همانطور که با دانستن ضريب الاستيستيه يک ماده مي توانيم
محاسبات مربوط به مصالح تشکيل شده از آن ماده را انجام دهيم ، با دانستن
ميرايي يک ماده نيز مي توانيم به تحليل دقيقتري از سيستم هاي متشکل از ان
ماده دستيابي کنيم . با توجه به اينکه ميرايي داخلي ( که به جنس ماده بستگي
دارد ) در جامدات تحت تأثير عوامل مختلفي نظير تاثيرات حرارتي ، پديده
خستگي و پديده باشينگر تغيير مي کند . براي اينکه بتوانيم مصالح با ميرايي
معلوم داشته باشيم بايستي تاثيرات اين عوامل را در مصالح مورد نظر به حداقل
برسانيم .
پدیده باشینگر : این پدیده نشان دهنده ی انرژی مستهلک شده به واسطه ی رفتار غیر خطی سازه تحت تغییرشکلها یا نیروهای رفت و برگشتی ( تناوبی ) است .
به طور کلی میراگرها به منظور کاستن پاسخ دینامیکی سازه در
برابر بارگذاری باد و زلزله استفاده می شوند . مکانیزم عملکردی اینگونه
وسایل به گونه ای است که با انجام تغییر شکلهای ویژه و اعمال مکانیکی خاصی
، مقدار زیادی از انرژی ورودی به سازه بر اثر بار گذاری دینامیکی را جذب و
مستهلک میسازند . عملکرد اینگونه وسایل موجب میشود که انرژی دریافتی
سایر اعضای سازهای کاهش یافته و در نتیجه تغییر شکل زیادی درآنها ایجاد
نمی شود .
این وسایل را به سادگی می توانند در سازههای موجود جایسازی و یا در صورت لزوم بعد از بارگذاری ( رخداد زلزله ) تعویض نمود .
اتلاف انرژی در میراگرها به صورت تغییر انرژی جنبشی به حرارت
توسط اصطحکاک یا حرکت در مایع لزج و یا تسلیم شدن فلزات و.... اتفاق
میافتد ، که با تشکیل حلقههای پسماند ، انرژی را در سیکل بارگذاری جذب
میکنند . سازه به سختی و مقاومت معینی نیاز دارد تا در برابر نیروهای
جانبی مقاومت کند و پایدار بماند در نتیجه این میراگرها می توانند جایگزین
این سختی اضافی شوند تا با جذب انرژی لرزشی پاسخهای سازه را کاهش دهند تا
دیگر اعضای سازها در محدوده الاستیک باقی بمانند.
روشهاي مختلفي براي توليد مصالح داراي ميرايي معلوم که
اصطلاحاً ميراگر ناميده مي شوند ، وجود دارد که ذيلاً به بررسي انواع اين
روشها و نشان دادن ميراگرهاي توليد شده به وسيله ي اين روشها مي پردازيم
البته با توجه به اينکه ميراگرها به عنوان عوامل اتلاف انرژي زلزله در سازه
ها استفاده مي شوند لازم است ابتدا توضيح مختصري پيرامون انواع کلي
سيستمهاي اتلاف انرژي داده شود .
انواع سيستمهاي اتلاف انرژي
· سیستم غیر فعال
سیستم هایی هستند که نیاز به منبع انرژی خارجی ندارند . این
ابزار از نیروهایی که در پاسخ به حرکت سازه در داخل آنها ایجاد میشود بهره
می گیرند .
در اينگونه روش ها ، عامل كنترل كننده ارتعاش در محل مناسبي
از سازه قرار مي گيرد و عملاً تا قبل از تحريك سازه ، به صورت غيرفعال است .
با شروع تحريك ) مثلاً زلزله (، سيستم كنترلي به كار افتاده و عملكرد
كنترلي خود )اعم از تغيير سختي، پريود، ميرايي يا جرم( را در حين تحريك
انجام مي دهد و پس از خاتمه تحريك مجدداً به حالت غيرفعال باز مي گردد كه
به دليل جذب بخشي از انرژي ورودي به سازه ، احتمالاً شاهد خرابي جزئي يا
كلي در آن خواهيم بود . تكنيك هاي زيادي از جمله تكنيك معروف و مرسوم
جداسازي پايه ، ميراگرهاي اصطكاكي ، ميراگرهاي ويسكوالاستيك ، ميراگرهاي
فلزي ، جرم ميراگر متوازن و مايع ميراگر متوازن ، از جمله روش هاي كنترل
غيرفعال محسوب مي شوند .
· سیستم فعال
در اين گونه روش ها ، پاسخ سازه توسط اعمال نيروهايي در نقاط
مختلف آن به صورت همزمان و با توجه به شرايط لحظه اي سازه كنترل مي شود .
اين سيستم ها همواره آماده براي شروع فعاليت و كنترل ارتعاشات مي باشد كه
اصطلاحاً فعال ناميده مي شوند .
در اين گونه سيستمها ضمن تعيين پاسخ سازه كه مي تواند شامل
شتاب ، سرعت و يا تغييرمكان باشد در هر لحظه و با استفاده از يك الگوريتم
مشخص ، نيروي کنترل مورد نياز تعيين مي گردد ، سپس با استفاده از يك منبع
انرژي خارجي نسبت به اعمال نيروهاي محاسبه شده كنترلي بر سازه اقدام شده و
اين كار تا زمان كاهش پاسخ سازه به حد مورد نظر ادامه مي يابد . از مشكلات
عمده اين گونه سيستمها هزينه زياد اوليه مورد نياز آنها از يك سو و نيز
عمليات تعمير و نگهداري سنگين آنها براي ايجاد امكان استفاده در هر لحظه
مي باشد . نقص ديگر اين سيستمها آن است که به دليل آنکه به سازه
انرژي تزريق مي نمايند ، پتانسيل ناپايدار کردن سيستم را دارا مي
باشند.
مشخصاً در اين نوع سيستمها ، چون پاسخ دايماً در حال اندازه
گيري و پايش است ، كارآيي بيشتري نسبت به سيستمهاي غيرفعال خواهند داشت و
اين روش در چند سال اخير در ژاپن و آمريكا در بسياري از سازهها به خصوص
سازه هاي بلند و سازه هايي كه بر روي زمين هاي با خاك نرم بنا شده اند و
امكان استفاده از تكنيكي مثل جداسازي پايه در آن وجود ندارد و همچنين براي
كنترل ارتعاش سازهها در برابر باد استفاده شده است که عملكرد مطلوبي از خود
نشان داده است و بهينه سازي اين روش ها همچنان ادامه دارد.
نمونه این گونه سیستمها میراگرهای جرمی فعال ( AMD . Active Mass Dampers ) می باشد .
· سیستم نیمه فعال ( Semi - active Energy Dissipation )
محدودیت های موجود در سیستم های کنترل غیر فعال و فعال ، سبب
پیدایش سیستم های دیگری به نام سیستم های کنترل نیمه فعال شده است. در
سیستمهای کنترل نیمه فعال ، با صرف انرژی بسیار کم ، ضریب میرایی و یا سختی
وسیله کنترلی متناسب با نیروی وارده به سازه در هر لحظه تغییر می کند و
موجب کاهش هر چه بیشتر ارتعاشات سازه می شود. سازگاری با شرایط مختلف
بارگذاری و مصرف انرژی پایین از مزیتهای عمده این سیستمها می باشد.
دستگاههای قابل کنترلی هستند که نسبت به سیستمهای
کنترل فعال نیازمند انرژی به مراتب کمتری هستند . در این سیستمها انرژی به
داخل سیستم تزریق نمی شود و بنابراین پایداری در تمام مراحل باقی خواهد
مان د. به عنوان نمونه می توان از میراگر با :
1. دریچه متغیر(dampers Variable orifice ) ،
2. ابزار با اصطکاک متغير ( Variable friction device ) ، برای ایجاد سختی متغیر نام برد.
سیستمهای نیمه فعال از دستگاههای غیر فعال موثرتر هستند ،
هرچند که هزینههای اضافی برای شیرهای قابل کنترل ، سیستم کنترل کامپیوتری ،
سنسورها و نگهداری را می طلبند . در عین حال اگرچه تاثیر آنها از
سیستمهای فعال کمتر است ، ولی هزینه بسیار پایین اجرا و نگهداری ، تعبیه
این سیستمها را بسیار قابل توجیه ساخته است .
· سيستم دوگانه ( Hybrid system )
اين روش شامل دو سيستم كنترل فعال و غيرفعال به صورت توأم مي
باشد كه در ابتداي تحريك ، كاهش ارتعاشات توسط سيستم غيرفعال صورت گرفته و
پس از دفع تأخير زماني ، سيستم فعال نيز وارد عمل مي شود و در اينجا سيستم
غيرفعال ممكن است به فعاليت ادامه داده و يا در صورت عدم نياز به آن ، از
دور خارج شود .
اين سيستمها با جذب و استهلاك درصد بالايي از انرژي ورودي به
سازه، شرايط ايمن و پايداري را نسبت به ساختمانهاي مشابه فراهم مي كنند ، و
بجاي افزايش شكل پذيري عناصر سازه اي ، تكيه بر مستهلك نمودن انرژي لرزه
اي دارند .
ميرايي و انواع آن
میرایی
پدیده ی کاهش تدریجی دامنه ی ارتعاش، میرایی نامیده می شود.
در میرایی، انرژی جنبشی ارتعاشی سیستم بنا به مکانیسم های مختلفی مستهلک می
شود. در یک سازه ی در حال ارتعاش، این مکانیسم ها عبارتند از، اصطکاک در
اتصالات فولادی ، باز و بسته شدن ترکهای میکروسکوپی در بتن ، اصطکاک بین
عناصر سازه ای و ناسازه ای ( نظیر دیوارهای جداساز ) و موارد مشابه .
با توجه به اينکه هر سازه يا سيستم سازه اي ، به تناسب شکل و
اجراي تشکيل دهنده ي آن داراي ميرايي خاص خود مي باشد ابتدا بايستي انواع
ميرايي را شناخته و سپس درباره اعضايي که اين انواع ميرايي را تأمين مي
کنند بحث کنيم .
انواع ميرايي :
ميرايي سازه ها تحت تحريکات زلزله به صورت ترکيبي از ميرايي
خارجي ويسکوز (لخت) ، ميرايي داخلي ويسکوز (لخت) ، ميرايي اصطکاکي ، ميرايي
هيستريزيس و ميرايي تشعشعي مي باشد که در ادامه ، اين ميرایي ها را شرح مي
دهيم .
· ميرايي خارجي ويسکوز (لخت) :
نوعي از ميرايي است که توسط هوا ، آب و شرايط محيطي اطراف يک
سازه بوجود مي آيد و در مقايسه با انواع ديگر ميرايي ها بسيار کوچک و در
اکثر اوقات با تقريب خوبي قابل صرف نظر است .
· ميرايي داخلي ويسکوز (لخت) :
اين ميرايي حاصل خاصيت ويسکوزيته (لختي) ماده بوده و متناسب
با سرعت است به نحوي که نسبت ميراي متناسب با فرکانس طبيعي ساختمان افزايش
مي يابد . ميرايي داخلي لخت به سادگي و عمدتاً در در روابط و در تحليل
ديناميکي مي تواند منظور می شود . اين نوع ميرايي غالباً براي ارائه هر نوع
ميرايي ديگر به کار مي رود و معروفترين نوع ميرايي است.
· ميرايي اصطکاکي :
اين ميرايي که ميرايي کلمب هم ناميده مي شود به علت وجود
اصطکاک در اتصالات و يا نقاط تکيه گاهي پديد مي آيد . بدون توجه به سرعت و
جا بجايي ثابت است و بسته به مقدار جابجايي به دو روش با آن برخورد مي شود .
اگرمقدار جا بجایي ها کوچک باشد به عنوان يک ميرايي داخلي لخت و اگر مقدار
جا به جايي بزرگ باشد به عنوان يک ميراي هسترزيس در نظر گرفته مي شود .
يک مثال در مورد اين ميرايي راجع به ديوارهاي مصالح بناتي
ميانقاب است که در هنگام ترک خوردن ديوار ، اصطکاک جسمي زياد شده و مقاومت
موثري درمقابل ارتعاشات به وجود مي آيد . بحث راجع به ميراگرهاي که از اين
ميرايي بهره مي گيرند را در فصل آينده بررسي مي کنيم .
· ميرايي هيسترزيس :
اين ميرايي هنگامي اتفاق مي افتد که رفتار ماده تحت بار رفت و
برگشتي در محدوده الاستيک قرار مي گيرد . مساحت چرخه ي هيسترزيس در واقع
بيان گر مقدار انرژي اتلاف شده در هرسيکل از بارگذاري مي باشد . همان طور
که در شکل مشاهده مي کنيم با تزريق انرژي از نقطه تا و حرکت سازه از
تا انرژي زير سطح حذف مي شود .
با تعميم همين مسئله براي فواصل نتيجه مي گيريم که اتلاف انرژي در هر سيکل از بارگذاري معادل سطح مي باشد .
تحليل چگونگي عملکرد اين سيستم و مدل کردن آن از طرق مختلفي انجام مي شود که بيان آنها نيازمند حجم بالايي از مطالب است .
· ميرايي تشعشعي :
هنگامي که يک سازه ساختماني ارتعاش مي کند ، امواج الاستيک در
محيط نامتناهي زمين زير ساختمان منتشر مي شود . انرژي تزريق شده به سازه
از همين طريق ميرا مي شود . اين ميرايي تابعي از ضريب الاستيک يانگ (خطي) ،
نسبت پواسون و چگالي زمين بوده و نيز به جرم بر واحد سطح سازه و ضريب
سختي به جرم ان بستگي دارد .