میراگر چیست؟

با توجه به زلزله های اخیر کشور و غیر مقاوم بودن بخش وسیعی از ساختمان های موجود در کشور و با توجه به اهمیت زیاد و مسئله مقاوم سازی ساختمان ها درمقابل لرزه های نیرو های لرزه ای و طراحی بهینه ساختمان ها در مقابل زلزله، بحث جدیدی که در سال های اخیر میان دانشمندان علوم ژئو تکنیک و مهندسین طراح سازه ها مطرح شده است طراحی نوع جدیدی از ساختمانها است که شامل یک سیستم مهاربند لرزه ای باشند که فقط در مقابل ارتعاشات مختلف ناشی از زلزله عمل نموده و در تحمل بارهای استاتیکی هیچ نقشی نداشته باشند که این مسئله باعث ساده سازی پیش بینی رفتار سازه تحت بارگذاری لرزه ای می شود.

با تعریف اعضا جدیدی در سازه با نام میراگر (Damper) که عامل اتلاف انرژی لرزه ای وارد به ساختمان هستند و به کار بستن انها در ساختمان ها می توانیم یک ساختمان بهینه سازی شده داشته باشیم که در مقابل انواع بار های دینامیکی ناشی از زلزله رفتاری مناسب و مطلوب از خود ارائه می دهد.

با پیشرفت علم مهندسی عمران و شروع طراحی سازه های مقاوم در برابر زلزله و مقاوم سازی ساختمانهای موجود، ایده های مختلفی توسط صاحبان عقیده در این مورد بیان شده. تحقیقات بسیار وسیعی در کشورهایی نظیر ژاپن، نیوزلند و ایالات متحده انجام شد و نتایج این تحقیقات در قالب ایده ای جدید مقاوم سازی لرزه ای ساختمان ها اعلام شد. در این روش ها که از اوایل دهه ۱۹۶۰ پایه ریزی شد، ممانعت از لرزش ساختمان ها در هنگام زلزله در رأس کار قرار داشت. سیستم هایی که ارائه شد، بر این پایه استوار بودند که سازه را در مقابل زلزله جداسازی کنند.

هدف اصلی در این روش ها جلوگیری از انتقال مستقیم نیروی زلزله از پی به سازه می باشد. در این روش ها اگر درست اجرا شوند می توانیم نتایج قابل قبولی داشته باشیم که مزیت اصلی این شیوه در مقابل شیوه های معمول مقاوم سازی از قبیل نصب بادبندها – قابهای خمشی – دیوارهای برشی و …. که همگی در صلب کردن بیشتر سازه ها در مقابل نیروهای زلزله تلاش می کنند می باشد. در این روش چون نیروی زلزله به سازه وارد نمی شود و یا سهم اندکی از آن به سازه منتقل می شود نتایج زیر را می توان انتظار داشت :
– تغییر مکان  طبقات و تغییر مکانهای نسبی طبقات (drift) کاهش یابد
– کاهش قابل ملاحظه ای در شتاب طبقات بوجود اید
– خسارات سازه ای و نیز خسارات غیر سازه ای به مقدار محسوس کاهش یابد
– از مشکلات معماری در طراحی ساختمان ها کاسته شود.
– هزینه اجرای سازه ها بدلیل استفاده از مقاطع با ظرفیت کمتر کاهش یابد.
همان طور که گفته شد اولین تلاش ها در این زمینه از اوائل دهه ۱۹۶۰ میلادی صورت گرفت در این زمان سیستم های انتخاب شده برای جداسازی لرزه ای بسیار محدود بودند این سیستم ها شامل میراگرهای تیر فولادی و قطعات لاستیک لایه ای که در پی ساختمان نصب می شدند بودند. در همان زمان با تحقیق در رفتار فلزات سیستم جدیدی که بر پایه رفتار پلاستیک سرب بنا شده بود معرفی شد که آن را سیستم میراگر سربی – تزریقی نامیدند و اولین بار در پل تقاطع یکی از خیابان های نیوزلند استفاده شد. روش منطقی دیگری که همزمان پیشنهاد شد استفاده از تغییر شکل پلاستیک تیرهای فولادی برای ایجاد میرایی داخلی لخت در ساختمان بود. این روش در سال ۱۹۶۶ توسط پوپوف ارائه شد. اولین میراگرهای تیری فولادی که نسبت به اعضاء فولادی دیگر مقاومت بیشتری در مقابل پدیده خستگی دارند با تلاش هایی که توسط کلی و هکاران در سال ۱۹۷۲ اسکینر ۱۹۷۴ و تیلور و همکاران در سال ۱۹۹۱ معرفی شدند. اصولا سه نوع میراگر تیر فولادی در ان سال ها ارائه شد که عبارت بودند از میراگرهای پیچیشی – میراگرهای تیری با مقطع متغییر و میراگرهای با لنگر یکنواخت. در همه این میراگرها با استفاده از فولاد مناسب تر و شکل مناسب تر تیرها و جوشکاری در محلهایی دور  از ناحیه تغییر شکل پلاستیک میرایی قابل قبولی حاصل می شد.

بررسی های دیگری در سال های ۱۹۹۴ و ۱۹۹۵ توسط دانشمندان ژاپنی صورت گرفت که در آن ها  با انجام آزمایشات مختلفی روی میراگرها و رسم منحنی هیسترزیس اقدام به پایه ریزی سیستم های اتلاف انرژی کردند.

میراگر چیست؟

اصلاً در مورد همه ی مواردی که در طبیعت وجود دارند یکی از خصوصیات ذاتی ماده، میرایی ماده می باشد. همانطور که با دانستن ضریب الاستیستیه یک ماده می توانیم محاسبات مربوط به مصالح تشکیل شده از ان ماده را انجام دهیم، با دانستن میرایی یک ماده نیز می توانیم به تحلیل دقیقتری از سیستم های متشکل از ان ماده دستیابی کنیم. با توجه به اینکه میرایی داخلی (که به جنس ماده بستگی دارد) در جامدات تحت تاثیر عوامل مختلفی نظیر تاثیرات حرارتی، پدیده خستگی و پدیده باوشینگر تغییر می کند برای اینکه بتوانی مصالح با میرایی معلوم داشته باشیم بایستی تاثیرات این عوامل را در مصالح مورد نظر به حداقل برسانیم. روشهای مختلفی برای تولید مصالح دارای میرایی معلوم که اصطلاحاً میراگر نامیده می شوند، وجود دارد که ذیلاً به بررسی انواع این روشها و نشان دادن میراگرهای تولید شده به وسیله ی این روشها می پردازیم.
میرایی و انواع آن:
با توجه به اینکه هر سازه یا سیستم سازه ای، به تناسب شکل و اجرای تشکیل دهنده ی آن دارای میرایی خاص خود می باشد ابتدا بایستی انواع میرایی را شناخته و سپس درباره اعضایی که این انواع میرایی را تامین می کنند بحث کنیم.

انواع میرایی:
میرایی سازه ها تحت تحریکات زلزله به صورت ترکیبی از میرایی خارجی ویسکوز (لخت)، میرایی داخلی ویسکوز (لخت)، میرایی اصطکاکی، میرایی هیستریزیس و میرایی تشعشعی می باشد که در زیر، این انواع میرای را شرح می دهیم.

۱- میرایی خارجی ویسکوز (لخت):
نوعی از میرایی است که توسط هوا، آب و شرایط محیطی اطراف یک سازه بوجود می اید و در طرف مقایسه با انواع دیگر میرایی ها بسیار کوچک و در اکثر اوقات با تقریب خوبی قابل صرف نظر است.

۲- میرایی داخلی ویسکوز (لخت):
این میرایی حاصل خاصیت ویسکوزیته (لختی) ماده بوده و متناسب با سرعت است به نحوی که نسبت میرایی متناسب با فرکانس طبیعی ساختمان افزایش می یابد.  این نوع میرایی غالباً برای ارائه هر نوع میرایی دیگر به کار می رود و معروفترین نوع میرایی است.
۳- میرایی اصطکاکی:
این میرایی که میرایی کلمب هم نامیده می شود به علت وجود اصطکاک در اتصالات و یا نقاط تکیه گاهی پدید می اید. بدون توجه به سرعت و جا به جایی ثابت است و بسته به مقدار جا به جایی به دو نحو با ان برخورد می شود. اگرمقدار جا به جای ها کوچک باشد به عنوان یک میرایی داخلی لخت و اگر مقدار جا به جایی بزرگ باشد به عنوان یک میرای هسترزیس در نظر گرفته می شود. یک مثال در مورد این میرایی راجع به دیوارهای مصالح بناتی میانقاب است که در هنگام ترک خوردن دیوار، اصطکاک جسمی زیاد شده و مقاومت موثری در مقابل ارتعاشات به وجود می اید.
۴- میرایی هیسترزیس:
این میرایی هنگامی اتفاق می افتد که رفتار ماده تحت بار رفت و برگشتی در محدوده الاستیک قرار می گیرد مساحت چرخه ی هیسترزیس در واقع بیان گر مقدار انرژی اتلاف شده در هر سیکل از بارگذاری می باشد. همانطور که در شکل زیر مشاهده می شود با تزریق انرژی از نقطه D تا A و حرکت سازه از D تا A انرژی زیر سطح BAE حذف می شود. با تعمیم همین مسئله برای فواصل B تا C و C تا D نتیجه می گیریم که اتلاف انرژی در هر سیکل از بارگذاری معادل سطح ABCD می باشد.

۵- میرایی تشعشعی:
هنگامی که یک سازه ساختمانی ارتعاش می کند، امواج الاستیک در محیط نامتناهی زمین زیر ساختمان منتشر می شود. انرژی تزریق شده به سازه از همین طریق میرا می شود. این میرایی تابعی از ضریب الاستیک یانگ (خطی)، نسبت پواسون (U) و چگالی (P) زمین بوده و نیز به جرم بر واحد سطح سازه (A/M) و ضریب سختی به جرم ان (m/k) بستگی دارد.
انواع سیستم های اتلاف انرژی:
سیستم غیر فعال (Dissipation energy Passive)
در این سیستم هرگونه واکنش سیستم، متناسب با مقدار کنش وارده به سیستم می باشد.
سیستم نیمه فعال (Semi active Energy Dissipation)
در این سیستم می توانیم میزان واکنش را توسط کنترل کننده هایی مهار کنیم.
سیستم فعال (active Energy dissapation)
دراین سیستم توسط اعضاء مخصوص که روی سازه نصب می شوند می توانیم نیروهایی را به سازه وارد کنیم این نیروها می تواند در خلاف جهت نیروهای مخرب به سازه وارد شده و نقش میراگر را بازی کنند. کنترل این سیستم نیازمند محاسبات ریاضی پیچیده و کامپیوتر های کنترلر دقیق می باشد.
سیستم  دوگانه (Hybrid system):
اصولاً در صورتی که در مهار بندی از دو سیستم فعال و غیر فعال به صورت همزمان استفاده می کنیم، سیستم دوگانه به وجود می آید. در نگاه اول، این سیستم از همه سیستم هایی که تا کنون معرفی شد بهتر است اما با دقت بیشتر متوجه می شویم که مثلا در صورتی که سیستم کنترل فعال، نیرویی را در جهتی که به پایداری سازه کمک می کند به سیستم وارد کند و انرژی این نیرو توسط سیستم غیر فعال اتلاف شود، تضاد در این سیستم پدیدار می شود.
سایر سیستم های اتلاف انرژی
در مقوله تحلیل مکانیکی و طراحی سازه های مقاوم در برابر زلزله، بحث های بسیاری مطرح شده است. در زمینه اتلاف انرژی می توانیم به سیستمهای جداساز اشاره کنیم که باعث اتلاف زلزله در پی سازه و مانع از ارتعاش سازه می شوند.
انواع میراگرها به عنوان عامل اتلاف انرژی غیر فعال:
میراگر فلزی تسلیم (Metallic yield damper):
با دانستن ساختمان کریستالی فلزات مختلف می توانیم رفتار میرایی این فلزات را در شرایط بارگذاری تناوبی بررسی نموده و خواص میرایی مطلوب در محدوده قبل از نقطه تنش تسلیم ( yield point) مشاهده کنیم. می توانیم با فرم دادن یک قطعه فلز به حالتی که در بارگذاری دینامیکی سازه رفتار میرای از خود نشان دهد (عموماً به شکل مثلث متساوی الساقین) و قرار دادن ان در محل اتصال اعضاء سازه به یکدیگر از این خاصیت به نحو مطلوب در اتلاف و پراکنده سازی انرژی زلزله استفاده نماییم.
همان طور که در تعریف میراگر گفته شد بایستی جنس و شکل و محل استفاده این دسته از میراگرها را طوری انتخاب کنیم که در طول عمر سازه، خواص میرایی انها تحت عوامل مختلف تاثیر گذارنده دچار اختلال نگردد.
فلزی که برای ساخت اینگونه میراگرها به کار می رود، عموماً بایستی دارای رفتار مناسب تغییر هیسترزیس، دامنه خستگی بالا، استحکام نسبی بالا و عدم حساسسیت زیاد نسبت به تغییرات درجه حرارت باشد. اصولا میراگرهای فلزی، با تکیه بر تغییر شکلهای الاستیک فلز و میرایی ناشی از اتلاف انرژی به صورت اصطکاک داخلی کریستال ها می شود. استفاده از اینگونه میراگرها در سازه به عنوان تنها سیستم مهاربندی دارای ریسک زیادی می باشد اما به عنوان یک سیستم تکمیلی در تعامل با سیستم های مهاربندی معمول می تواند مفید واقع شود.

میراگرهای اصطکاکی (Friction Dampers):
خواص میرایی یک ماده، همان طور که گفته شد جزیی از ذات ماده می باشد که با بوجود امدن برخی شرایط و تحت تاثیر برخی از پدیده ها، دچار اختلال می شود. در صورتی که این اختلال برای سیستمی که میراگرهایی با خواص میرایی درونی در ان وجود دارند ایجاد شود، سیستم دچار اشکال می شودکه این مسئله بزرگترین نقطه ضعف میراگرهای ویسکوالاستیک و متالیک می باشد.
با تحقیقات نسبتاً خوبی که در سال ۱۹۸۰ توسط پال و همکاران صورت گرفت طرحی جدید که بیانگر نسل جدید سیستمهای اتلاف انرژی غیر فعال بود ارائه شد. در این سیستم میرایی توسط اصطکاک خطی موجود میان ورقه های فلزی روی هم سوار شده به وجود میاید این نوع از میراگرها به دلیل اینکه به خصوصیات درونی ماده بستگی ندارد می توانند حالتی ایده آل باشند که با دانستن فاکتور اصطکاک خطی موجو میان سطوح مختلف، ضرایب میرای میراگرها را حاصل می کند. به عنوان اولین میراگر سازه ای تجارتی شرکت های آمریکایی اقدام به طراحی و ساخت انواع مختلف این میراگرها نمودند که بسته به تقاضای مشتری در نقاط دلخواه از سازه قابل نصب می باشد. این دسته از میراگرها به دلیل اینکه طول عمری تقریباً برابر با اعضائ سازنده دارند، مشکل تعویض و خرابی را نیز تا حدود قابل قبولی مرتفع کرده اند.
در شکل زیر انواع مختلف این میراگرها را مشاهده می کنید. میرایی در کلیه این میراگرها از طریق ایجاد اصطکاک مابین ورق های متصل به هم پین شده بوجود می آید. این پدیده اولین بار توسط پال در سال ۱۹۸۰ تدوین و ارائه شد. مهمترین ویژگی میراگرهای اصطکاکی این است که می توانیم توسط آن ها انواع دیگر میراگر را شبیه سازی و مدل کنیم.

میراگرهای مایع لزج (Viscous fluid Damper):
ایده این دسته از میراگرها نیز همان طور که ایده میراگرهای اصطکاکی از ترمز اتومبیل گرفته شده است از اتومبیل سرچشمه می گیرد. سیستم تعلیق اتومبیل از یک فنر و یک کمک فنر (میراگر) استفاده می کند که در تعامل با یکدیگر، ضربان وارده به اتومبیل از سوی زمین را جذب و انرژی استفاده می کند که در تعامل با یکدیگر، ضربات وارده به اتومبیل از سوی زمین را جذب و انرژی انها را اتلاف می کنند. اگر ستونهای یک سازه را به عنوان فنر در نظر بگیریم، در واقع با ایجاد کمک فنر (میراگر) در کنار انها می تونیم انرژِی وارده به سازه در اثر زلزله را اتلاف کنیم.
ساختمان میراگرهای مایع لزج عموماً از یک پیستون و یک سیلندر تشکیل شده است مایع لزج داخل سیلندر توسط پیستون فشرده می شود، با توجه به اینکه درون پیستون، سیلندر دیگری وجود دارد. که به وسیله سوراخهای ریزی می تواند مایع را به درون پمپ کند، با اعمال فشار به سیستم مایع لزج با سرعت کمی بین دوسیلندر مبادله می شود و مقدار زیادی انرژی را اتلاف می کند. ساختمان کلی این میراگرها در شکل (V) نشان داده شده اس . استفاده از این نوع میراگر مدتی است که در کشورهای آمریکا و نیوزلند و ژاپن در ساختمانهای مختلف رایج شده است.
لازم به ذکر است که این میراگر حساسیتی نسبت به تغییرات حرارتی نداشته و به دلیل عدم دارا بوده و ساختمان جامد مورد اثر پدیده های خستگی و اثر باوشینگر قرار نخواهد گرفت اما طول عمر آن نسبت به طول عمر سازه کم است.

میراگر جرم هماهنگ شده (Tuned mass damper):
در این میراگر، سازه و میراگر نقش یک سیستم دو قسمتی را باز می کنند. جرم میراگر، روی سازه قرار می گیرد ولی میراگر توسط غلتک هایی می تواند در جهت افقی حرکت آزادانه داشته باشد. در هنگام زلزله نیروی جدیدی توسط میراگر در جهت میراسازی انرژی زلزله به سیستم اعمال می شود.

میراگر سیال هماهنگ شده (Tuned liquid dampers):
با توجه با حالت سختی و رفتار مایع سیالات، اگر یک ظرف بزرگ محتوی یک سیال سخت را روی سازه قرار دهیم با ارتعاش سازه، مقدار زیادی انرژی توسط رفتار لخت سیال و نیروهای هیدرو دینامیکی ناشی از ان اتلاف می شود.
اکنون با شناختی از انواع میراگرها و نحوه عملکرد آنها داریم می توانیم در جهت تدوین سیستمهایی که بر مبنای این اصول بنیادین طراحی می شوند گام برداریم.

منابع:
۱- گرداوری و تالیف سایت  civiltech.ir
۲- مقاله (معرفی انواع میراگر ها و کاربرد آنها در مهاربندی لرزه ای سازه ها) از آقای علی رضائی فر