مقاله تحلیلی: لرزش ناشی از فعالیت های انسانی در سازه ها

ارتعاشات ناشی از قدم زدن و کمینه ساختن آن

انسان‌ها مدام در حال حرکت هستند. آن‌ها تمایل به تجمع و رفت‌وآمد دارند. تمامی این عبور و مرورها اگر در محل اشتباه و در یک سازه آسیب‌پذیر رخ دهد، سازه به دلیل ارتعاش ناشی از رزونانس دچار آسیب می‌شود. افزایش تشدید سازه‌ای ناشی از قدم‌های انسان- راه رفتن، دویدن آرام، دویدن، پرش، رقصیدن- می‌تواند در بهترین حالت ناراحت‌کننده و در بدترین حالت خطرناک باشد.

نیروهای ناشی از قدم‌های انسان می‌تواند ارتعاش غیرقابل‌قبولی را به دلایل مختلف تولید کند. به‌عنوان مثال:

• دویدن فرکانس بالایی (نسبت به محدوده فعالیت انسان) دارد.
• ایروبیک ریتمیک و موزون است.
• سازه در قسمت‌هایی آسیب‌پذیر است مانند دهانه بلند و انعطاف‌پذیر.
• فضاهای دارای کاربری‌های متفاوت مجاور همدیگر هستند مانند ادارات در کنار سالن ژیمناستیک.

مرکز بزرگ سرگرمی کالج Boston با چالش‌هایی در تمامی این زمینه‌ها روبرو بود. در این پروژه دو ترند معماری که مستلزم ملاحظات دقیق مسائل ارتعاشی هستند، مطرح بود.

اول اینکه این از طراحی دهانه‌های بلند مهار نشده برای سالن ژیمناستیک استفاده شد. به‌طورکلی دهانه‌های بلند داخلی جذاب هستند زیرا انعطاف‌پذیری بیشتری را در طراحی فضاها، استفاده بهتر از روشنایی روز و انطباق‌پذیری بهتر برای کاربری‌های آینده امکان‌پذیر می‌سازند. در سازه کالج Boston، این دهانه‌ها فضای فوق‌العاده بزرگی را برای ورزش تأمین کردند. این سازه‌های دهانه بلند انعطاف‌پذیر تحت نیروهای فرکانس پایین (مانند گام‌های انسان) امکان ارتعاش بیشتری دارند.

دوم اینکه این مرکز یک مجموعه چندمنظوره با کاربری‌های مختلف است که نزدیک بخش اداری قرار گرفته است. قرارگیری هم‌زمان فعالیت‌های متفاوت در یک سازه یکسان، ویژگی اساسی‌ترند «زندگی- کار- بازی- خوردن-خریدن» است. مسئله‌این است که تحمل ارتعاش انسان شدیداً به محیط بستگی دارد. در سازه‌هایی با کاربری ترکیبی، میزان تلرانس از یک فضا به فضایی دیگر تغییر می‌کند اما ارتعاش تغییر نمی‌کند.

مفاهیم کلیدی

در طراحی ارتعاش باید سه مسئله در نظر گرفته شود: منبع ارتعاش، مسیر انتقال و دریافت‌کننده ارتعاش – که شخص، ماشین، ابزار یا المان سازه‌ای تحت تأثیر ارتعاش است. ترتیب فوق نشان می‌دهد که ارتعاش چگونه رخ می‌دهد، اما در اینجا تغییر این ترتیب و شروع از دریافت‌کننده ارتعاش می‌تواند مفید باشد. درنهایت اینکه دریافت‌کننده ارتعاش تعیین می‌کند که آیا طراحی موفقیت‌آمیز بوده است یا خیر.

دریافت‌کننده ارتعاش: احساس

معمولاً هدف از کنترل ارتعاش راحتی انسان است اما در برخی از حالات هدف بهبود عملکرد تجهیزات حساس سازه‌ها است.

احساس انسان از ارتعاش به سه عامل بستگی دارد. دو عامل اول فرکانس و دامنه است که به‌صورت فیزیولوژیکی احساس می‌شود. سومین عامل کاربری است که این عامل اساساً تعیین می‌کند که ارتعاش به چه نحوی به‌صورت فیزیولوژیکی دریافت می‌شود. درجه‌ای که افراد ارتعاش را تحمل می‌کنند بسته به این شرایط به‌طور قابل‌توجهی تغییر می‌کند: موقعیت (در خیابان، در باشگاه ورزشی، در اداره، در خانه)، زمان (صبح، شب)، مدت دوام (ثانیه یا ساعت) و غیره.

شکل 1 سطوح قابل‌قبول ارتعاش طبقه را در فضاهای قابل سکونت انسان نشان می‌دهد؛ مقادیر پایین‌تر از منحنی‌ها قابل‌تحمل هستند. این نمودار هر سه ویژگی را به یکدیگر مرتبط می‌سازد: فرکانس، دامنه و محیط. بااین‌حال این منحنی‌ها غالباً اشتباه درک می‌شوند که درنتیجه آن ساختمان‌ها با مسائل کاهش خطر روبرو خواهند داشت که ممکن است اصلاً نیاز به آن‌ها نباشد.

نکته اول، محور y: سازه چه مقدار حرکت می‌کند. اولین منبع ابهام نیز همین موضوع است. محور y دامنه را به‌صورت جابجایی نمی‌دهد اما این دامنه را به‌صورت شتاب حداکثر گزارش می‌دهد. به‌منظور بررسی اینکه چرا شتاب به‌صورت جایگزین برای دامنه عمل می‌کند، دو سازه را که در فرکانس یکسان حرکت می‌کنند یا زمان یکسانی را برای یک چرخه اما با دامنه‌های متفاوت طی می‌کنند، در نظر بگیرید. سازه‌ای که دامنه بزرگ‌تری را طی می‌کند باید سریع‌تر حرکت کند تا فاصله بیشتری را در یک زمان یکسان پوشش دهد؛ بنابراین وقتی‌که حرکت سازه تغییر جهت می‌دهد، این سازه شتاب بزرگ‌تری را تجربه می‌کند.

نکته دوم، محور x: فرکانس. این محور پیچیده نیست اما پاسخ انسان پیچیده است. به‌طورمعمول، تحریک شدید باعث پاسخ‌های شدید نیز می‌شود. در مورد ارتعاش به‌طور غیرمتعارف، تغییر جهت در هردو انتهای منحنی نشان می‌دهد که ما در دو انتهای فرکانس حساسیت کمتری داریم. به‌عنوان مثال نقطه انتهایی سمت چپ منحنی بالایی را در نظر بگیرید. این بدین معنی است فردی که در محیط روباز می‌تواند ارتعاش را در 10% g (که g شتاب ثقلی است) و 1 Hz تحمل کند معادل است با فردی که احتمالاً بر روی پل عابر پیاده روباز آرام قدم می‌زند (یا می‌پرد)؛ اما حرکت در فرکانس 4 Hz شاید معادل با فردی که بر روی پل عابر پیاده می‌دود- شخص می‌توانست تنها ارتعاش 5% g را تحمل کند، باشد.

منحنی پایینی باید بیشتر شرح داده شود: این منحنی آستانه قابلیت احساس است. پایین‌تر از این سطح، ارتعاش احساس نمی‌شود.

منبع

ویژگی کلیدی که باید درباره منبع دانسته شود طیف فرکانس آن است. انواع مختلف تحلیل فرکانس را می‌توان استفاده کرد. نیروهای ناشی از قدم زدن معمولاً کم فرکانس هستند:

• قدم زدن: 1.5-2.2 Hz
• دویدن: 2-4 Hz
• حرکت روبه پایین از پله‌ها: 1 – 4.5 Hz
• حرکت هم‌زمان چند نفر: 1 – 3 Hz

هردو فرکانس اصلی قدم زدن (شکل 2a) و حرکات هارمونیک (شکل 2b) باید درنظرگرفته شوند، اما همان‌طور که در بخش بعدی شرح داده می‌شود، حرکات هارمونیک معمولاً نگرانی کمتری ایجاد می‌کنند.

مسیر انتقال

چگونگی پاسخ یک سیستم دینامیکی به نیروهای ارتعاش به ویژگی‌های مسیر انتقال سیستم وابسته خواهد بود: جرم، سختی (نیروی بازگرداننده) و میرایی آن (استهلاک انرژی).

هر نوسانگری دارای فرکانسی است که در آن پاسخ قوی‌تری دارد: فرکانس طبیعی آن. زمانی که فرکانس نیرویی نزدیک به فرکانس طبیعی باشد، اثر رزونانس ایجاد می‌شود: نوسان شدت می‌یابد. زمانی که سیستم هیچ راهی برای استهلاک انرژی ارتعاشی ایجاد شده نداشته باشد –درواقع میرایی پایینی داشته باشد – نتیجه، یک پاسخ رزونانسی بزرگ خواهد بود.

مسئله اصلی به لحاظ راحتی ساکنین زمانی اتفاق می‌افتد که فرکانس اصلی فعالیت (شکل 2a) با فرکانس طبیعی طبقه برابر شود. حرکات هارمونیک تر نیز می‌توانند سازه را تحریک کنند اما نگرانی کمتری دارند زیرا دامنه کوتاه‌تری داشته و لذا انرژی کمتری دارند؛ همچنین طبقات نسبت به این فرکانس‌های بالاتر واکنش کمتری دارند.

در سیستم‌های کف مدل‌های RWDI از روش‌های پیشنهادی موسسه سازه‌های فولادی (P354) و مرکز بتن (CCIP-106) استفاده می‌شود. ازآنجایی‌که این مدل‌ها برمبنای روش‌های المان محدود هستند، بارگذاری و پاسخ را می‌توان برای هر نقطه از طبقه تعیین کرد؛ علاوه بر این، مودهای ارتعاشی بالاتر را می‌توان مورد بررسی قرار دارد.

یک جنبه ضروری از ارزیابی نتایج، چارچوب مرجع مورداستفاده است. پاسخ یک سازه را می‌توان با چندین روش مدل‌سازی و محاسبه کرد: به‌عنوان مثال روش‌های پاسخ حداکثر تا حداکثر، پاسخ فرکانسی یک‌سوم، پاسخ فرکانسی نوار باریک و شتاب جذر مجموع مربعات (RMS). ازآنجایی‌که داده‌ها در هر یک از این چارچوب‌ها به‌صورت متفاوتی پردازش می‌شوند، بزرگی پاسخ متفاوت خواهد بود؛ بنابراین درزمان ارزیابی اینکه آیا پاسخ سازه از معیارهای موردنظر بیشتر است یا خیر، باید معیار موردنظر و اطلاعات پاسخ سازه از یک چارچوب مرجع یکسان باشند. داده‌های پاسخ در حوزه زمانی را می‌توان به هر چارچوب تبدیل کرد.

کاهش پیامدها

استراتژی کاهش پیامدهای ناشی از ارتعاش ممکن است راهکارهای معماری یا سازه‌ای باشد. راهکارهای معماری می‌تواند شامل جابجا کردن دریافت‌کننده (مانند دفاتر اداری) یا جابجا کردن محل عبور افراد یا مراکز فعالیت باشند. تغییرات سازه‌ای می‌تواند شامل استفاده از طبقاتی با وزن بیشتر، تیرهای سخت‌تر، ستون‌های بینابینی یا میراگرهای مکمل باشد.

تحمل انسان در برابر ارتعاش بستگی به فرکانس آن دارد که در فرکانس‌های بیشتر، مقدار این تلورانس بیشتر است؛ بنابراین نکته کلیدی در راهکارهای سازه‌ای کاهش پیامد ارتعاش، استفاده از ظرفیت طبقات به‌منظور کاهش ارتعاش در فرکانس مناسب است. در این صورت است که طبقات می‌توانند طوری «تنظیم» شوند که در فرکانس نیرویی پاسخ کمتری داشته باشند. بازدهی این روش همان‌طور که در شکل 3 نشان داده شده است بستگی به این دارد که فرکانس نیرویی در چه نقطه‌ای بر روی منحنی پاسخ طبقه می‌افتد.

یک راه‌حل برای این روش، طبقه معلق همراه بااحتیاط است. این نوع طبقه دارای فرکانس اصلی بسیار پایین‌تر از منبع ارتعاش است که می‌تواند به‌صورت یک جداگر در فرکانس‌های بالا عمل کند. از طبقات معلق به‌طور موفقیت‌آمیزی برای ماشین‌آلات استفاده می‌شود اما این نوع طبقات برای فعالیت‌های انسانی کارکرد خوبی ندارند زیرا برای جداسازی فرکانس‌های کوتاه طراحی نشده‌اند. بااین‌حال طبقات معلق را می‌توان تا فرکانس‌های مناسب به‌صورت سفارشی، مثلاً برای مراکز بدن‌سازی، طراحی کرد.

یکی دیگر از روش‌های پیشنهادی بسیار رایج طبقه ارتجاعی است. این روش کاملاً ناکارآمد است. هدف از این طبقات معمولاً کمینه ساختن نیروی وارد بر اتصالات است تا افراد در حال تمرین آسیب نبینند.

زمانی که میرایی اضافی قابل‌ملاحظه‌ای موردنیاز است و راهکارهای سازه‌ای دیگر قابل دستیابی نیست، یکی از راه‌حل‌ها اضافه کردن سیستم میرایی مکانیکی است. یکی از فواید این‌گونه سیستم‌ها این است که می‌توانند دقیقاً تا فرکانس موردنیاز آن‌ها را تنظیم کرد.

مطالعه موردی

هدف از تحلیل ارتعاش این است که مشخص شود فرکانس منبع، پاسخ تشدید را در سازه ایجاد می‌کند یا خیر. مراحل تحلیل ارتعاشی عبارت‌اند از:

• شناسایی ویژگی‌های فرکانسی و نیروهای منبع
• مدل‌سازی مودهای ارتعاشی سازه
• ارزیابی پاسخ سازه در فرکانس‌های منبع که شامل حرکات هارمونی منبع نیز می‌شود.
• مقایسه پاسخ با معیار تلرانس، با استفاده از معیاری که با مقدار مرجع پاسخ همخوانی دارد.
• مدل‌سازی پاسخ با راهکارهای کاهش پیامد در محل

RWDI این نوع تحلیل را برای یک مرکز تفریحی که توسط شرکت Cannon برای کالج بوستون در نیوتن ماساچوست طراحی شده است، انجام داد. این سازه 4 طبقه 244000 فوت مربعی چهار زمین بسکتبال، سه زمین تنیس، چند استخر، دو زمین چندمنظوره و اتاق‌های چندمنظوره برای یوگا، دوچرخه ثابت و دیگر کلاس‌های فیتنس را تأمین خواهد کرد. فرآیند ساخت در بهار سال 2017 آغاز شده و انتظار می‌رود تا پایان تابستان سال 2019 تکمیل شود.

شرکت طراحی CannonDesign به دلیل ترکیب دو ویژگی زیر درخواست بازبینی مسائل ارتعاش را داشت:

۱. دو دهانه بلند نامتعارف بدون تکیه‌گاه:

• باشگاه تنیس دارای ابعاد 115 تا 137 فوت (35 متر در 42 متر)
• باشگاه بسکتبال دارای چهار زمین که بخشی با ابعاد 107 در 161 فوت آن معلق است (33 در 49 متر)

۲. سیستم کف بتنی برای این دهانه‌ها که متشکل از قطعات T شکل دوبل پیش‌ساخته بر روی بخش خمیده پیش‌ساخته است.

این دهانه‌ها نسبت به دهانه متعارف بتنی که 30 در 30 فوت (9 متر در 9 متر) است، بسیار بزرگ‌تر است. سیستم کف بتنی نامعمول نیست اما به لحاظ انتقال ارتعاش، این اتصالات بتن روی بتن نسبت به سازه‌های متعارف با اتصالات بتن روی فولاد رفتار متفاوتی دارند.

این گزینه‌های سازه‌ای به‌این‌علت ایجاد شده‌اند که یک طراحی چندطبقه به‌منظور اجرای برنامه موردنیاز در سایت موردنظر ضروری بوده است. طراحان سیستم‌های سازه‌ای را موردبررسی قرار دادند که ابعاد سازه‌ای را کمینه ساخته و فضاهای قابل‌استفاده را بیشینه سازند. خم‌های بتنی پیش‌ساخته پس کشیده هم ابعاد کوچک و هم قابلیت‌های سازه‌ای که برای طرح موردنیاز است به همراه زیبایی سبک Collegiate Gothic را تأمین کرده است.

از RWDI خواسته شد که سه سناریوی زیر را ارزیابی کند:

1. استفاده از مجموعه ورزشی تنیس (دهانه بدون تکیه‌گاه)
2. استفاده از مجموعه ورزشی چهار سالنه بسکتبال/دو (دهانه بدون تکیه‌گاه)
3. استفاده از یک فضای تمرینی چندمنظوره نزدیک به دفاتر که در مجموعه ورزشی سالن تنیس قرار گرفته است.

شکل 4 سیستم بتنی در حال ساخت و شکل 5 مدل المان محدود مجموعه ورزشی چهار سالنه بسکتبال را نشان می‌دهد.

بتن به‌عنوان سطح انتقالی هیچ مسئله‌ای را ایجاد نمی‌کند؛ اما حضور سطوح بتن روی بتن، اصلاحاتی را در محاسبات می‌طلبد. این سطوح نسبت به سطوح بتن و فولاد متعارف خرابی متفاوتی دارند. بتن ترک‌خورده معمولاً به‌صورت یک عضو توپر عمل می‌کند زیرا اصطکاک بین اعضا آن را نگه می‌دارد. در این شرایط، انتظار می‌رود تیرها به دلیل خرد شدن در لبه‌ها تخریب شوند که یک شکاف را بین قسمت T شکل و تیری که روی آن مستقر شده است، ایجاد می‌کنند. مدل با تغییر تیرها از پیوسته به مفصلی اصلاح شد.

اصلاح دیگر در سناریوهای بارگذاری انجام شد. بارگذاری مناسب نبود؛ در عوض مدل باید کاربری‌های هم‌زمان توسط گروه‌های متمایز درگیر در فعالیت‌های مختلف را در نظر می‌گرفت (دویدن در مقایسه با بسکتبال). تجربه پیشین در مراکز فیتنس با مقیاس کوچک‌تر به انتخاب سناریوهای موردنظر کمک کرد. چندین سناریو شناسایی شد- به‌عنوان مثال، دونده‌های ناهماهنگ در میدان. این مدل برای محاسبه دو مورد استفاده شد: 1) سختی طبقه که برای ارضای معیارهای لازم برای این سناریوها موردنیاز بود و 2) در آن سختی، تعداد افرادی که بدون تجاوز از مقدار آن می‌توانند حضور داشته باشند.

 نتایج غیرقابل‌انتظار بودند. طراحان درباره مسائل احتمالی در نواحی مجموعه ورزشی نگران بودند اما تنها موقعیتی که از ضوابط معیاری تجاوز کرد در مکانی دیگر بود: یک فضای چندمنظوره مجاور دفاتر اداری در یک ناحیه دارای ساخت متعارف. درصورتی‌که 50 نفر ورزش ایروبیک را به‌صورت هماهنگ در این فضای چندمنظوره انجام دهند، ارتعاش در فضای اداری می‌توانست از مقادیر معیار برای دفاتر اداری تجاوز نماید.

دلیل این نتیجه، جرم نسبی است. در باشگاه ورزشی، دونده‌ها یک جرم بسیار کوچک هستند که یک سازه بسیار سنگین را تحریک می‌کنند؛ حتی یک سازه بسیار انعطاف‌پذیر پاسخ زیادی را از خود نشان نخواهد داد. در اتاق دارای کاربری چندمنظوره، باوجوداینکه فضا سختی بیشتری دارد، جرم بیشتری (50 نفر) یک ناحیه کوچک‌تر را تحریک می‌کنند.

به علت راهکار طبقات نامتعارف، مهندس سازه پروژه باید مشخصات عملکردی را در اسناد طراحی دخیل می‌کرد. یک تحلیل ارتعاش مشابه برای پیمانکار عمومی انجام شد تا شود کند اصلاحات بعدی، مشخصات عملکردی را ارضا می‌کنند یا خیر.

خوشحال نگه‌داشتن افراد مضطرب

به‌طورکلی ساختمانی که دارای مشکلات ارتعاشی است، احتمال دارد همیشه مشکلات ارتعاشی داشته باشد. این‌گونه مسائل از دشوارترین مسائلی هستند که در بهسازی‌ها مشاهده می‌شوند؛ بنابراین بررسی بسیار پیشرفته‌تر در موارد زیر برای داشتن سازه‌ای با عملکرد بهتر توصیه می‌شود.

• سازه‌هایی با دهانه بلند و انعطاف‌پذیر بیشترین احتمال را دارند که پاسخ نامطلوب را نسبت به تحرکات انسانی نشان دهند.
• تلاش‌های کاهش پیامد به بهترین نحو بر روی حذف پاسخ ارتعاشی در محدوده 4 تا 8 هرتز که تحمل انسان کمترین است، متمرکز می‌شوند.
• ملاحظات ویژه باید زمانی اختصاص داده شوند که افراد در فضاهای پیرامونی انتظارات متفاوتی دارند. ارتعاش برای مرزهای موجود در طراحی‌های ساختمانی تفاوتی قائل نمی‌شود.

با آگاهی از این سناریوهای بحرانی، طراحان و مهندسان می‌توانند به مردم کمک کنند تا از فعالیت بدون وقفه خود لذت ببرند.

منبع

 نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

 اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 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.