کنترل ارتعاشات لرزه ای سازه ها

روش های زیادی برای کنترل ارتعاشات سازه های بلند مرتبه ای که تحت حرکت لرزه ای زمین و یا اثر تند بادها قرار دارند وجود دارد از جمله سیستم های جداسازی پی، میراگرهای ویسکو الاستیک، قطعات افزایش دهنده سختی و میرا یی، سیستم های مهاربندی، میراگرهای جرمی تنظیم شده و دیگر روش ها که هر یک محدودیت ها و مزایای خاص خود را دارند.

روش دیگری برای کنترل غیر فعال ارتعاشات سازه ها وجود دارد که در آن از نوسانات و تلاطم آب در یک تانک برای کنترل ارتعاشات سازه استفاده می شود و از این رو به آن سیستم میراگر مایع تنظیم شده (Tuned Liquid Damper) می گویند. برای اولین بار در اوایل قرن بیستم از این سیستم برای کنترل ارتعاشات ناشی از امواج دریا در کشتی های اقیانوس پیما استفاده شد، سپس در نیمه دوم قرن بیستم برای کنترل نوسانات و جنبش های آزادِ با دوره تناوب بالا در ماهواره ها به کار رفت. از اواسط دهه 1980 میراگر مایع تنظیم شده برای کنترل ارتعاشات سازه های مهندسی عمران به کار گرفته شد.

میراگر مایع تنظیم شده یک سیستم کنترل غیر فعال است که از نیروی هیدرودینامیکی استفاده می کند. نحوه کار میراگر بدین ترتیب است که تعدادی مخزن در قسمت بالای سازه نصب شده و تلاطم مایع درون این مخازن انرژی ارتعاشی وارده به سازه را در هنگام زلزله یا تند باد، مستهلک می کند. نیروی کنترلی که در این روش برای کاهش ارتعاشات سازه مورد استفاده قرار می گیرد از فشار دینامیکی ای که روی سطح جداره های انتهایی ظرف اثر می کند تولید می شود. تلاطم مایع موجب ایجاد تفاوت در رقوم سطح آزاد مایع در جداره های انتهایی مخزن می شود و اختلاف فشار ناشی از تفاوت رقوم سطح آزاد مایع در جداره های انتهایی به صورت یک نیروی برشی درکف مخزن ظاهر می شود.

سیستم های TLD باید بر اساس فرکانس مد اول سازه تنظیم شوند یعنی فرکانس نوسانات آب در داخل ظرف باید نزدیک فرکانس طبیعی مد اول سازه باشد. بنابراین مشخصات میراگر نظیر ابعاد ظرف و عمق آب داخل آن باید به گونه ای تنظیم شوند که فرکانس تلاطم مایع درون میراگر با فرکا نس ارتعاش سازه هماهنگ شود.

طراحی میراگر مایع تنظیم شده

سیستم های TLD جهت طراحی بهینه، باید بر اساس فرکانس مد اول سازه تنظیم شوند یعنی فرکانس نوسانات آب در داخل ظرف باید معادل فرکانس طبیعی مد اول سازه باشد. بنابراین مشخصات میراگر نظیر ابعاد ظرف و عمق آبداخل آن باید به گونه ای تنظیم شوند که فرکا نس تلاطم مایع درون میراگر با فرکا نس ارتعاش سازه هماهنگ شود.

نیروی کنترل ناشی از میراگر ها ی مایع تنظیم شده

نیروی کنترلی که در این روش برای کاهش ارتعاشات سازه مورد استفاده قرار می گیرد از فشار دینامیکی ای که روی سطح جداره های انتهایی ظرف اثر می کند تولید می شود. تلاطم مایع موجب ایجاد تفاوت در رقوم سطح آزاد مایع در جداره های انتهایی مخزن می شود. اختلاف فشار ناشی از تفاوت رقوم سطح آزاد مایع در جداره های انتهایی به صورت یک نیروی برشی در کف مخزن ظاهر می شود. برای محاسبه نیروی کنترل ناشی از میراگر نیاز است تا تغییرات سطح آب در دو جداره انتهایی ظرف میراگر معلوم باشد. برای این منظور باید معادلات حاکم بر تلاطم مایع در میراگر را در طول زمان زلزله حل کرد (تحلیل زمان وابسته) تا در هر لحظه موقعیت به دست آید.

معادله پیوستگی مایع و معادلات حرکت (ناویر-استوکس)

برای تحلیل تلاطم مایع در میراگرهای مایع تنظیم شده یا به عبارتی دیگر جهت حل معادلات حاکم بر تلاطم مایع، از مدل ANSYS، یکی از پرکاربردترین و تواناترین مدل های المان محدود، استفاده شده است.با توجه به موارد بالا، میراگر های مایع تنظیم شده عملیتر و اقتصادی تر از سایر روش های کنترل ارتعاشات سازه، برای کنترل ارتعاشات لرزه ای سازه های برج مانند، به نظر می رسند. از آن جایی که اکثر ساختمان های بلند یک یا چند تانک ذخیره آب در قسمت بام خود برای ایجاد فشار آب کافی در ساختمان، دارند، کاربرد این میراگر ها در سازه های بلند کشور از طریق سامان دهی این مخازن، توصیه می شود.