مقاله تحلیلی:‌ سیستم‌ های کنترل لرزش در سازه‌ ها

مقدمه

سازه‌ها همواره در معرض بارهای زلزله و باد که گاهی بزرگ هم هستند، قرار دارند. سازه‌ها در طول عمر خود ممکن است لرزش‌های جدی تجربه کنند. این لرزش‌ها را می‌توان از بی‌خطر تا شدید دسته‌بندی کرد. لرزش‌های شدید منجر به وارد شدن خسارت‌های جدی و گاهی فروریزش سازه می‌شوند.

محافظت از سازه در مقابل لرزش

• روش سنتی طراحی لرزه‌ای – (افزایش سختی سازه با بزرگ کردن مقطع ستون‌ها، تیرها، دیوارهای برشی یا دیگر اعضا)
• روش مدرن از طریق کنترل سازه– (با نصب تجهیزات، مکانیسم‌ها، زیر سازه‌ها در سازه برای تغییر یا تنظیم عملکرد دینامیکی سازه)

اصول پایه‌ کنترل پاسخ لرزه‌ای

سیستم‌های کنترلی میرایی سازه را افزایش و یا مشخصات دینامیکی سازه را تغییر می‌دهند. افزایش میرایی، ظرفیت مستهلک کردن انرژی سازه را افزایش می‌دهد. تغییر سختی سازه می‌تواند از تشدید در اثر رزونانس خارجی جلوگیری کند و در نتیجه پاسخ لرزه‌ای سازه کاهش می‌یابد.

حفاظت لرزه‌ای

1. سیستم‌های کنترل غیرفعال
2. سیستم‌های کنترل فعال
3. سیستم‌های کنترل نیمه فعال
4. سیستم‌های کنترل ترکیبی

سیستم‌های کنترل غیرفعال

سیستم کنترل غیرفعال نیاز به منبع انرژی خارجی ندارند و از حرکت سازه برای مستهلک کردن انرژی لرزه‌ای یا جداسازی لرزش‌ها به‌گونه‌ای که پاسخ سازه کنترل شود، استفاده می‌کند. تجهیزات کنترل غیرفعال عبارت‌اند از:

1. جداسازی پی
2. تجهیزات استهلاک انرژی غیرفعال (PED)

جداسازی پی

اگر یک ساختمان روی مصالحی قرار بگیرد که سختی جانبی کمی دارد، مانند لاستیک، پیِ انعطاف‌پذیری به دست می‌آید.

در طول زلزله پی انعطاف‌پذیر قادر است فرکانس‌های بالا را از حرکت زمین فیلتر کرده و از آسیب دیدن یا فروریختن ساختمان جلوگیری کند.

• انحراف انرژی لرزه‌ای و
• جذب انرژی لرزه‌ای

انواع مختلف جداساز پی

تکیه‌گاه‌های الاستومری

• تکیه‌گاه لاستیکی مصنوعی یا طبیعی با استهلاک کم
• کیه‌گاه لاستیکی طبیعی با استهلاک زیاد
• تکیه‌گاه سربی لاستیکی (لاستیک طبیعی با استهلاک کم به همراه هسته‌ی سربی)

تکیه‌گاه‌های لغزشی

• تکیه‌گاه‌های لغزشی مسطح
• تکیه‌گاه‌های لغزشی کروی

اجزا:

• لایه‌های لاستیک: انعطاف‌پذیری جانبی را فراهم می‌کنند.
• قطعات فلزی که وظیفه‌ی ایجاد سختی عمودی برای تکیه کردن وزن ساختمان به آن و محدود کردن محدب شدگی جانبی لاستیک را بر عهده دارند.
• درپوش سربی: منبع استهلاک انرژی را تأمین می‌کند.

تکیه‌گاه‌های لاستیکی مصنوعی یا طبیعی با استهلاک کم

رفتار خطی در برش برای کرنش‌های برشی تا 100% و بالاتر

نسبت استهلاک = 2 تا 3 درصد

مزایا:

• ساخت آسان
• مدل‌سازی آسان
• پاسخ آن حساسیت زیادی به میزان بارگذاری، دما و سن آن ندارد.

معایب:

• نیاز به سیستم استهلاک مکمل دارد.

تکیه‌گاه لاستیک طبیعی با استهلاک بالا

• استهلاک با کربن سیاه بسیار نرم، روغن‌ها یا رزین‌ها و دیگر فیلرهای اختصاصی افزایش داده می‌شود.
• حداکثر کرنش برشی = 200 تا 350 درصد
• نسبت استهلاک = 10 تا 20 درصد در کرنش برشی 100%
• سختی مؤثر و استهلاک آن به موارد زیر بستگی دارد:
• الاستومر و فیلرها
• فشار تماس
• سرعت بارگذاری
• دما

تکیه‌گاه‌های سربی – لاستیکی

• می‌توان ویژگی‌های استهلاکی آن را با اضافه کردن یک هسته‌ی سربی در تکیه‌گاه بهبود بخشید.
• استهلاک تکیه‌گاه سربی – لاستیکی بین 15% تا 35% است.
• عملکرد آن به نیروی جانبی اعمالی بستگی دارد.
• استهلاک هیسترتیک باانرژی جذب‌شده توسط هسته‌ی سربی ایجاد می‌شود.
• حداکثر کرنش برشی = 125 تا 200 درصد

تکیه‌گاه‌های لغزشی

حاصل‌ضرب ضریب اصطکاک و نیروی اعمالی عمودی به تکیه‌گاه با نیروی جانبی اعمالی مقابله می‌کند.

تجهیزات غیرفعال استهلاک انرژی (PED)

تجهیزات مکانیکی بخشی از انرژی وارد برسازه را جذب یا مستهلک می‌کنند. این امر می‌تواند پاسخ سازه و آسیب سازه احتمالی را کاهش دهد.

• میراگرهای فلزی تسلیم، بر اصل تغییر شکل پلاستیک تجهیزات فلزی و استهلاک انرژی ارتعاشی استوار هستند.
• میراگرهای اصطکاکی – در اینجا از اصطکاک بین دو سطح لغزنده برای مستهلک کردن انرژی استفاده می‌شود.
• میراگرهای ویسکو الاستیک – میراگرهای ویسکوالاستیک (VE) از میرایی بالای مصالح VE برای استهلاک انرژی از طریق تغییر شکل برشی استفاده می‌کنند. چنین مصالحی می‌تواند شامل لاستیک، پلیمرها و ترکیبات شیشه‌ای باشد.

• میراگرهای سیال ویسکوز – یک میراگر سیال ویسکوز از یک استوانه‌ی خالی تشکیل‌شده که توسط یک سیال پرشده است. با ضربه خوردن به میله‌ی پیستون و سر پیستون دمپر، سیال با سرعت زیادی جاری‌شده و باعث ایجاد اصطکاک می‌شود.
• میراگرهای جرمی تنظیم شونده و میراگر مایع تنظیم شونده – از یک جرم که توسط یک فنر به سازه متصل شده به همراه یک عضو مستهلک کننده که هیچ تکیه‌گاهی ندارد، برای کاهش لرزش استفاده می‌شود. میراگرهای مایع تنظیم شونده مشابه میراگرهای جرمی هستند با این تفاوت که سیستم جرم – فنر – میراگر با یک محفظه‌ی پر از مایع جایگزین شده است.

سیستم‌های کنترل فعال

در کنترل فعال، از یک منبع خارجی انرژی برای فعال کردن سیستم کنترل از طریق ایجاد سیگنال آنالوگ استفاده می‌شود. این سیگنال توسط کامپیوتر و با پیروی از یک الگوریتم کنترل که پاسخ‌های سازه را اندازه‌گیری می‌کند، ایجاد می‌شود.

 انواع سیستم‌های کنترل فعال

1. سیستم‌های میراگر جرمی فعال – این سیستم‌ها شکل توسعه‌یافته TMD ها هستند که یک مکانیسم کنترل فعال به آن‌ها اضافه‌شده است.
2. سیستم‌های تاندون فعال – سیستم‌های کنترل تاندون فعال از یک دسته تاندون‌های پیش‌تنیده تشکیل ‌شده‌اند که کشش آن با یک سروو مکانیسم الکترو – هیدرولیک کنترل می‌شود.
3. سیستم‌های مهاربند فعال

سیستم‌های کنترل نیمه فعال

این سیستم بین وسایل کنترل فعال و غیرفعال است. از حرکت سازه برای کنترل حرکت‌ها و نیروها استفاده می‌شود. این کار از طریق اصلاح مشخصات مکانیکی انجام می‌شود. عملکرد نیروهای کنترلی را می‌توان با استفاده از منبع نیروی بیرونی یا حتی یک باطری تأمین کرد.

1. وسایل کنترل سختی
2. میراگرهای الکترو – رئولوژیکی
3. دمپرهای مگنتورئولوژیکال
4. دمپرهای کنترل اصطکاک
5. میراگرهای سیال ویسکوز
6. میراگرهای جرمی تنظیم شونده
7. میراگرهای مایع تنظیم شونده

میراگرهای الکترو – رئولوژیکی

سیال ER حاوی ذرات دی‌الکتریک در سیال ویسکوز غیر هادی معلق است. وقتی سیال ER تحت یک میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، ذرات دی‌الکتریک پلاریزه شده و در یک ردیف قرار می‌گیرند، بنابراین در برابر جریان مقاومت نشان می‌دهند.

وسایل کنترل سختی

سختی و مشخصات ارتعاش طبیعی را اصلاح کرده و به این شکل یک شرایط غیر رزونانس در طول زلزله ایجاد می‌کنند.

 میراگرهای مغناطیسی – رئولوژیکی

سیال MR که حاوی ذرات مغناطیسی با اندازه‌ی میکرونی است در یک مایع ویسکوز پخش می‌شوند. وقتی سیال MR در برابر میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، ذرات درون سیال قطبی می‌شوند و سیال رفتار ویسکو – پلاستیک نشان می‌دهد، به این شکل مقاومت در برابر جریان سیال به وجود می‌آید.

سیستم‌های کنترل هیبریدی

ترکیب سیستم‌های کنترل با هم دیگر این سیستم‌ها را تشکیل می‌دهد.

• فعال + غیرفعال
• غیرفعال + نیمه فعال

منبع

ترجمه شده توسط تیم مترجمین ۸۰۸

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