بهترین روش کنترل ارتعاشات در سازه ‌های بلند

در این مطلب می خواهیم به بررسی روش های کنترل ارتعاشات در سازه ‌های بلند بپردازیم. یافتن ابزارى جدید و مثمر ثمر براى حفاظت سازه‌ها و تجهیزات در برابر اثرات مخرب نیروهای طبیعی همواره یکی از چالش‌هاى مهندسی است. زلزله یکی از رخدادهای طبیعی است که با وجود پیشرفت ها و تحقیقات بسیار در این زمینه، هنوز نمی توان زمان و مکان دقیق آن را پیش بینی کرد. از این رو بهترین و اصلی ترین روش برای مقابله با زلزله، ایمن سازی سازه‌ها در برابر آن می باشد.

چگونه ارتعاشات در سازه های بلند را کنترل کنیم؟

همان طور که گفته شد، ایمن سازی سازه در مقابل زلزله روش اصلی مقابله با آن است. کنترل سازه ها یکی از روش‌های کنترل ارتعاشات در سازه ‌های بلند است. این روش برای افزایش کارایی و ایمنی آنها در برابر خطرات طبیعی مورد استفاده قرار می گیرد. در سال های اخیر سیستم‌هاى جذب انرژی غیرفعال سازه‌ها‌ به صورت بسیار گسترده در صنعت ساختمان سازی کاربرد داشته اند. این سیستم‌ها متشکل از مصالح و وسایلی هستند که منجر به میرایی، سختی و مقاومت سازه می شوند. همچنین برای کاهش خطرات طبیعی محتمل و مقاوم سازى سازه‌هاى بلند مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از این سیستم ها، سیستم جرم میراگر متوازن است. این سیستم یکی از راه حل‌هاى نسبتاً جدید است که در بسیاری از کشورهای توسعه یافته برای مقابله با نیروهای جانبی باد و زلزله مورد استفاده قرار گرفته است. در ایران هنوز این سیستم کاربردی ندارد.

سیستم‌های جرم میراگر متوازن از ابزارهای بکار رفته در کنترل لرزه در سازه‌ها است که در بسیاری از پل‌ها و سازه‌های بلند که شکل‌پذیرى بالایی دارند، مورد استفاده قرار گرفته است. خوب است بدانید سازه‌های بلند تحت اثر نوسان‌های ناشی از بار باد و زلزله قرار می‌گیرند. به طور معمول این سازه‌ها در فرکانس‌های طبیعى خود ارتعاش می‌کنند. در مواقعی که فرکانس‌های انتقالی و پیچشی نزدیک باشند، به وسیله حرکت پیچشی نیز تشدید خواهند شد. عموماً در سازه‌های بلندی که دارای پریود بلند هستند، مانند: فانوس‌های دریایی و برج‌های مراقبت فرودگاه‌ها، جرم اصلی در بالای سازه به شکل پاندول وارونه متمرکز است. بنابراین، تغییر مکان رأس از نظر کاربردی و عدم ایجاد اختلال در ارسال و دریافت پیام‌های مخابراتی و راحتی کاربران از اهمیت بالایی برخوردار است.

کنترل ارتعاشات در سازه ‌های بلند: میراگر دینامیکی 

میراگرهای دینامیکی‌، سیستم‌های ایجاد میرایی در سازه‌ها هستند که تحقیقات بسیاری به صورت تئوریک و تجربی در دو دهه اخیر بر نحوه عملکرد آن ها انجام شده است. این سیستم ها در سازه‌های زیادی با موفقیت اجرا شده‌ اند. جرم میراگر متوازن (TMD) و مایع میراگر متوازن جزئی از میراگرهای دینامیکی هستند.

سیستم جرم میراگر متوازن چیست؟

سیستم جرم میراگر متوازن یا سیستم کنترلى TMD یک میراگر غیر فعال نسبتاً جدید است. در سال های اخیر این سیستم در کشورهای پیشرفته بسیار کاربرد داشته است. ابزار تشکیل دهنده این سیستم عبارتند از: یک جرم، یک فنر و یک میراگر که مسئولیت کاهش پاسخ دینامیکی سازه را دارد و به آن نصب می‌شود. عملکرد آن بر مبنای استهلاک انرژی ارتعاشی سازه بصورت حرکت نوسانی جرم میراگر می باشد. فرکانس TMD باید متناسب با فرکانس یکی از مودهای غالب سازه‌ای تنظیم ‌شود. زمانی که این فرکانس تحریک می‌شود، حرکت TMD در فازی خارج از حرکت سازه تشدید خواهد شد. بدین ترتیب انرژی توسط نیروی اینرسی‌ای وارد شده به سازه از طریق میراگر، استهلاک پیدا می کند. عملکرد جرم میراگر متوازن در برابر تحریک زلزله که نسبت به باد محدوده فرکانسی وسیع تری را پوشش می دهد، بستگی زیادی به مشخصات زلزله دارد.

تنها زمانی جرم میراگر متوازن در کاهش پاسخ زلزله تاثیرگذار است که زلزله وارده از محدوده فرکانسی کوچک و مدت زمان طولانی برخوردار باشد. پهنای باند فرکانسی نوسانات لرزه‌ای پهن تر از حالت باد است و ارتعاشات در فرکانس‌های بالاتر نیز قویتر است، بنابراین مودهای بالاتر نیز تحریک خواهند شد. از این رو نباید تنها مود غالب ارتعاشی را در نظر گرفت. نبود قطعیت موجود در پیش بینی لرزه و نبود مشخصات دینامیکی سازه مانند فرکانس‌های طبیعی و نسبت استهلاک مودهای مختلف ارتعاشی مفیدتر آن است که باعث می شود از تعداد میراگرهای بیشتر استفاده شود. طوری که میراگرها فرکانس ارتعاشی با اندک اختلافی نسبت به یکدیگر داشته باشند تا پوشش دهی محدوده بیشتری از فرکانس‌ها امکان پذیر باشد. به چنین سیستم‌هایی، میراگرهای چندگانه یا MTMD گفته می شود. حساسیت سیستم کنترلی در این حالت به پارامترهایی از قبیل: تحریک ورودی کاهش پیدا می کند.

نکته

برای بهبود عملکرد TMD می‌توان در اتصال جرم آن به سازه از مواد ویسکوالاستیک استفاده کرد. بدین ترتیب پاسخ لرزه‌ای سازه با استهلاک انرژی به روش‌های دیگر هم امکان پذیر خواهد بود. یکی از مشکلات جدی TMD، قادر نبودن به کاهش دادن نقطه اوج در پاسخ ارتعاشی است. چون تنظیم TMD به صورت غیر فعال با فرکانس سازه اصلی انجام شده است و به دلیل ارتعاشی با اختلاف فاز منجر به کاهش لرزه خواهد شد.

بنابراین عملکرد TMDدر لحظات اولیه وقوع زمین لرزه که با نوسانات قوی لرزه‌‌ای همراه است چندان موثر نخواهد بود. برای حل این مشکل از کنترل فعال یا نیمه فعال می توان استفاده کرد. هنوز یک روال متعارف و یک استاندارد مشخص برای طراحی یک سیستم میراگر در یک سازه وجود ندارد، ولی این سیستم با سرعت زیادی تبدیل به یک جز متعارف در سازه های بلند جهت کنترل ارتعاشات ناشی از باد شده است و دارای عملکرد خوبی می باشد.

کنترل ارتعاشات در سازه ‌های بلند: ملاحظات عملی جرم میراگر متوازن

فاکتورهای تاثیرگذار در انتخاب سیستم‌های کنترل لرزه سازه های بلند عبارتند از: کارآیی، اندازه، هزینه ساخت و عملیات، هزینه نگهداری و تعمیرات و همچنین امنیت. میزان کاهش پاسخ دینامیکی در طراحی سیستم میراگر جرمی به طور اقتصادی قابل دستیابی می باشد. این مقدار در طراحی‌های متعددی باید مورد توجه قرار ‌گیرد. در حقیقت، میزان مقدار جرم اضافی اولین عامل در طراحی اقتصادی محسوب می شود که در حدود ۱ الی ۵ درصد جرم ساختمان را شامل شده و در بالای سازه قرار می‌گیرد.