با روش های کنترل ارتعاشات ساختمان آشنا شوید

امروزه اشنایی با ارتعاشات ساختمان و روش های کنترل این ارتعاشات در طراحی سازه ها از اهمیت خاصی برخوردار می باشد، در این پست تصمیم داریم به تفصیل به بررسی روش های کنترل ارتعاش سازه بپردازیم.

مقدمه

سازه ها همواره در معرض بارهای زلزله و باد که گاهی بزرگ هم هستند، قرار دارند. سازه ها در طول عمر خود ممکن است لرزش های جدی تجربه کنند. این لرزش ها را می توان از بی خطر تا شدید دسته بندی کرد. لرزش های شدید منجر به وارد شدن خسارت های جدی و گاهی فروریزش سازه می شوند.

پیشنهاد مطالعه : معرفی پارامترهای لرزه ای و تشریح نحوه وقوع زلزله

محافظت از سازه در مقابل لرزش

دو روش اصلی کنترل ارتعاش سازه به شرح  زیر است :

1 . روش سنتی طراحی لرزه ای (افزایش سختی سازه با بزرگ کردن مقطع ستون ها، تیرها، دیوارهای برشی یا دیگر اعضا)

2 . روش مدرن از طریق کنترل سازه (با نصب تجهیزات، مکانیسم ها، زیر سازه ها در سازه برای تغییر یا تنظیم عملکرد دینامیکی سازه)

اصول اصلی کنترل پاسخ لرزه ای

سیستم های کنترلی، میرایی سازه را افزایش و یا مشخصات دینامیکی سازه را تغییر می دهند. افزایش میرایی، ظرفیت مستهلک کردن انرژی سازه را افزایش می دهد. تغییر سختی سازه می تواند از تشدید در اثر رزونانس خارجی جلوگیری کند و در نتیجه ارتعاشات ساختمان و پاسخ لرزه ای سازه کاهش می یابد.

حفاظت لرزه ای

سیستم های رایج حفاظت لرزه ای سازه به شرح زیر می باشند که در ادامه به معرفی هر یک می پردازیم :

1 . سیستمهای کنترل غیرفعال

2 . سیستمهای کنترل فعال

3 . سیستمهای کنترل نیمه فعال

4 . سیستمهای کنترل ترکیبی

سیستم های کنترل غیرفعال

سیستم های کنترل غیرفعال نیاز به منبع انرژی خارجی ندارند و از حرکت سازه برای مستهلک کردن ارتعاشات ساختمان و انرژی لرزه ای یا جداسازی لرزش ها به گونه ای که پاسخ سازه کنترل شود، استفاده می کند. تجهیزات کنترل غیرفعال عبارت اند از :

1 . جداسازی پی

2 . تجهیزات استهلاک انرژی غیرفعال (PED)

جداسازی پی

اگر یک ساختمان روی مصالحی قرار بگیرد که سختی جانبی کمی دارد، مانند لاستیک، پیِ انعطاف پذیری به دست می آید. در طول زلزله، پی انعطاف پذیر قادر است فرکانس های بالا را از حرکت زمین فیلتر کرده و از آسیب دیدن یا فروریختن ساختمان جلوگیری کند.

شکل 1 . رفتار سازه با جداساز پی برای کنترل ارتعاشات ساختمان

انواع مختلف جداساز پی

تکیه گاه های الاستومری شامل :

1 . تکیه گاه لاستیکی مصنوعی یا طبیعی با استهلاک کم

2 . تکیه گاه لاستیکی طبیعی با استهلاک زیاد

3 . تکیه گاه سربی لاستیکی (لاستیک طبیعی با استهلاک کم به همراه هسته ی سربی)

شکل 2 . تکیه گاه الاستومتری در کنترل ارتعاشات ساختمان

تکیه گاه های لغزشی شامل :

1 . تکیه گاه های لغزشی مسطح

2 . تکیه گاه های لغزشی کروی

شکل 3 . تکیه گاه لغزشی در کنترل ارتعاشات ساختمان

تکیه گاه های لاستیکی مصنوعی یا طبیعی با استهلاک کم

برای این نوع تکیه گاه ها در برش برای کرنش های برشی تا 100 درصد و بالاتر رفتار خطی است و مقدار استهلاک نیز 2 تا 3 درصد است.

مزایا :

1 . ساخت آسان

2 . مدلسازی آسان

3 . پاسخ آن حساسیت زیادی به میزان بارگذاری، دما و سن آن ندارد.

معایب :

1 . نیاز به سیستم استهلاک مکمل دارد.

تکیه گاه لاستیک طبیعی با استهلاک بالا

در این نوع تکیه گاه ها استهلاک با کربن سیاه بسیار نرم، روغن ها یا رزین ها و دیگر فیلرهای اختصاصی افزایش داده می شود. حداکثر کرنش برشی 200 تا 350 درصد است و مقدار استهلاک نیز در کرنش برشی 100 درصد برابر 10 تا 20 درصد می باشد. همچنین سختی مؤثر و استهلاک این نوع تکیه گاه ها به الاستومر و فیلرها، فشار تماس، سرعت بارگذاری و دما بستگی دارد.

تکیه گاه های سربی – لاستیکی

در این نوع تکیه گاه ها می توان ویژگی های استهلاکی را با اضافه کردن یک هسته ی سربی در تکیه گاه بهبود بخشید. مقدار استهلاک برابر 15 تا 35 درصد است و حداکثر کرنش برشی نیز 125 تا 200 درصد است. عملکرد این نوه تکیه گاه ها به نیروی جانبی اعمالی بستگی دارد و همچنین استهلاک هیسترتیک با انرژی جذب شده توسط هسته ی سربی ایجاد می شود.

تجهیزات غیرفعال استهلاک انرژی

تجهیزات مکانیکی بخشی از انرژی وارد برسازه و ارتعاشات ساختمان را جذب یا مستهلک می کنند. این امر می تواند پاسخ سازه و آسیب احتمالی سازه را کاهش دهد. میراگرهای فلزی تسلیم، بر اصل تغییر شکل پلاستیک تجهیزات فلزی و استهلاک انرژی ارتعاشی استوار هستند. میراگرهای اصطکاکی، در اینجا از اصطکاک بین دو سطح لغزنده برای مستهلک کردن انرژی استفاده می شود و همچنین در میراگرهای ویسکو الاستیک، از میرایی بالای مصالح برای استهلاک انرژی از طریق تغییر شکل برشی استفاده می شود. چنین مصالحی می توانند شامل لاستیک، پلیمرها و ترکیبات شیشه ای باشند.

شکل 4 .میراگر ویسکوالاستیک

یک میراگر سیال ویسکوز از یک استوانه ی خالی تشکیل شده که توسط یک سیال پرشده است. با ضربه خوردن به میله ی پیستون و سر پیستون دمپر، سیال با سرعت زیادی جاری شده و باعث ایجاد اصطکاک می شود.

در میراگرهای جرمی تنظیم شونده و میراگر مایع تنظیم شونده، از یک جرم که توسط یک فنر به سازه متصل شده به همراه یک عضو مستهلک کننده که هیچ تکیه گاهی ندارد، برای کاهش لرزش استفاده می شود. میراگرهای مایع تنظیم شونده مشابه میراگرهای جرمی هستند با این تفاوت که سیستم جرم، فنر و میراگر با یک محفظه ی پر از مایع جایگزین شده است.

سیستم های کنترل فعال

در کنترل فعال، از یک منبع خارجی انرژی برای فعال کردن سیستم کنترل از طریق ایجاد سیگنال آنالوگ استفاده می شود. این سیگنال توسط کامپیوتر و با پیروی از یک الگوریتم کنترل که پاسخ های سازه را اندازه گیری می کند، ایجاد می شود.

انواع سیستم های کنترل فعال

سیستم های میراگر جرمی فعال شکل توسعه یافته TMD ها هستند که یک مکانیسم کنترل فعال به آنها اضافه شده است. سیستم های تاندون فعال، از یک دسته تاندون های پیش تنیده تشکیل شده اند که کشش آن با یک سروومکانیسم الکترو هیدرولیک کنترل می شود.

سیستم های کنترل نیمه فعال

این نوع سیستم بین وسایل کنترل فعال و غیرفعال است. از حرکت سازه برای کنترل حرکت ها (ارتعاشات ساختمان) و نیروها استفاده می شود. این کار از طریق اصلاح مشخصات مکانیکی انجام می شود. عملکرد نیروهای کنترلی را می توان با استفاده از منبع نیروی بیرونی یا حتی یک باطری تأمین کرد.

سیستم های کنترل ترکیبی

این سیستم نسبت به سایر سیستم های بیان شده کمتر مورد توجه می باشد، بنابراین در این نوشتار به آن پرداخته نمی شود.

پیشنهاد مطالعه : تاثیر میراگر در مقاوم سازی لرزه ای ساختمان

منبع:

ترجمه نوشتاری از سایت civildigital.com توسط علی اکبر خلیلی، از مقالات تحلیلی ترجمه شده توسط گروه آموزشی 808