تعبیه تانک‌ آب برای کاهش ارتعاشات زلزله در ساختمان‌ ها

یکی از روش‌ های کاهش ارتعاشات ساختمان ‎های بلند ناشی از نیروی باد و زلزله، استفاده از مخازن آب با ابعاد کنترل‌ شده در طبقات بالا یا بام است که میراگرهای مایع تنظیم شده" نام دارد.

میراگرهای ساختمانی، مستهلک‌ کننده انرژی ارتعاشی سازه ناشی از نیروی باد یا زلزله یا برخورد امواج اقیانوس‌ها هستند. پدیده کاهش تدریجی دامنه ارتعاش، میرایی نامیده می‌شود که طی آن انرژی جنبشی ارتعاشی سیستم بنا به مکانیسم های مختلفی مستهلک می‌شود. یکی از انواع میراگرها، میراگرهای مایع تنظیم شده نام دارد که مانند تانک‌های آب عظیم در بالای ساختمان‌ها قرار می‌گیرد و بر اساس مکانیسمی شامل ایجاد یک نیروی بازگشتی، خلاف جهت حرکت سازه و همچنین استهلاک انرژی با عبور آب از تیغه‌ها یا دریچه‌ها، می‌تواند پاسخ جابه‌جایی و شتاب سازه را تحت اعمال نیروهای جانبی به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

حمید بهبهانی، استاد دانشگاه و پژوهشگر حوزه مهندسی سازه در رابطه با میراگرهای مایع تنظیم‌ شده می‌گوید: جهت کاهش بهینه ارتعاشات سازه، فرکانس حرکت مایع داخل تانک‌ها به‌گونه‌ای تنظیم می‌شود که به فرکانس ارتعاش سازه‌ای که بر روی آن نصب شده، نزدیک باشد و به همین دلیل به آن‌ها "میراگرهای مایع تنظیم‌شده" گفته می‌شود؛ در ساختمان‌های بلند و آسمان خراش‌ها، تعبیه مخازن آب در بام برای استفاده در موقع ضرورت جهت اطفاء حریق لازم است و می‌توان با اعمال اصلاحاتی، از آن‌ها به صورت چند منظوره بهره برد.

این استاد دانشگاه افزود: این میراگرها نخستین بار در اوایل قرن بیستم در کشتی‌ها و سازه‌های دریایی از قبیل سکوهای نفتی برای کنترل ارتعاشات ناشی از امواج دریا استفاده شد؛ سپس برای کنترل ارتعاشات با دوره تناوب بالا در ماهواره‌ها به کار رفت و در دهه ۸۰ میلادی استفاده از این میراگرها در ساختمان با استقبال پژوهشگران و مهندسان بخش ساختمان از جمله مهندسان ژاپنی روبه‌رو شد.

وی با بیان اینکه هزینه نصب و نگهداری این نوع میراگرها در مقایسه با انواع دیگر اقتصادی‌تر است، ادامه داد: وزن میراگرها حدود ۰.۵ تا ۱ درصد از وزن ساختمان انتخاب می‌شود و به‌طور عمده به سه شکل هندسی مستطیلی، استوانه‌ای و یو شکل (U) ساخته شده که هر کدام ویژگی خاصی دارد؛ برای مثال میراگرهای استوانه‌ای می‌توانند کارایی خود را از هر جهتی که نیرو به ساختمان وارد شود حفظ کنند، یا میراگرهای U شکل که به "میراگرهای ستون مایع تنظیم‌شده" معروف هستند، در مفهوم ساده‌تر بوده و تنظیم مشخصات آن به سهولت، قابل انجام است و در مجموع رفتار پیش‌بینی‌شده‌تری دارند.

بهبهانی با اشاره به مطالعات علمی انجام‌شده در این زمینه خاطر نشان کرد: تعبیه میراگرهای مایع تنظیم‌شده در بالای ساختمان‌های بلند می‌تواند تا ۴۰ درصد از پاسخ جابه‌جایی و پاسخ شتاب ساختمان در اثر نیروی باد یا زلزله بکاهد.

 در ادامه سه نمونه از ساختمان‌های مجهز به میراگرهای مایع تنظیم شده معرفی می‌شود.

مرکز تجاری کامکست، فیلادلفیا

یکی از نمونه‌های موفق کاربرد میراگرهای مایع تنظیم‌شده، تعبیه آن در دومین ساختمان بلند ایالت پنسیلوانیای آمریکا یعنی مرکز تجاری کامکست در شهر فیلادلفیا است که با ارتفاع ۲۹۷ متر در ۵۷ طبقه ساخته شد. بعد از پایان سفت‌کاری این آسمان‌خراش، مشخص شد سرعت باد در آن منطقه بیشتر از میزان برآورد شده در طراحی است و بنابراین شتاب سازه از حد مجاز فراتر رفته و آسایش ساکنان سلب می‌شود.

طراحان با تعبیه یک میراگر ستون مایع تنظیم‌شده در بام به وزن ۱۳۰۰ تن توانستند پاسخ جابجایی و شتاب سازه را در محدوده مجاز حفظ کنند. این میراگر همچنین به‌ عنوان مخزن ذخیره آب ساختمان برای مواقع ضروری از قبیل اطفای حریق بکار می‌رود. به گفته طراحان، با این روش صرفه‌جویی قابل توجهی از نظر اقتصادی نسبت به راهکارهای جایگزین انجام شد و حتی در طراحی مجدد، طراحان چندین طبقه دیگر به طرح اولیه اضافه کردند. 

مرکز وان وال، ونکور، کانادا

ساختمان وان وال در شهر ونکور کانادا یک آسمان‌خراش ۱۵۸ متری ۴۸ طبقه است که بنای آن در سال ۲۰۰۱ به اتمام رسید؛ این آسمان‌خراش دارای پلان بیضی شکل و نسبت ارتفاع به پهنای ساختمان تقریبا ۱:۷ است.

در بالای این ساختمان دو میراگر ستون مایع تنظیم‌شده، تعبیه شده است که ارتعاشات ناشی از نیروی باد را کاهش داده و به تامین آسایش ساکنین منجر می‌شود. هر کدام از میراگرها ۱۸۳ متر مکعب آب را در خود جای می‌دهد و دارای ارتفاعی معادل چهار طبقه است. با تعبیه این نوع میراگر، دو میلیون دلار در مقایسه با تجهیز ساختمان به دیگر انواع میراگرها از قبیل میراگرهای جرمی تنظیم‌شده، صرفه جویی شد.           

برج ترافیک فرودگاه ناگازاکی، ژاپن

برج ترافیک فرودگاه ناگازاکی در ژاپن با ارتفاع ۴۲ متر در سال ۱۹۸۷ ساخته شد؛ این برج مجهز به ۲۵ عدد میراگر مایع تنظیم‌شده استوانه‌ای شکل است که در مجموع ۹۵۰ کیلوگرم وزن دارند. بعد از نصب این میراگرها از نوع کم عمق، میرایی سازه، پنج برابر افزایش یافت و به ‌طور تقریبی ۳۵ درصد از پاسخ جابجایی سازه ناشی از نیروی باد کاسته شد.

منبع