارجی و سیستم های پردازش و اعمال نیرو برای تغییر مشخصات دینامیکی و مستهلک نمودن انرژی ورودی به سازه استفاده نمی شود. به همین علت هزینه ساخت، نگهداری و استفاده از سیستم کنترل غیر فعال بسیار کم تر از سیستم کنترل فعال است و بیشتر از آن استقبال می شود. طراحی سازه در این سیستم کنترلی به نحوی انجام می گیرد که انرژی وارده به سازه کاهش یافته یا به سمت وسایل مستهلک کننده نیرو (میراگرها) هدایت شود. با توجه اینکه ناحیه تاثیر نیروی وارده محدود می باشد، در صورت ایجاد خسارت جدی توسط جداسازهای پایه و میراگرها به این قسمت ها در حین زلزله، می توان به راحتی آن ها را تعمیر یا تعویض کرد. با توجه به تعاریف بیان شده، طیف وسیعی از روش های کاهش و مستهلک نمودن انرژی وارده، در دسته کنترل غیر فعال قرار می گیرند.

کنترل نیمه فعال

این دسته از سیستم های کنترلی عملکردی ما بین دو دسته قبل را دارا می باشند. در واقع در سیستم کنترل نیمه فعال، استفاده از منبع انرژی خارجی و سیستم کنترلی بسیار محدود است. 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 می کند. بر این اساس در سیستم های کنترل نیمه فعال برخلاف سیستم های فعال، انرژی زیادی به سیستم اضافه نمی شود.

معرفی جداسازها و میراگرها

بیش از صد سال پیش مفهوم جداسازی لرزه‌ای به عنوان یک ابزار محافظتی در برابر زلزله، رواج پیدا کرده است.
جداسازی لرزه‌ای عبارت است از جدا کردن کل یا بخشی از سازه از زمین یا قسمت‌ های دیگر سازه به منظور کاهش پاسخ لرزه‌ای آن بخش در هنگام وقوع زلزله. 
بر اساس تعاریف مختلف که از روش های کنترل سازه بیان شد، به طور معمول جداساز ها و میراگرها در دسته سیستم های کنترل غیرفعال قرار می گیرند. جداسازها و میراگرها تقریبآ متفاوت از یکدیگر عمل می کنند. وظیفه اصلی جداسازها، تلاش برای جدا کردن سازه از حرکت افقی زمین در حین انرژی وارد شده به آن در هنگام وقوع زلزله است. این امر تا حد بسیاری باعث کاهش اثر زلزله به سازه می شود. 
در حقیقت جداسازها در سازه، همانند سیستم های تعلیق خودرو عمل می کنند، به این صورت که لایه ای از المان های با سختی جانبی کم را تشکیل می دهند. فرکانس تحریک این لایه بسیار کمتر از فرکانس طبیعی سازه و فرکانس غالب زلزله است. در این حالت عمده تغییر شکل ایجاد شده در سازه، در اثر تحریک زلزله در جداساز ایجاد شده و جابجایی نسبی ایجاد شده در طبقات سازه را به مقدار زیادی محدود خواهد کرد. به این ترتیب با استفاده از جداساز پایه، انرژی وارد شده به سازه به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. 
یکی از نکات مورد توجه درباره میراگرها، آگاهی از میرایی یک ماده است که از طریق آن می توان به طور دقیق تری مواد متشکل در آن ماده را تحلیل کرد. 

عملکرد سیستم جداساز 

مکانیزم عمل جداساز شامل دو بخش اصلی زیر می باشد:

بخش اول:

افزایش زمان تناوب اصلی سازه برای دور کردن از تشدید شتاب مطلق: در این بخش زمین ‌لرزه‌ها معمولآ دارای زمان تناوب‌هایی در محدوده‌ی 0.10 تا 1 ثانیه می‌باشند. سازه‌هایی با زمان تناوب 0 تا 1 ثانیه در مقابل این زمین‌لرزه‌ها آسیب‌پذیرتر هستند، زیرا امکان ایجاد پدیده تشدید در آن ها بالاست. مهم‌ترین ویژگی جداسازی لرزه‌ای، ایجاد انعطاف‌پذیری است که این امر باعث افزایش زمان تناوب طبیعی سازه می‌شود. افزایش زمان تناوب طبیعی  موجب کاهش احتمالی پدیده‌ی تشدید می شود، و هم‌چنین باعث کاهش شتاب در سازه می‌شود و این امر روی جابه‌جایی‌های افقی نیز تأثیرگذار است. هنگامی که زمان تناوب افزایش یافت، خصوصا در زمین لرزه های قوی، ممکن است به حدود یک متر نیز می رسد و میرایی می‌تواند این مقدار را به حدود50  تا 400 میلی‌متر برساند.

بخش دوم:

عامل تولید میرایی اضافی ایجاد شده برای استهلاک انرژی زلزله: در سیستم های میراگر قابلیت میرایی مواد از خصوصیات ذاتی آن به شمار می رود. همچنین با آگاهی از  ضریب الاستیسیته یک ماده، محاسبات مربوط به مصالح متشکل در آن را می توان انجام داد. از این طریق می توان به طور دقیق تری رفتار ارتعاشی ماده را تحلیل کرد. هر یک از تجهیزات میراگر به نحوی باعث کنترل استهلاک انرژی و کاهش ارتعاشات وارده از بارهای جانبی مانند باد و زلزله  می شوند.

معرفی سیستم های میراگر انرژی زلزله (دمپر)

یکی از ایمن ترین و پربازده ترین سیستم های جدید میراگر به عنوان محافظ سازه ها در مقابل زلزله، سیستم های میراگر لرزه ای است که بیشترین کاربرد آن در کشورهای لرزه خیز همچون ژاپن، ایالات متحده، نیوزلند و ... است. با تعریف اعضا جدیدی در سازه با نام میراگر لرزه‌ای (Damper)، که عامل اتلاف انرژی لرزه‌ای وارد به ساختمان هستند و به کار بستن آن‌ها در ساختمان‌ها می‌توانیم یک ساختمان بهینه‌سازی شده داشته باشیم. 
تجهیزات دمپر از جهات مختلفی دسته بندی می شوند. به عنوان مثال در دسته بندی سیستم های میراگر، وابستگی رفتاری به سرعت یا جابجایی به تنهایی می تواند معیاری کاربردی باشد. از این نظر انواع دمپر های فلزی ـ تسلیمی شامل مهاربند کمانش تاب، میراگر سربی ـ تزریقی (LED)، میراگر سربی ـ تسلیمی PVD و میراگر ADAS و TADAS و میراگر اصطکاکی، از جمله میراگرهایی با رفتار میرایی وابسته به جابجایی و مستقل از سرعت می باشند.
در واقع در این دسته از سیستم های میراگر، سرعت ورودی در محل اتصال دو سر میراگر بر اندازه نیرو و میزان استهلاک انرژی زلزله تأثیری نداشته یا تأثیرش قابل چشم پوشی است. این امر در بسیاری از موارد می تواند مفید باشد. برای نمونه می توان با استفاده از میراگر اصطکاکی و با در نظر داشتن این ویژگی، به راحتی نیروی ورودی زلزله را محدود کرد و اصطلاحاً فیوز اصطکاکی ایجاد کرد.
انواع و اشکال متنوعی از سیستم های میراگر در سازه های فولادی و بتنی باعث کاهش قابل توجهی در انرژی های جانبی ورودی به سازه می شوند که نمونه هایی از آنها در زیر بیان شده است.

انواع سیستم های میراگر 

میراگرها دارای انواع متنوعی هستند که از جمله  پرکاربردترین آن ها شامل میراگر اصطکاکی، میراگر ویسکوز و مهاربندکمانش تاب می باشد. 
انواع میراگر هایی که در آن ها از رفتار سیال ویسکوز برای استهلاک انرژی استفاده می شود، رفتاری وابسته به سرعت داشته و این امر می تواند در کاهش موثرتر شتاب ورودی به طبقات و کنترل جابجایی در زلزله های حوزه نزدیک، در طرحی مناسب مفید واقع شود.

انواع جداسازها و میراگرها

میرایی سازه های معمول عمومآ پاسخ دهنده سازه در برابر کاهش تحریکات قوی محدود می باشد. در سازه های بدون تجهیزات میراکننده، خسارات قابل توجهی در اعضای سازه ای و غیر سازه ای ایجاد می شود. البته اغلب این سازه ها می توانند بدون تخریب کامل تا حد زیادی ایمنی ساکنان این سازه ها را تامین نمایند، ولی مالکین از نظر اقتصادی هزینه تعمیر و مقاوم سازی قابل توجهی را متحمل می شوند. 
در حالت کلی سیستم های کنترل غیر فعال به دو دسته جداسازهای پایه و میراگرها دسته بندی می شوند که در زیر به چند مورد از مهم ترین و پرکاربردترین آن ها در ساختمان ها به همراه شکل اشاره شده است.

انواع میراگرهای لرزه‌ای غیر فعال (Passive Dampers)

1.    میراگر اصطکاکی Friction Damper

میراگر اصطکاکی

2.    میراگر ویسکو الاستیک Viscoelastic Damper

میراگر ویسکو الاستیک

3.    میراگر ویسکوز Viscous Damper

میراگر ویسکوز

4.    میراگر جرمی تنظیم شده Tuned Mass Damper

میراگر جرمی تنظیم شده

5.    میراگر مایع تنظیم شده Tuned Liquid Damper   

میراگر مایع تنظیم شده

مزیت استفاده از میراگرها در ساختمان سازی

با توجه به اینکه در جامدات، میرایی داخلی (که به جنس ماده بستگی دارد)، تحت تاثیر عوامل مختلفی نظیر تاثیرات حرارتی، پدیده خستگی و پدیده باوشینگر تغییر می کند، بایستی تأثیرات این عوامل را در مصالح مورد نظر و برای اینکه بتوان مصالحی با میرایی مشخص داشت به حداقل رساند. یکی از روش‌های مختلف برای تولید مصالحی با میرایی معلوم استفاده از میراگر می باشد.
میراگر یا جداگر لرزه ای، در خاک های سخت بر خلاف خاک های نرم، بسیار پرکاربرد می باشد زیرا امواج زلزله در حین عبور از لایه‌های خاک فیلتر می‌شوند و شتاب حرکت زمین در خاک‌ های سخت از مؤلفه‌های فرکانس بالا و در خاک‌های نرم از مؤلفه‌های فرکانس پایین تشکیل می‌شود. در خاک‌های خیلی نرم به علت نزدیکی زمان تناوب سازه جداسازی شده به زمان تناوب حداکثر پاسخ سازه، جداسازی نتیجه مطلوبی نداشته و در مواردی باعث افزایش نیروهای وارد بر سازه می‌گردد.
استفاده ازمیراگرهای جدار نازک آکاردئونی، به‌ ویژه در انفجارهای بزرگ تا حد زیادی ( تا ۹۸ درصد برای سازه یک طبقه و ۶۴ درصد برای سازه چهار طبقه )، جابه‌جایی کلی سازه را بهبود می‌بخشد. در عین حال با جایگذاری آن در نقاطی که تغییر شکل های زیادی روی می دهد می توان تغییر شکل‌ های پلاستیک موضعی نقاط را کاهش داد.

مزایا و معایب استفاده از میراگرها در ساختمان

مزایا:

•    میراگرها انرژی زلزله را به طور موثر جذب نموده و باعث کاهش خطرات در سازه می شوند.
•     نیاز به سرویس و نگهداری پس از نصب ندارند.
•    توانایی نصب ساده و سریع را دارا می باشند.
•    برای مقاوم سازی ساز‌ه‌های موجود، ایده آل هستند.
•    بسیار پرکاربرد و دارای انواع متنوع بسیاری می باشند.
•    دارای وزن و حجم کم بوده و قابلیت تطبیق با شرایط خاص هر پروژه را دارند.
•    پس از زلزله در محل قابل تنظیم یا تعویض می باشند.
•    امکان تغییر در ظرفیت میراگرها پس از وقوع زمین‌لرزه، متناسب با تغییر در خصوصیات ذاتی سازه وجود دارد.
•    اعمال نیروی ثابتی به اتصالات و سازه در تمامی زلزله‌ها (در این میراگرها بر خلاف میراگرهای ویسکوز نیروی دمپر مستقل از سرعت و ثابت است)

معایب:

محدودیت میراگرها یا جداسازهای لرزه ای از معایب اصلی سازه‌های کوتاه مرتبه و میان مرتبه می باشد. (در سازه‌های بلندمرتبه اجرای آن توصیه نمی‌شود). این سیستم‌ها بسیار هزینه بر هستند که البته در صورت تولید انبوه می‌تواند توجیه اقتصادی داشته باشد.

جمع بندی

استفاده از میراگرها به عنوان وسیله ای برای مستهلک کردن انرژی ناشی از زلزله یکی از مطرح ترین روشهاست. 
میراگرها سیستم های قدرتمند کنترل ارتعاشات لرزه ای هستند که وظیفه اصلی آن ها مهار یا کاهش اثر زلزله در پی و سایر اعضای سازه می باشد. مکانیزم عمل این نوع از المان های سازه ای به عنوان یک عنصر جداساز لرزه ای، به صورتی است که از طرفی با افزایش زمان تناوب طبیعی سازه باعث کاهش آسیب پذیری مواد و مصالح سازه ای در برابر نیروهایی همچون زمین لرزه شده و از سویی دیگر با آگاهی از میرایی مواد می توان انرژی حاصل از رفتار لرزه ای سازه یا ارتعاشات احتمالی را کاهش داد.
میراگرها دارای انواع بسیاری می باشند که مهم ترین آن ها در ساختمان ها که شامل جداسازهای لرزه ای غیرفعال هستند، عبارتند از میراگر اصطکاکی، میراگر ویسکو الاستیک، میراگر ویسکوز، میراگر جرمی تنظیم شده، میراگر مایع تنظیم شده و ... می باشند که در این میان میراگر ویسکوز در بین انواع دیگر میراگرها طرفداران بیشتری دارد.