میراگر جرمی تنظیم شده

میراگر جرمی تنظیم شده یکی از ابزارهای غیر فعال استهلاک انرژی است. این وسیله با جذب کردن مقداری از انرژی وارد شده از بار دینامیکی به سازه، میزان تقاضا برای استهلاک انرژی را در سازه اصلی کاهش می دهد. ساده ترین شکل میراگر جرمی تنظیم شده، سیستمی شامل جرم، فنر و میراگر ویسکوز است که به سازه اصلی مهار می شود.

میراگرهای تنظیم شده عموماً برای کنترل ارتعاشات ناشی از باد در ساز ه های بلند به کار رفته اند و به دلیل محدودیت هایی همچون پهنای فرکانسی وسیعتر، بارگذاری زلزله، نسبت به بارگذاری باد و امکان تنظیم نوع ساده است.این نوع میراگر فقط با یک فرکانس، کارایی آنها تحت بارگذاری زلزله به خوبی کارایی آنها در مقابل بارگذاری باد نیست. در عین حال تحقیقات فراوانی در زمینه استفاده از آنها در بهبود ارتعاشات ناشی از زلزله در دست انجام است. استفاده از میراگرهای جرمی تنظیم شده غیر خطی، جذب کننده های ارتعاشات ضربه ای، میراگرهای جرمی تنظیم شده نیمه فعال و میراگرهای جرمی ترکیبی جزو راه حل هایی بوده اند که برای این مشکل ارائه شده اند.

طراحی، اجرا و ویژگی ها

یک سیستم میراگر جرمی فعال (TMD) وسیله ای متشکل از یک جرم، فنر و یک میراگر است که به منظور کاهش پاسخ دینامیکی سازه، به آن متصل می شود. فرکانس میراگر به میزان فرکانس سازه ای به خصوص تنظیم می شود تا هنگامی که این فرکانس تحریک شود، میراگر در فاز مقابل (مخالف) حرکت سازه مرتعش شود. انرژی توسط نیروی اینرسی میراگر که بر روی سازه اعمال شده، تلف می شود. در این نوع از میراگرها جرم بر روی تکیه گاه های غلطکی قرار می گیرد و می تواند نسبت به طبقه، جابه جایی انجام دهد، فنرها و میراگرها بین جرم و تکیه گاه های ثابت عمودی قرار می گیرد، نیروی فاز مخالف میراگر را به تراز طبقه و در نتیجه به قاب سازه ای منتقل می کند.

معمولاً این نوع از میراگرهای جرمی در طبقات بالایی سازه به کار گرفته می شوند و در صورتی که سازه تحت اعمال بار قرار گیرد، با تعریف شتاب مشخص بسته به طراحی میراگر، به طور اتوماتیک سیستم شروع به فعالیت نموده و اثر ارتعاش نیروی زلزله را از بین می برد. معمولاً جنس جرم این سیستم از بتن، سرب یا فولاد است و به صورت مربع یا مستطیل و به صورت تک یا مجموعه به ابعاد 1 تا 30 متر ساخته و در طبقات بالایی سازه نصب می شود.

این نوع سیستم میراگر، دارای جرم زیاد، اختصاص فضای زیاد و پرهزینه و مکانیزم پیچیده ای بوده و در مواردی فقط امکان بکارگیری در یک جهت را دارا است. با اصلاح این موارد نوع پیشرفته تری از میراگرهای جرمی تنظیم شده طراحی شد. با تغییر غلطک های لاستیکی به جای غلتک های مکانیکی به دلیل عملکرددر جهت های مختلف (مانند فنرهای برشی) و استفاده از مواد لاستیک های قیری (BRC) به جای میراگر که با سهولت در نصب و کوچکی در ابعاد، توانایی میراگرهای ویسکوالاستیک را نیز دارا هستند، باعث شده سیستم کامل تری طراحی و ساخته شود.

در طراحی سیستم میراگرهای جرمی جهت محاسبات باید با تعیین جرم، سختی و ضریب میرایی، مناسبترین سیستم میراگر را با توجه به وزن کل سازه طراحی نمود تا با یک نسبت ساده بتوان به میزان تأثیر سیستم میراگر طراحی شده پی برد. با فرض برابر بودن فرکانس سازه در راستای نزدیکی مقدار بهینه برای فرکانس میراگر، اینکار پریود میراگر را با پریود غالب سازه برابر می کند.

پاسخ جرم تنظیم شده 43 درجه با پاسخ جرم اولیه اختلاف فازی دارد. این اختلاف فاز، اتلاف انرژی را توسط نیروی اینرسی میراگر موجب می شود. افزایش نسبت جرم، افزایش میرایی را به دنبال دارد، اما باید توجه نمود که یک حد عملی برای افزایش جرم وجود دارد، همچنین با کاهش ضریب میرایی نیز می توان میرایی را افزایش داد که برای این پارامتر نیز محدودیت وجود دارد. طرح نهایی با توجه به ترکیب این دو مقدر باتوجه به اعمال محدودیت ها صورت می گیرد. همچنین باید به محل قرارگیری میراگر و فنر در تکیه گاه ثابت در سازه و مکانیسم دو جهته بودن سیستم نیز توجه نمود.TMD های نخستین، ساز و کار (مکانیزم) پیچیده ای برای تکیه گاه ها و المان های میرایی داشتند. همچنین به طور نسبی سنگین بوده و به طور قابل ملاحظه ای فضا اشغال می نمودند و نیز تا حدودی گران بودند.

میراگر جرمی پاندولی

به دلیل مشکلات غلطک ها در میراگرهای جرمی تنظیم شده، نوع جدیدی از میراگرهای جرمی که امروزه قابلیت بکارگیری در سازه های بلند مرتبه را دارد، میراگرهای پاندولی هستند که شبیه آونگ رفتار می کنند. مشکل مربوط به تکیه گاه ها با استفاده از نگهداری جرم با یک سری کابل ها برطرف می شود که این کابل ها به سیستم اجازه می دهد که به صورت یک پاندول رفتار نماید. طراحی این سیستم ها براساس وزن کل سازه و وضعیت آب و هوایی منطقه انجام می شود.

در میراگر پاندولی نیروی دوباره ذخیره شونده که توسط کابل ها تامین می شود توسط انحنای سطح ساپورت (تکیه گاه) تولید می شود و همین انحنا به جرم اجازه می دهد که در این سطح بغلتد. حرکت قائم وزن به یک انرژی ورودی نیاز دارد. با فرض اینکه کوچک است معادلات برای حالتی که سطح دایروی است، ، مشابه معادلات پاندول متداول با طول کابل L هستند که در آن با شعاع سطح R باید جایگزین شود.