مقاله تحلیلی: کاهش بار باد در ابر سازه‌ها

مزیت سیستم‌های میراگر جرمی تنظیم‌شده

در شهرهای توسعه‌یافته در سراسر جهان، زمین برای ساخت‌وساز کمیاب است. روند سال‌های اخیر، ساخت آسمان‌خراش‌های باریک و بلند است. این سازه‌ها نیاز به ملاحظات خاص جهت کاهش اثر نیروی باد بر سطح سازه می‌باشند. نیروی باد می‌تواند سبب نوسان و پیچ خوردن سازه به‌خصوص در طبقات بالایی شود و شتاب ایجادشده ناشی از آن در سازه می‌تواند برای بسیاری از ساکنین مشکل ایجاد کند. استفاده از سیستم میرایی جرمی، در سال‌های اخیر به‌عنوان راه‌حلی جهت کاهش اثرات ارتعاشی ناشی از باد در سازه‌های لاغر فوق بلند، شناخته می‌شود.

سیستم TMD با سیستم فرکانس طبیعی سازه، تنظیم می‌شود و %90 نیروهای خارجی را در فرایند میرایی مستهلک و به این شکل آرامش ساکنین را فراهم می‌کند. قبلاً این سازه‌ها با استفاده از مصالح معمول، با المان‌های سازه‌ای سخت‌تر و سنگین‌تر و سیستم باربر جانبی ساخته می‌شدند تا بتوانند در برابر شتاب ناشی از بار باد مقاومت کنند. بااین‌حال در طراحی به شیوه TMD مهندسین می‌توانند سیستم‌های سازه‌ای سبک‌تر با اعضایی انعطاف‌پذیرتر طراحی کنند که مزیت صرفه‌جویی در هزینه‌ها را هم به همراه دارد.

یک سیستم متداول در آسمان‌خراش‌ها، سیستم آونگی است. روش‌های مختلفی برای پیکربندی یک سیستم در جهت کنترل شتاب سازه وجود دارد. سیستم آونگی با استفاده از قطعات مکعبی فولادی مانند یک توده جرمی بزرگ در یک سیستم کابلی یا اتاقی درون سازه عمل می‌کند.

  چرا TMD برای کاهش خطر باد سیستم مناسبی است؟

بر اساس داده‌هایی که طی سال‌ها به‌دست‌آمده، می‌توان شدت باد را پیش‌بینی کرد و اتفاقاتی که در سازه در مکان خاصی روی می‌دهد را با استفاده از تجزیه‌وتحلیل مهندسی و تعیین فرکانس طبیعی برآورد کرد. سیستم‌های TMD ازلحاظ تئوری سبب کاهش تقاضای ناشی از نیروهایی، مانند نیروی لرزه‌ای شده بااین‌حال، حرکات لرزه‌ای زمین سبب ایجاد فرکانس قوی در سازه می‌شود.

بنابراین این سیستم در کاهش اثر نیروی لرزه‌ای مؤثر نیست. اگر زمین‌لرزه در نزدیکی آسمان‌خراشی رخ دهد سیستم TMD ممکن است سبب محافظت از ساختمان شود اما ممکن است تنها سبب کاهش نیروهای لرزه‌ای نزدیک به فرکانس تنظیم‌شده شود؛ بنابراین هنگامی‌که به دنبال کاهش اثرات نیروهای باد بر روی یک سازه با یک فرکانس طبیعی باشیم، سیستم TMD راه‌حل ایده آلی است.

بااین‌حال فرکانس سازه در طی زمان تغییر می‌کند، درنتیجه نیاز به خدمات دوره‌ای TMD ها خواهیم داشت. اگرچه ساختار یک ساختمان و نیروی وزش باد خارجی معمولاً ثابت باقی می‌ماند، طبقه خاصی ممکن است برای اهداف دیگری غیر از آنچه در طراحی اصلی بوده مورد استفاده قرار گیرد. به‌عنوان‌مثال، اگر یک فضا در اصل به شکل یک ورزشگاه طراحی‌شده باشد، اما در حال تبدیل به یک استخر شنا باشد، مقدار قابل‌توجهی وزن به طبقه اضافه می‌شود. وزن اضافی می‌تواند، به‌نوبه خود، سبب تغییر فرکانس طبیعی ساختمان شود؛ بنابراین توانایی تنظیم شدن سیستم میرایی جرمی در طول زمان برای ثابت نگه‌داشتن فرکانس سازه ضروری است.

مزایای FVD ها در سیستم TMD

در سیستم‌های TMD ممکن است چند فن‌آوری میرایی اختصاصی یعنی ترکیبی از مایع ویسکوز و میراگر در کنار سیستم آونگی مورد استفاده قرار گیرند. هدف بهبود راحتی و ایمنی و کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری سیستم TMD است. FVD ها با اضافه کردن میرایی به ساختمان سبب کاهش پاسخ سازه در اثر نیروی خارجی باد می‌شوند.

FVDs دستگاه‌های غیرفعال اتلاف انرژی هستند که طی سیکل‌های متعدد انرژی جنبشی را به گرما تبدیل می‌کنند.

FVD ها در یک سر متصل به سیستم سازه‌ای شده و در سر دیگر به سیستم آونگی متصل می‌شوند. به این شکل میرایی جابجایی‌های تفاضلی ناشی از تغییر شکل خارج از فاز جابجایی آونگ بهبود می‌یابد. FVD سبب اتلاف انرژی، از طریق ایجاد اصطکاک جنبشی که خود با ایجاد انرژی گرمایی به دست می‌آید، می‌شود. این گرما توسط سیستم تهویه مطبوع ساختمان کنترل می‌شود. اصطکاک جنبشی در مایع هیدرولیک پیستون ایجاد می‌شود. میله پیستون مایع هیدرولیک داخلی را به داخل حفره‌های طراحی‌شده می‌راند. مقاومت تولید شده در این فرایند همان عملکرد میرایی است.

باید توجه داشت که یک آسمان‌خراش با یک سیستم میرایی جرمی همچنان در طبقات بالا که میزان شتاب زیاد است، دچار انحراف می‌شود. هدف اصلی از سیستم‌های TMD کم کردن میزان شتاب ساختمان است به‌طوری‌که برای ساکنین ساختمان محسوس نباشد و از حرکات زیان‌آور جلوگیری کند. متأسفانه فقط در برخی نقاط شهری و برخی از نقاط توسعه‌یافته نیویورک از این سیستم استفاده‌شده است.

 طراحی سیستم‌های TMD با استفاده از تکنولوژی میراگر ویسکوز آسایش و راحتی ساکنین و ایمنی را افزایش و نیز هزینه‌ چرخه عمر سیستم را کاهش می‌دهد.

نتیجه‌گیری

این مهم است که برای هماهنگ کردن FVD و TMD طراحی حساب‌شده‌ای با همکاری تولیدکننده، طراح و مهندسین صورت گیرد. استفاده از سیستم میرایی جرمی تنظیم‌شده جهت کاهش اثرات باد به‌خصوص برای زیرساخت آسمان‌خراش‌ها بسیار مفید است. میراگرهای ویسکوز مایع یک راه‌حل مؤثر برای بهبود عملکرد سیستم‌های TMD و بهبود ایمنی در ساختمان می‌باشند.

منبع

ترجمه شده توسط تیم مترجمین ۸۰۸

اگر دوست دارید به تیم مترجمین ۸۰۸ بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.