توضیحات

پروژه شبیه سازی پاسخ لرزه ای و مودال سازه بتنی 20 طبقه مجهز به میراگر ویسکوز مایع در نرم افزار ایتبس ETABS

Simulation of Seismic Response and Modal Analysis of 20-story Building with Fluid Viscous Damper in ETABS

میراگرها (dampers):

این سیستم ها شامل طیف وسیعی از ابزار مختلف برای افزایش میرایی سازه بوده که می توانند هم برای مقابله با زلزله در ساختمان های جدید و هم برای مقاوم سازی سازه های موجود مورد استفاده قرار گیرند.

میراگر به وسیله ای اطلاق می گردد که بدون منبع نیروی خارجی، انرژی ورودی به سازه ناشی از تحریکات خارجی از جمله باد و زلزله را جذب نموده و آن را به انرژی گرمایی تبدیل نمایند. این وسایل عموما براساس استفاده از مکانیزم های جذب انرژی اصطکاکی، تسلیم فلزات، تغییر حالت فلزات و تغییر شکل ویسکوالاستیک جامدات و سیالات یا معمول تر از همه عبور دادن سیال از داخل منافذ کوچک عمل می نمایند.

میراگرهای اصطکاکی(friction dampers):

میراگرهای اصطکاکی از مکانیزم اصطکاک جامدات ناشی از لغزش دو جسم جامد روی یکدیگر به منظور جذب مطلوب انرژی استفاده می کنند. استفاده از اصطکاک جهت استهلاک انرژی سال هاست که مورد توجه محققین بوده که در این راستا می توان به ساخت میراگرهای اصطکاکی اشاره نمود. این میراگرها بوسیله میرایی هیسترزیس ناشی از اصطکاک انرژی را مستهلک می نمایند. اغلب جذب انرژی آنها ناشی از تغییر مکان ایجاد شده در این گونه میراگرها می باشد. این وسایل تحت اثر آستانه ای از بار جانبی فعال می شوند که می باید در طراحی این میراگر مدنظر قرار گیرد. با این کار سیستم اصلی قبل از فعال شدن میراگر آسیب نخواهد دید.

استفاده از ضریب میرایی ویسکوز معادل در سیستمهای اصطکاکی دور از واقعیت است، زیرا هرچند انرژی تلف شده در هر چرخه با تغییر مکان حداکثر مطابقت دارد، اما نیروی حداکثر میراگرها در تغییر مکان های متفاوت با جابجایی حداکثر سازه (و برای سرعت های ماکزیمم حرکت) خواهد بود. این میراگرها در انواع مختلفی ساخته شده اند که از آن جمله می توان به میراگر اصطکاکی پال(pall) قید مستهلک کننده انرژی و اتصالات شیاردار پیچی اشاره نمود. استفاده از این میراگرها در عمل بسیار مرسوم گردیده است. میراگر اصطکاکی /

شکل یک میراگر اصطکاکی از نوع پال.

میراگرهای جرمی تنظیم شده(Tuned Mass Dampers):

یکی دیگر از سیستم های کنترل غیر فعال، میراگر جرمی تنظیم شده(TMD) است که در آن یک سیستم جرم – فنر – میراگر به منظور کاهش پاسخ ناشی از زمین لرزه در بالای سازه قرار می گیرد. کاربردهای اولیه این میراگرها در کاهش تحریکات القایی ناشی از باد بوده است. مشخصات این وسیله به منظور کاهش ارتعاشات شدید در سازه، با فرکانس طبیعی ساختمان تنظیم می شود. باید توجه نمود که یک TMD غیرفعال تنها می تواند با یک فرکانس سازهای تنظیم شود. بدین ترتیب اساسا پاسخ مود اول یک سازه چند درجه آزادی بوسیله TMD کاهش می یابد.

شکل مدل سازه یک درجه آزادی همراه با TMD.

شکل میراگر TMD.

به منظور کنترل بیش از یک مود سازه، امکان استفاده از چندین میراگر جرمی تنظیم شده با مشخصات مودهای مختلف نیز وجود دارد.

میراگرهای مایع تنظیم شده(Tuned Liquid Dampers):

ایده مربوط به میراگر جرمی تنظیم شده سبب پیدایش سیستم کنترل غیرفعال دیگری به نام میراگر مایع تنظیم شده یا TLD شد. هر دو این میراگرها در گرده روش های مبتنی بر تغییر و تنظیم جرم طبقه بندی می شوند. به این جهت از نظر عملکرد کلی بسیار شبیه یکدیگر هستند.

اساس کار TLD مبتنی بر استهلاک انرژی ارتعاشی وارده به سازه ( ناشی از باد ، زلزله و یا …) از طريق تلاطم مایعی کم عمق درون مخزن است. اینرسی جرمی مایع سبب می شود تا مایع با یک اختلاف فاز نسبت به مخزن و سازه که ارتعاش هم فازی دارند، حرکت کند. این حرکت و تلاطم سبب ایجاد تفاوت در رقوم سطح آزاد مایع در جداره های انتهایی این مخزن می شود. اختلاف فشار هیدرواستاتیکی ناشی از این تفاوت، نیروی برشی ایجاد می کند که از طریق کف مخزن به سازه وارد می گردد و به عنوان نیروی کنترل کننده عمل می کند. برای رسیدن به میرایی هر چه بیشتر ، فرکانس طبیعی تلاطم مایع با فرکانس سازه هماهنگ می شود تا TLD به صورت مؤثرتر در کنترل ارتعاشات عمل کند. عوامل متعددی چون عمق و لزجت مایع، زبری کف مخزن، اندازه و شکل مخزن و نسبت جرم مایع به جرم سازه در کارایی TLD موثر هستند که برای رسیدن به درصد استهلاک بهینه باید به گونه مناسبی انتخاب و تنظیم شوند. قابلیت استفاده موقت از TLD، عدم محدودیت به جهت تحریک ورودی، هزینه ساخت و نصب اقتصادی، عدم نیاز به فضای زیاد و نگهداری آسان و هزینه پایین تعمیرات از مزایای TLD است.

میراگرهای ویسکوالاستیک(Viscoelastic Dampers):

مصالح ویسکوالاستیکی که در کاربردهای سازهای مورد استفاده قرار می گیرند اغلب کوپلیمری و یا شیشه ای هستند که انرژی را از طریق تغییر شکل برشی جذب می کنند. یک میراگر معمول ویسکوالاستیک، از لایه های VE پوشیده شده با ورق های فولادی تشکیل شده است. با قرارگیری در سازه زمانی که ارتعاش سازهای حرکت نسبی را بین بال های فولادی خارجی و صفحات مرکزی القا می کند، تغییر شکل برشی و در نتیجه جذب انرژی صورت می گیرد.

شکل ميراگر ویسکوالاستیک.

میراگر ویسکوز مایع(Fluid Viscous Damper):

میراگر ویسکوز مایع سال ها به صورت گسترده در صنایع نظامی و فضایی مورد استفاده قرار می گرفت و در سالیان اخیر کاربردهای سازهای آن در مهندسی عمران نیز مورد استقبال قرار گرفته است.

یک میراگر ویسکوز عموما از یک پیستون درون یک سیلندر پرشده با ترکیبی از سیلیکون یا روغن مشابه دیگری تشکیل شده است. سر پیستون شامل تعدادی روزنه کوچک است که مایع می تواند از طریق آن از یک سمت پیستون به سمت دیگر آن منتقل شود. این میراگرها بر اساس عبور جریان سیال از این منافذ کار می کنند. این نوع میراگرها انرژی را از طریق نیروی مقاوم ایجاد شده از حرکت پیستون در سیال تلف می نمایند. با طراحی دقیق آن می توان میرایی سازه را به حدود ۲۰ تا ۵۰ درصد میرایی بحرانی افزایش داد (معمولا تا ۳۰ درصد مورد استفاده قرار گرفته است). بنابر این استفاده از این میراگرها می تواند به طور مؤثری نیروهای برشی داخلی و تغییر مکان ها را کاهش دهد. به علاوه از آنجا که احتیاج به منبع نیروی خارجی برای شروع عملکرد ندارند، برای استفاده در پروژه های مهندسی بسیار مورد توجه می باشند.

یک پیستون مرکزی در محفظه ای پر از سیال حرکت می کند. پیستون با حرکت خود سیال را به منافذ پیرامون و درونی خود وارد می کند. سرعت سیال در این ناحیه بسیار بالا است. لذا تقریبا تمام انرژی فشاری بالادست جریان تبدیل به انرژی جنبشی می شود. هنگامی که سیال بعد در سمت دیگر سر پیستون به حجم کامل خود برمی گردد، سرعت آن کاهش می یابد و انرژی جنبشی آن از دست رفته و به حالت متلاطم در می آید.

در مقایسه با فشار بالا در سمت بالا دست سر پیستون، در سمت پایین دست آن فشار کمی وجود دارد. این اختلاف فشار سبب ایجاد نیرویی قابل توجه می شود که در برابر حرکت میراگر مقاومت می کند.

شکل میراگر ویسکوز مایع.

اگر میراگرهای ویسکوز با مواد مناسب طراحی و ساخته شوند به هیچ عنوان نشت نخواهند داشت و نیازی به انباره یا منبع خارجی، جهت ذخیره سیال برای پر نگه داشتن آن ندارند. آب بندی این میراگرها تقریبا بی نقص است. در میراگرهای ویسکوز با طراحی درست و مواد مناسب هیچ بخشی کهنه یا خورده نمی شود. لذا برای عمر قابل عملکردی آنها هیچ محدودیتی متصور نیست.

میراگرهای ویسکوز امکان اتلاف انرژی را به سازه می دهند که در اثر آن پاسخ سازه به زلزله، انفجارها، تندبادها، ارتعاشات و شوکها و ارتعاشات دیگر وارد بر آن به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. مقدار ۳۰ درصد میرایی بحرانی به عنوان حد بالای عملی میرایی ویسکوز به کار می رود. حدود ۲۵ درصد این مقدار میرایی لزج و در حدود ۵ درصد آن میرایی سازه می باشد. این امر می تواند سبب کاهش تا ۵۰ درصدی پاسخ سازه نسبت به همان سازه بدون میراگر گردد. باید توجه نمود که افزودن میرایی ویسکوز به سازه سبب تغییر چندانی در پریود آن نمی گردد. این بدان دلیل است که نیرویی میرایی با اختلاف فاز ۹۰ درجه نسبت به نیروهای سازه ای به وجود می آید و در حالت ایده آل سختی برای این ابزار متصور نیست.

از لحاظ تئوری امکان ایجاد میرایی ویسکوز کافی برای جلوگیری کامل از بوجود آمدن مفاصل پلاستیک در سازه وجود دارد. در این حالت سازه ای کاملا خطی خواهیم داشت. از نظر اقتصادی بهترین حالت آن است که تعدادی از این مفاصل پلاستیک را حفظ نماییم چرا که در این حالت به هزینه کمتری احتیاج خواهد بود.

میراگرهای ویسکوز مایع به دو صورت خطی و غیر خطی هستند. حلقه هیسترزیس مربوط به یک میراگر خطی به صورت یک بیضی کامل است، در حالیکه میراگرهای مایع غیرخطی دارای منحنی هیسترزیس با شکلی نزدیک به مستطیل می باشند. تحلیل سیستم های سازه ای با میراگرهای خطی آسان است و می توان این کار را با بیشتر نرم افزارها انجام داد. یک مزیت دیگر میرایی خطی آن است که اندرکنش بسیار کمی بین نیروهای میرایی و نیروهای سازه ای در یک ساختمان وجود دارد. نیروهای سازهای زمانی در نقطه حداکثر خود هستند که نیروهای میرایی صفر هستند. نیروهای میرایی نیز هنگامی بیشترین مقدار خود را دارند که نیروهای سازه ای تقریبا برابر صفر می باشند. در واقع این دو دسته نیرو ۹۰ درجه نسبت به هم اختلاف فاز دارند. در میان این دو حالت یک تغییر مختصر در میزان نیروها وجود دارد.

میراگرهای خطی نیروهای میرایی خیلی زیادی در جایی که سرعت سازه ای بالا وجود دارد تولید می نمایند، به طور مثال در سازه های با پریود بالا تحت تاثیر زلزله، خصوصا در مناطقی که نزدیک گسل قرار گرفته اند. به همین دلیل محققین زیادی تلاش نموده اند تا با استفاده از میراگرهای غیر خطی مقدار این نیروها را، در عین حال که میراگر میرایی موردنظر را تامین می کند، کاهش دهند تا تمرکز نیرو در قسمت های سازه مشاهده نگردد.

میراگرهای ویسکوز مایع از طریق عبور جریان مایع از میان مجاری تعبیه شده در یک پیستون، باعث تبدیل انرژی مکانیکی به گرمایی می گردند. این نوع از میراگرها در ابتدا عموما در سیستم های ایزولاسیون ضربه و ارتعاش، در ماشین آلات و همچنین در کاربردهای نظامی استفاده می شدند. اخیرا نوعی از این وسایل در سازه ها به عنوان جاذب های انرژی لرزه ای و یا اعضای یک سیستم جداسازی لرزه ای، مورد استفاده قرار گرفته اند. میراگرهای مایع شامل یک سیلندر و یک پیستون فولادی ضدزنگ با کلاهکی دارای مجاری عبور مایع از جنس برنز و یک محفظه ذخیره می باشد. سیلندر از روغن سیلیکون، که دارای خصوصیاتی پایدار در محدوده وسیعی از تغییرات دما می باشد، پرشده است. ساختار مکانیکی و شکل مجرای عبور روغن می تواند به گونه ای تنظیم شود که مشخصات مختلف جریان نیروهای مقاوم گوناگونی را تولید نماید. مشخصه مهم این ابزار که آنها را برای اتلاف انرژی لرزه ای مورد علاقه می سازد، رفتار ویسکوز خطی، عدم حساسیت به تغییرات دمایی، ابعاد کوچک در برابر نیروی خروجی آنها، قابلیت اطمینان و طول عمر آنهاست. این میراگرها به عنوان مستهلک کننده های انرژی در کاربردهای علمی، در بادبندها یا اتصالات سازه ای با تغییر شکل های بزرگ، نصب می شوند.

شکل ساختمان میراگر ویسکوز مایع.

میراگرهای ویسکوز در صورت طراحی و ساخت مناسب بدون نشت می باشند و به هیچ مخزن داخلی و یا منبع خارجی به منظور تزریق مجدد مایع نیازی نمی باشد، میراگرهای ویسکوز مایع تقریبا به صورت کامل مهر و موم شده اند و در صورت طراحی و ساخت مناسب نیازی به محافظت خارجی ندارند و همچنین هیچ محدودیت اجرایی نیز ندارند.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی پاسخ لرزه ای و مودال سازه بتنی مجهز به میراگر ویسکوز مایع در نرم افزار ایتبس ETABS انجام شده است.

نمونه نتایج مدلسازی و شبیه سازی: