انواع میراگرها در سازه‌ها

طراحی سازه‌های مقاوم در برابر ارتعاشات لرزه‌ای یکی از دغدغه‌های اصلی مهندسان سازه به شمار می‌رود. مؤلفه‌های مقاوم در برابر نیروی زلزله عبارتند از میرایی، سختی و اینرسی. میرایی مشخصه‌ای از مدل محاسباتی است و نه سازه واقعی. معمولاً نسبت میرایی برای سازه‌های متعارف بین %0 تا %20 است که مقدار کمی است و موجب استهلاک ناچیز انرژی در محدوده رفتار الاستیک سازه می‌شود.

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 شکل گرفت. سیستم‌های کنترل سازه را می‌توان به سه دسته فعال، نیمه فعال و غیر فعال دسته بندی کرد.

در ادامه توضیح مختصری در مورد این سیستم‌ها آمده است.

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.

چند نمونه از این میراگرها در زیر آمده است:

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

در شکل زیر می توان تفاوت رفتار سازه را در صورت استفاده از سیستم جداساز پایه با ساختمان معمولی مقایسه کرد.

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

این سیستم‌ها با تغییر مشخصات دینامیکی خود رفتار سازه را کنترل می‌کنند.

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

ساختمان‌های بلندی که از میراگر استفاده کرده‌اند:

• برج Citicorp

میراگر جرمی تنظیم شده در این ساختمان 270 متری در طبقه شصت و سوم در تاج سازه قرار گرفته دارد. انتظار می‌رود این میراگر دامنه حرکت سازه را تا 50 درصد کاهش دهد. این کاهش دامنه معادل است با اینکه میرایی سازه را به 4 درصد افزایش دهیم. هزینه این میراگر 1.5 میلیون دلار بود ولی باعث 3.5 الی 4 میلیون دلار صرفه جویی شده است.

• برج جان هانکوک

دو میراگر به برج 60 طبقه جان هانکوک در بوستون برای کاهش پاسخ سازه به نیروی باد نصب گردید.

میراگرها در دو انتهای طبقه 58-ام و به فاصله‌ی 67 متر از هم نصب گردید.
وزن میراگر 2700 کیلونیوتن و شامل جعبه فلزی پر شده از سرب به ابعاد 5.2 متر و به عمق یک متر بود که بر روی یک صفح فلزی به طول 9 متر نصب شده است.

• برج Chiba Bay Tower

این برج که در سال 1986 تکمیل شد و اولین برج در ژاپن بود که با TMD مجهز گردید. این برج یک سازه فولادی با ارتفاع 125 متر و وزن 1950 تن می‌باشد که پلان لوزی شکل با طول ضلع 15 متر دارد.

• برج ملی کانادا

آنتن 102 متری فلزی بالای برج ملی کانادا در تورنتو (ارتفاع برج با آنتن 553 متر) نیازمند 2 دمپر برای جلوگیری از تغییر شکل زیاد آنتن در مقابل نیروی باد بود.

میراگرها برای مودهای دوم و چهارم تنظیم شده‌اند تا نیروهای خمشی آنتن را حداقل نمایند.
مودهای اول و سوم همان مشخصاتی را دارا هستند که سازه بتنی پیش‌تنیده برای آنتن تامین می‌کند و نیاز به میرایی‌های اضافی نمی‌باشد.

• برج تایپه

اجزای تشکیل دهنده ی میراگر جرمی و موقعیت این میراگر در شکل‌های زیر نشان داده شده است:

برج تایپه 101 آسمان خراشی ۱۰۶ طبقه‌ای با ۵۰۸ متر ارتفاع در کشور تایوان است. این بزرگترین برج مسکونی در منطقه‌ای زلزله‌خیز ساخته شد تا میزان مقاومتش را به نمایش بگذارد.

راز مقاومت این برج در کره فولادی است به وزن ۶۶۰ تن که در بین طبقه ۸۷ تا ۹۲ «تایپه ۱۰۱» به ۱۶ بازوی فولادی آویخته شده است. این پاندول غول پیکر تعادل ساختمان را در برابر زلزله‌های بسیار شدید و طوفان‌های مهیب که در این منطقه امری عادی و همیشگی است، حفظ می‌کند.

سرعت بعضی از طوفان‌های این منطقه بیش از ۲۵۰ کیلومتر در ساعت است و گاهی در این منطقه سالی ۲۰۰ بار زلزله می‌آید.

• برج یوکوهاما

برج لندمارک یوکوهاما در میناتو میرای در منطقه 21 شهر یوکوهامای ژاپن واقع شده و دومین ساختمان بلند این کشور با 296 متر ارتفاع است. برج یوکوهاما چندین تدبیر برای مقابله با زلزله اندیشید. اول این که این ساختمان روی غلتک واقع شده که در صورت بروز زلزله مانع از حرکت شدید آن می شود و در واقع زمین زیر ساختمان بدون ایجاد مزاحمت برای سازه حرکت می کند. ضمنا این برج علاوه بر میراگر جرمی، از مصالحی انعطاف پذیر ساخته شده که در هنگام وقوع زلزله ساختمان بیشتر خم می شود به جای این که در هم شکسته شود.

• برج وان رینکون هیل

در برج وان رینکون هیل از میراگر جرمی مایع استفاده شده است.