مزایای استفاده از میراگر لرزه‌ای در مقاوم‌سازی سازه

سیستم‌‌های میراگر لرزه‌ای، تجهیزات نوینی هستند که به منظور جذب انرژی و کاهش نوسان‌های مخرب ناشی از زلزله، در سازه به کار می‌روند. از آن جا که بسیاری از شهرهای ایران جزو مناطق پرخطر به لحاظ وقوع زلزله هستند، اخیرا مزایای استفاده از میراگر لرزه‌ای در مقاوم‌سازی سازه، در کشور ما مورد توجه قرار گرفته‌اند. در این مطلب به معرفی انواع میراگرهای لرزه‌ای و مزایای استفاده از آن‌ها در افزایش مقاومت ساختمان می‌پردازیم.

میراگر لرزه‌ای چیست؟

میراگر لرزه‌ای یا دمپر، المانی است که در ساختمان‌های مناطق زلزله‌خیز نصب می‌شود تا در زمان زمین‌لرزه، ارتعاشات سازه را به حداقل برساند. به طور کلی دو دسته میراگر لرزه‌ای وجود دارد. گروه Vertical TMD در سازه‌های خطی همچون پل و مسیرهای پیاده‌روی استفاده می‌شوند و دسته دوم که Horizontal TMD نام دارند در ساختمان‌های باریک و بلند همچون برج‌های ارتباطی به کار می‌روند.

میراگر لرزه‌ای تنها قادر به کنترل نیروهای جانبی واردشده به سازه است و نقشی در تحمل بارهای استاتیکی ندارد. تنها در زمان وقوع طوفان‌های شدید، زلزله، بادهای سهمگین و … که سبب وارد شدن نیروهای جانبی به ساختمان می‌شوند، میراگر لرزه‌ای فعال می‌شود.

این مطلب را هم مطالعه کنید: استفاده از میراگرهای لرزه ای برای مقاوم سازی ساختمان

میراگر لرزه‌ای چگونه عمل می‌کند؟

میراگر لرزه‌ای با جذب انرژی ناشی از حرکات زمین، از انتقال مستقیم نیروی زلزله از پی به سازه جلوگیری می‌کند. در نتیجه مقاومت ساختمان در برابر زلزله افزایش می‌یابد و احتمال وقوع خسارات مالی و جانی کم می‌شود.

زمانی که یک نیروی جانبی عظیم مانند زلزله به ساختمان وارد شود، شتاب ناشی از آن در کنار جرم قابل توجه ساختمان منجر به ایجاد انرژی جنبشی می‌گردد. با هر بار نوسان ساختمان، انرژی‌های جنبشی در راستای نوسان شکل می‌گیرند تا جایی که تغییر مکان به صفر برسد. میراگر لرزه‌ای با ایجاد نیروی بازدارنده در خلاف جهت نیروی جنبشی ایجادشده، سبب استهلاک انرژی و کاهش دامنه نوسان می‌شود. این خاصیت میرایی نام دارد.

انواع میراگر لرزه‌ای کدامند؟

انواع میراگرهای لرزه‌ای در گروه‌های وابسته به سرعت، وابسته به تغییر مکان و … جای می‌گیرند. در گروه وابسته به سرعت می‌توان به میراگرهای الاستیک و ویسکوز اشاره کرد. میراگرهای وابسته به جابه‌جایی، خود به دو دسته میراگر اصطکاکی و تسلیمی تقسیم می‌شوند. میراگر جرمی، میراگر آلیاژی و میراگرهای سیال هماهنگ‌شده نیز از دیگر انواع دمپرها هستند. در ادامه به ویژگی‌ها و نحوه عملکرد انواع میراگر لرزه‌ای می‌پردازیم.

میراگر تسلیمی (Yield Damper)

در ساخت این نوع میراگر به فلزی نیاز داریم که در زمان بارگذاری دینامیکی در محدوده قبل از تنش تسلیم، خواص میرایی مطلوبی از خود نشان دهد. با فرم‌دهی و نصب قطعات این فلز در محل اتصال اعضای سازه، می‌توان به اتلاف و پراکندگی انرژی زلزله کمک کرد. عدم حساسیت به تغییرات درجه حرارت، مقاومت و دامنه خستگی بالا، خواصی هستند که باید در زمان انتخاب فلز مناسب مدنظر قرار گیرند.

میراگرهای تسلیمی را بر روی عضو تکیه‌گاهی و در زیر تیر طبقه نصب می‌کنند. معمولا برای اتلاف انرژی در این نوع میراگرها، از خاصیت جاری شدن فولاد استفاده می‌شود که بعد از زلزله به دلیل ایجاد تغییر شکل‌های دائمی باید تعویض گردد. این اعضا با افزایش سختی و میرایی، خرابی را در یک نقطه امن و قابل تعویض، متمرکز و از آسیب به قسمت‌های حساس سازه‌ای جلوگیری می‌کنند.

در گروه دیگری از میراگرهای تسلیمی از فلز سرب و خاصیت تغییر شکل خمیری آن جهت تبدیل انرژی جنبشی به حرارتی استفاده می‌شود. این سیستم لرزه‌ای، میراگر سربی تزریقی نام دارد.

میراگر اصطکاکی (Friction Damper)

مکانیزم عملکرد میراگرهای اصطکاکی، اتلاف انرژی در اثر لغزش و اصطکاک بین دو جسم جامد است. در این روش با قرار دادن سطوح لغزشی در محل تقاطع بادبندها، پریود طبیعی سازه افزایش می‌یابد.

میراگر لرزه‌ای اصطکاکی را برای یک مقدار نیروی مشخص طراحی می‌کنند و اگر بار زلزله‌ای کمتر از این میزان باشد، لغزشی رخ نمی‌دهد. امکان دخالت عواملی همچون حرارت و رطوبت در تغییر خواص لغزشی میراگر اصطکاکی به همراه مقاومت آن در برابر آتش‌سوزی، از ضعف‌های این نوع میراگر تلقی می‌شوند.

میراگر ویسکوالاستیک (Viscoelastic Damper)

میراگرهای ویسکوالاستیک به دلیل ساختمان کریستالی و خواص ایزوتروپیک خود می‌توانند از طریق تغییرشکل‌های برشی، انرژی را مستهلک کنند. بنابراین باید آن‌ها را به نحوی در سازه قرار داد تا در معرض تنش‌های برشی قرار گیرند و خاصیت میراگری از خود نشان دهند. از آن جا که سازه‌های خطی همچون پل، شدیدا در معرض نیروهای برشی قرار دارند، از میراگر ویسکوالاستیک برای جلوگیری از پدیده تشدید در اثر بارهای باد و زلزله در ساختمان آن‌ها استفاده می‌کنند.

در این نوع میراگرها از موادی به نام همسپار (Copolymer) استفاده می‌شود که خواص سختی و میرایی آن‌ها تحت اثر عوامل محیطی و شرایط بارگذاری تغییر می‌کند. بنابراین لازم است که میراگرهای ویسکوالاستیک در طول عمر سازه، چندین بار تعویض شوند.

میراگر ویسکوز (Viscous Fluid Damper)

میراگر لرزه‌ای ویسکوز از اجزایی همچون مایع ویسکوز، سیلندر روغن، پیستون، میله پیستون و … تشکیل می‌شود. و با عملکرد هیدرولیکی خود، ارتعاشات لرزه‌ای را در سازه مستهلک می‌کند. سازه در مواجهه با محرک‌های خارجی باد و زلزله، دچار تغییر شکل می‌شود و دمپر را به حرکت درمی‌آورد. اختلاف فشار بین دو سر پیستون باعث حرکت مایع ویسکوز بین پیستون و محفظه میراگر می‌شود و به واسطه لزجت، میرایی و استهلاک انرژی را در پی دارد.

مزایای استفاده از میراگر لرزه‌ای در مقاوم‌سازی ساختمان‌ها چیست؟

استفاده از میراگرهای لرزه‌ای در ساختمان‌ها بسته به نوع میراگر و نحوه عملکرد آن مزیت‌های فراوانی برای پیشگیری از آسیب‌های زلزله و طوفان به همراه دارد.

به طور کلی مزایای استفاده از میراگر لرزه‌ای در مقاوم‌سازی ساختمان‌ها عبارتند از:

• کاهش ارتعاشات ساختمان در زمان زلزله و خسارات مالی و جانی ناشی از آن
• جلوگیری از اختلال در سرویس‌دهی سازه
• کاهش جابه‌جایی نسبی طبقات
• کاهش شتاب سازه در زمان ارتعاش و جذب انرژی‌های مخرب
• کاهش تغییرشکل‌های تخریب‌کننده در سازه
• کاهش وزن سازه به خاطر استفاده از المان‌های سبک
• کاهش حجم مصالح و صرفه‌جویی در هزینه‌
• قابلیت نصب نسبتا سریع و آسان
• قابلیت استفاده ترکیبی با دیگر روش‌های مقاوم‌سازی ساختمان

جمع‌بندی

در این مطلب با انواع میراگر و مزایای استفاده از میراگر لرزه‌ای در مقاوم‌سازی سازه آشنا شدیم. اگرچه تهیه، نصب و سرویس میراگرهای لرزه‌ای، معمولا هزینه بالایی دارد، اما هزینه‌های ناشی از ساخت‌وساز و تعمیر ساختمان‌هایی که در اثر زلزله و بارهای جانبی آسیب دیده‌اند، به مراتب بیشتر است. به‌ویژه در سازه‌های بزرگ و مهمی همچون پل‌ها، برج‌ها و ساختمان‌های بلندمرتبه، استفاده از میراگر لرزه‌ای مناسب، جهت پیشگیری از آسیب‌ها و تلفات جانی ضرورت دارد.