سیستم های جرم میراگر متوازن

سیستم های جرم میراگر متوازن (میراگر جرمى تنظیم شده) از جمله ابزارهای بکار رفته در کنترل لرزه در سازه ها هستند که در سال های اخیر، در بسیاری از پل ها و سازه های بلند که اغلب از شکلپذیرى بالایى برخوردارند، بکار رفته است. سازه های بلند تحت اثر نوسان های ناشی از بار باد و زلزله قرار می گیرند.

مطالعات نشان می دهد که این سازه ها معمولاً در فرکانس های طبیعى خود ارتعاش می کنند که در مواقعی که فرکانس های انتقالی و پیچشی در سازه های بلند که خود دارای ارتعاشی بزرگی هستند، توسط حرکت پیچشی نیز تشدید می شوند. تغییر مکان جانبی در بالاترین طبقه یکی از پارامترهای مهم طراحی بوده که همواره سعی بر نگه داشتن آن در سطحی معقول است.

برج ها و سازه هایی مانند برج های مخابراتی، دکل های بلند، برج های بلند، فانوس های دریایی و برج های مراقبت فرودگاه ها نیز از سازه هایى هستند که در آنها، عموماً جرم اصلی در بالای سازه به صورت پاندول وارونه متمرکز بوده و لذا، تغییر مکان رأس از نظر کاربردی و عدم ایجاد اختلال در ارسال و دریافت پیام های مخابراتی و همچنین راحتی استفاده کنندگان دارای اهمیت است.

میراگرهای دینامیکی، سیستم های ایجاد میرایی در سازه ها هستند که در دو دهه اخیر تحقیقات فراوانی به صورت تئوریک و تجربی بر نحوه عملکرد آنها انجام شده و در سازه های زیادی با موفقیت اجرا شده اند. جرم میراگر متوازن (TMD) و مایع میراگر متوازن (TLD) در اینن گروه قرار می گیرند.

سیستم کنترلى TMDیک میراگر غیر فعال نسبتاً جدید بوده که مطالعات و کاربردهای آن در سال هاى اخیر صورت گرفته است. این سیستم ابزاری است شامل یک جرم، یک فنر و یک میراگر که برای کاهش پاسخ دینامیکی سازه به آن نصب می شود و عملکرد آن، اساساً بر مبنای استهلاک انرژی ارتعاشی سازه به صورت حرکت نوسانی جرم میراگر است. بدین ترتیب که فرکانس TMD متناسب با فرکانس یکی از مودهای غالب سازه ای (معمولاً مود اول) تنظیم می‌شود. بنابراین زمانی که این فرکانس تحریک می شود حرکت TMD در فازی خارج از حرکت سازه تشدید شده و انرژی از طریق نیروی اینرسی ای که میراگر به سازه وارد می کند، مستهلک می شود.

عملکرد جرم میراگر متوازن در سازه هاى بلند مرتبه نتیجه برخی از پژوهش ها نشان می دهد که عملکرد جرم میراگر متوازن در برابر تحریک زلزله که محدوده فرکانسى وسیعترى را نسبت به باد مى پوشاند، به مشخصات زلزله بستگی دارد. تعدادی از محققین معتقدند که جرم میراگر متوزان تنها زمانی در کاهش پاسخ زلزله موثر است که زلزله وارد بر سازه دارای محدوده فرکانسی کوچک و مدت زمان طولانی باشد. به عبارت دیگر، از آنجا که پهناى باند فرکانسى نوسانات لرز ه اى پهن تر از حالت باد بوده و به علاوه در فرکانس هاى بالاتر نیز ارتعاشات قویتر است لذا مودهاى بالاتر نیز تحریک مى شوند و در نتیجه در نظر گرفتن تنها مود غالب ارتعاشى کافى نخواهد بود.

با توجه به عدم قطعیت موجود در پیش بینی زمین لرزه و همچنین مشخصات دینامیکی سازه مثل فرکان سهای طبیعی و نسبت استهلاک مودهای مختلف ارتعاشی، مفیدتر آن است که از تعداد میراگرهای بیشتر استفاده شود به نحوی که این میراگرها دارای فرکانس ارتعاشی با اندک اختلافی نسبت به هم باشند تا بتوان محدوده بیشتری از فرکانس ها را پوشش داد که به این گونه سیستم ها، میراگرهای چندگانه یا MTMDD اطلاق می شود.در این حالت حساسیت سیستم کنترلی به پارامترهایی مثل تحریک ورودی کاهش می یابد. به منظور بهبود عملکرد TMD مى توان از مواد ویسکوالاستیک در اتصال جرم آن به سازه اصلى بهره برد تا پاسخ لرزه اى سازه با استهلاک انرژی به روش های دیگر نیز صورت بگیرد.

یکی دیگر از مشکلات TMD آن است که نقطه اوج اول در پاسخ ارتعاشی را به سادگی نمی توان کاهش داد. چرا که TMD به صورت غیرفعال با فرکانس سازه اصلی تنظیم شده و به خاطر ارتعاشی با اختلاف فاز باعث کاهش لرزه می شود. از این رو، در لحظات اولیه وقوع زمین لرزه که اغلب دارای نوسانات قوی لرزه ای هم هستند، عملکردTMD چندان موثر نیست.

برای حل این مشکل نیز می توان از کنترل فعال یا نیمه فعال استفاده نمود.با وجود اینکه هنوز یک روال متعارف و یک استاندارد مشخص برای طراحی یک سیستم میراگر در یک سازه وجود ندارد، این سیستم به سرعت به یک جزء متعارف در سازه های بلند براى کنترل ارتعاشات ناشى از باد تبدیل شده و عملکرد آن نیز رضایت بخش ارزیابى شده است.

ملاحظات عملی جرم میراگر متوازن

بعضی از فاکتورهایی که انتخاب سیستم های کنترل لرزه برج ها و دیگر سازه ها را تحت تأثیر قرار می دهند، شامل موارد زیر هستند.

• کارآیی
• اندازه
• هزینه ساخت
• هزینه عملیات
• هزینه نگهداری و تعمیرات و امنیت

در طراحی سیستم میراگر جرمی، مقدار کاهش پاسخ دینامیکی که به طور اقتصادی قابل دستیابی است، در طراحی های متعددی مورد توجه قرار می گیرد. اولین عامل در طراحی اقتصادی، مقدار جرم اضافی است. این جرم حدود 1 الی 5 درصد جرم ساختمان است که معمولاً در بالای سازه قرار می گیرد. جرم های بزرگ تر از 400 تن نیز در این شرایط غیر متعارف نیستند.

جرم میراگر معمولاً از فلز یا بتن ساخته می شود و TMD باید در فضای مشخص شده برای عملیات قرار گیرد. مخازن ذخیره آب که از اجزاء اجباری تأسیسات ساختمان ها هستند، می توانند جایگزین خوبی برای این جرم ها باشند که در این صورت در فضا و تجهیزات تقویتی اضافی صرفه جویی قابل ملاحظه ای می شود.