■ استفاده از قابهای مهاربندی شده با میراگرهای اصطکاکی برای سبک سازی سازه ها بخش عمران

چکیده:

یک روش کنترل غیرفعال از طرح لرزهای برای ساختمانهای اسکلت فلزی مورد بررسی قرار گرفته است با تعبیه تجهیزات اصطکاکی در سیستمهای مهاربندی شده ساختمانهای اسکلتی، مقاومت در برابر زلزله و پتانسیل کنترل خسارت آنها را میتوان به میزان قابل ملاحظهای بهبود بخشید. درحین تحریکات شدید زلزله، تجهیزات اصطکاکی می لغزند و در عوض جاری شدن غیر ارتجاعی اعضاء اصلی سازه، سهم زیادی از انرژی ارتعاشی را به صورت مکانیکی در اصطکاک تلف میکنند. تحلیل دینامیکی غیرخطی تاریخچه زمانی رفتار بهتر قابهای فلزی مهاربندی شده با میراگر اصطکاکی را در مقایسه با انواع دیگر قابها نشان میدهد. این نوع میراگرها به خاطر سادگی نصب و ارزان قیمت بودنشان میتوانند در ساختمانهای جدید و هم ساختمانهای موجود بکار روند.

1-مقدمه:
ارتعاش شدید زمین، نیروهای اینرسی جانبی در سازه ایجاد می کند وسبب می شود سازه با دامنهای متناسب با انرژی ورودی به آن نوسان کند. اگر قسمت اعظم این انرژی درحین حرکات سازه صرف شده باشد، پاسخ لرزهای به طور قابل ملاحظه ای بهبود خواهد یافت. به طور کلی، همه روشهای موجود طراحی لرزهای روی شکل پذیری اجزاء سازهای بنا شده است. قابلیت تلف کردن انرژی تحت تغییر شکلهای پلاستیک به سبب خمش، پیچش و ترک خوردگی میتوانند نمونه هایی از این دست باشند. این روند بخشی از خسارتهای ماندگار را به خود می گیرد؛ در بعضی حالتها فقط با فروریزش بخش کوچکی از سازه همراه می شود، اما همین فروریزش جزئی می تواند به خسارتهای ثانویه ای منجر شود که از لحاظ اقتصادی چشمگیرتر از فرو ریختن کل سازه شود.
(ممکن است تجهیزات و وسایل موجود در ساختمان ارزشی به مراتب بیشتر از خود ساختمان داشته باشد)
اگر قسمت اعظم انرژی لرزهای را بتوان به صورت مکانیکی تلف کرد، پاسخ سازه را میتوان بدون خسارت سازهای کنترل کرد. تحلیل دینامیکی غیرخطی تاریخچه زمانی برای پاسخ لرزهای سیستمهای سازه ای مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج تحلیلها، زمانی که با پاسخهای بدست آمده از قاب خمشی (MRF) و قاب خمشی مهاربندی شده (BMRF) مشابه مقایسه می شود، رفتار بهتری از قابهای مهاربندی شده با میراگر اصطکاکی مشاهده می شود. تجهیزات اصطکاکی شبیه یک میراگر سازهای برای کنترل کردن دامنه و شبیه یک شیر اطمینان برای محدود کردن نیروهای وارده عمل می کند.

2-سیستمهای سازهای موجود:
قابهای فلزی مهاربندی شده اقتصادی هستند و در کنترل تغییر شکلهای جانبی تحت اثر باد و زلزله های ضعیف مؤثرند اما حین زلزله های شدید این نوع سازه ها رفتار مطلوبی نداشته اند. اول اینکه سختی این نوع سازه ها زیاد است پس تمایل به جذب نیروهای لرزهای بیشتری دارد، دوم اینکه ظرفیت اتلاف انرژی آنها به خاطر رفتار باریک شدگی(PINCHING) حلقه ای مهاربندها بسیار محدود است.
اتلاف انرژی در سازههای با رفتار باریک شدگی منحنی های چرخشی یا منحنیهای چرخشی(HYSTERESIS) ناقص خیلی کم است و برای مقاومت در برابر زلزله با شک و تردید به آنها نگاه می شود. رفتار این نوع سازه ها زمانی که مهاربند فقط برای کشش طراحی شده، بسیار ضعیف می باشد. مهاربند کششی حین اولین شوک شدید کشیده می شود و در فشار تحت بارهای برگشتی کمانش میکند، در سیکل بعدی بار، مهاربندهای افزایش طول یافته دیگر حتی در کشش مؤثر نیستند تا دوباره کشیده شوند و در نتیجه افزایش طول بیشتری پیدا کنند، پس اتلاف انرژی به صورت خیلی سریع در سیکلهای بعدی کاهش پیدا می کند. قابهای خمشی(MRF) به علت قابلیت مقاومت در برابر بارهای لرزه ای مورد توجه هستند، زیرا این نوع قابها رفتار شکل پذیر پایداری تحت بارهای رفت و برگشتی دارا می باشند. این رفتار در آئین نامه های مختلف لرزه دای بوسیله اختصاص نیروهای جانبی کمتر منعکس شده است.
به هر حال این نوع سازه ها بسیار انعطاف پذیر هستند و از نظر اقتصادی برای ایجاد سختی کافی جهت کنترل تغییر مکان نسبی (DRIFT) طبقه ها و تغییر مکانها (DEFLECTION) برای جلوگیری از خسارتهای غیرسازه ای کاری بسیار دشوار می باشد، علاوه بر این به علت تغییر مکانهای زیادشان، پایداری سازه تحت اثر(P-DELTA) تعیین کننده است که می تواند قابل ملاحظه باشد. در زلزله های اخیر، نیاز به سازههای محکم تر احساس شده بودکه رفتار شکل پذیر قابهای خمشی را با سختی قابهای مهاربندی شده ترکیب کند. در ژاپن: طراحان اغلب قابهای خمشی مهاربندی شده (BMRF) را بکار گرفته اند که مهاربند فقط برای حمل قسمتی از بار جانبی طراحی شده است. قابهای مهاربندی شده خارج از مرکز(EBF) نوع دیگری از سازه های بکار رفته می باشد، در این نوع سازه ها بخاطر اینکه گره ها هم مرکز نیستند تیر میانی حین زلزله مجبور به رفتار غیرارتجاعی، برای اتلاف بیشتر انرژی می شود.
بعد از یک زلزله شدید در این نوع سازه ها؛ تغییر شکلهای غیرارتجاعی(پلاستیک) بزرگی در کفها می توان انتظار داشت، معمولاُ این نوع سازه ها از فروریزش کلی رهایی می یابند ولی تیرهای اصلی از بین می روند و سازه نیاز به تعمیرات اساسی خواهد داشت.

3- روشهای کنترل سازه:
سیستمهای جدید حفاظت سازه را میتوان به سه گروه تقسیم کرد:
-1 جدا سازی لرزهای (BASE ISOLATION)
-2 کنترل فعال (ACTIVE)
-3 اتلاف انرژی غیرفعال (PASSIVE)
روش جدا سازی لرزهای در حال حاضر بسته به حساسیت سازه در اکثر کشورها استفاده میشود. سیستم جدا ساز لرزهای عموماُ در شالوده سازه ها نصب می شود. با استفاده از قابلیت جذب انرژی و نرمی آنها، سیستمهای جداساز بخشی از انرژی ورودی زمین لرزه را منعکس و بخش دیگر را قبل از اینکه به سازه منتقل شود جذب می نماید.اثر نهائی؛ افزایش پریود سازه و در نتیجه کاهش تقاضای اتلاف انرژی بر روی سیستم سازهای است که باعث بقای بیشتر آن می شود.
کنترل فعال و نیمه فعال بخشی از حفاظت سازهای می باشند که در آن حرکت سازه توسط عملکرد سیستم کنترلی که با استفاده از منابع انرژی خارجی کنترل و اصلاح می شود اگر چه سیستمهای کنترل نیمه فعال تنها به مقدار کمی انرژی جهت تنظیم خواص مکانیکی خود احتیاج دارند، اما بر خلاف سیستهای فعال، این نوع سیستمها به سازه انرژی اضافی وارد نمی کند. این نوع سیستمها به دلیل مسائل اقتصادی و نگهداری و تکنولوژی خاص خود کمتر مورد استفاده قرار می گیرد و تنها در بعضی از کشورها از جمله آمریکا و ژاپن آن هم در سازه های خاص مورد استفاده قرار گرفته است .البته تحقیقات در مورد این سیستمهای کنترلی در بسیاری از کشورها در حال انجام می باشد. تکنیکهای کنترل غیرفعال که در دو دهه گذشته کاربرد اساسی برای کنترل پاسخ لرزهای ساختمانها داشته اند، بر پایه اتلاف بخش بزرگی از انرژی انتفال داده شده بوسیله زلزله به سازه است. سطح بالای حفاظت لرزهای سازه های قابی؛ کاهش فوق العاده در تعمیرات مورد نیاز بعد از زلزله های شدید و قابل استفاده بودن ساختمانها بعد از چنین زلزله هایی سبب می شود که هزینه های اضافی ایجاد شده برای این تجهیزات پوشش داده شود. در مقابل سیستمهای کنترل فعال این سیستمها نیازی به منابع نیروی خارجی ندارند. تجهیزات اتلاف کننده انرژی بسیار مختلفی برای کنترل غیر فعال ارتعاشات در دسترس می باشد.
بطور کلی آنها را میتوان به دو دسته تقسیم بندی کرد:
1-مستقل از سرعت حرکت (وابسته به تغییرمکان)
2-وابسته به سرعت حرکت
دسته اول شامل میراگرهای با منحنی چرخشی پایدار و مکانیسم اتلاف انرژی مستقل از سرعت حرکت می باشد. فعالسازی این تجهیزات زمانی که به ترازهای تنش از پیش تنظیم شده رسیده یا بیشتر شده با شد، اتفاق می افتد. میراگرهای از این دسته به میراگرهای هیسترتیک معروف هستندکه شامل میراگرهای اصطکاکی، میراگرهای جاری شوند (ADAS &TADAS)می باشد. دسته دوم شامل تجهیزاتی است که در آنها اتلاف انرژی وابسته به سرعت حرکت است و این بخاطر خاصیت ویسکوز الاستومرها یا سیالات یا ویسکوالاسیسیته این تجهیزات می باشد، برای این تجهیزات انرژی تلف شده، تابعی خطی یا غیرخطی از فرکانس بار وارده می باشد.

4-مفاهیم پایه ای میراگرهای اصطکاکی:
سیستمی که رفتار قاب خمشی را با سختی قاب مهاربندی ترکیب می کند، سیستم میراگر اصطکاکی است که اولین بار توسط پال (PALL) در سال 1979 پیشنهاد شد. این سیستم هزینه بالا و افت منحنی چرخشی ناشی از بکار گرفتن سیستم مهاربند را ندارد. این سیستم که از تجهیزات اصطکاکی تشکیل شده است، در محل تقاطع مهاربندهای ضربدری قرار داده می شود. این میراگرها طوری طراحی می شوند که حین زلزله های خفیف یا باد نلغزد، اما حین زلزله های شدید تحت بر از پیش تعیین شده، شروع به لغزش کند.
این لغزش انرژی ورودی را به طور مکانیکی تلف میکند و از جاری شدن مهاربند و دیگر عضوهای سازهای جلوگیری می کند، بنابراین عملکرد استفاده بدون وقفه سازه را بعد از رخداد زلزله مهیا می کند. میرائی، انرژی جنبشی را جذب میکند و از تشدید (فرکانس طبیعی سازه منطبق بر فرکانس زمین لرزه باشد) جلوگیری می کند.
گسترده ترین روش اتخاذ شده برای جذب انرژی جنبشی از جسم در حال حرکت، ترمز اصطکاکی می باشد. این مؤثرترین، قابل اعتمادترین و اقتصادی ترین روش اتلاف انرژی می باشد و بوسیله مهندسان مکانیک برای چندین قرن مورد استفاده قرارگرفته است. اصول ترمز اصطکاکی که به توسعه میراگر اصطکاکی منجر شد؛ همانند ماشینها و اتومبیلها، می تواند حرکت ارتعاشی سازه را بوسیله اتلاف انرژی در اصطکاک کاهش داد.

5-قابهای مهاربندی با میراگر اصطکاکی
ساختن میراگر اصطکاکی ساده و ارزان است و ابعاد آن به اندازه کافی کوچک است نا بتوان در میان تیغه ها قرارش داد. میراگر اصطکاکی از یک سری ورقهای فلزی با حفرههای شیاردار تشکیل شده است. صفحات ورقهای با پیچهای با مقاومت بالا به یکدیگر در درون عضوهای مهاربندی موجود یا جدید محکم شده است. این نوع میراگر اصطکاکی به اصطلاح میراگر پیچ با آستانه لغزش محدود معروف به(LIMITED SLIP BOLTED) : است که اولین بار توسط پال ( 1980 ) ساخته شد طرح میراگر پیچی با آستانه لغزش محدود از بالشتکهای ترمز بین صفحات فولادی جهت فراهم نمودن رفتار مناسب نیرو- جابجائی استفاده می کند. نوع دیگر میراگرهای اصطکاکی، میراگر پال می باشدکه رفتار بهتری نسبت به میراگر قبلی دارا می باشد.
دو نوع جدید از تجهیزات اصطکاکی تک محوری که یکی از این دو میراگر اصطکاکی سومیتومو (SUMITOMO,1993 ) در ژاپن بکاررفته است. در این نوع میراگر بالشتکهای اصطکاکی ساخته شده از آلیاژ مس در امتداد سطح داخلی یک پوشش فولاد یا استوانه ای می لغزد. نیروی عمودی مورد نیاز از طریق عملکرد یک فنر در مقابل گوه داخلی و خارجی فراهم می شود. نوع دوم از یک قید اتلاف انرژی پیچیده تری توسط (NIMS et al)که ارائه شده بهره می برد. در این طرح اتلاف انرژی بر روی فصل مشترک بین گوههای اصطکاکی برنزی و دیواره فولادی استوانه ای رخ میدهد. ترکیب گوه ها،گیره ها فنر داخلی یک نیروی اصطکاکی متناسب با جابجائی دو و انتهای میراگر تولید می کند.

6- بار لغزش بهینه
پاسخ لرزهای سازه بوسیله مقدار انرژی ورودی و انرژی تلف شده تعیین می شود. پاسخ بهینه لرزهای عبارتست از حداقل کردن اختلاف بین انرژی ورودی و انرژی تلف شده. انرژی ورودی اصولاَ به پریود طبیعی سازه و مشخصات دینامیکی حرکت زمین وابسته است. سازه را می توان بوسیله اصلاح مشخصات دینامیکی آن نسبت به حرکت زمین از وقوع پدیده تشدید یا نیمه تشدید (ضربان) جلوگیری کرد. تاکنون مشخصات حرکت زمین با داده های تخمینی همراه بوده است که از اندرکنش خاک و سازه بدست آمده که تمامی اینها در طبیعت بسیار نامنظم هستند. پس کنترل انرژی ورودی به تنهائی نمی تواند قابل اطمینان باشد. به هر حال در قابهای مهاربندی شده با میراگر اصطکاکی پریود سازه از لغزش میراگر اثر پذیرفته و با حرکت آن تغییر می کند و ضمناٌ شرایط ایجاد پدیده تشدید را دشوار می سازد. اتلاف انرژی در مهاربند از حاصلضرب نیروی لغزش در زمان لغزش حین هر نوسان بدست می آید.
زمانی که بار لغزش میراگر زیاد باشد اصطکاک در آن صفر خواهد بود و مانند آن است که هیچ لغزشی اتفاق نیافتاده است. اگر بار لغزش خیلی کم باشد مقدار اتلاف انرژی، باز هم قابل صرف نظر کردن خواهد بود. بین این دو حد مقدار متوسطی وجود دارد که حداکثر انرژی تلف شده را به ما می دهد. با انتخاب مناسب بار لغزش، رفتار سازه به یک مقدار بهینه تنظیم می شود.

7-مثال تحلیلی
این مثال تحلیلی، با استفاده از نتایج کارهای تحلیلی آقایان A.Filiatrault and S. Cherry که ماْخذ آن در شماره یک بخش منابع آمده است. در این بخش به بررسی نتایج تحلیل دینامیکی غیرارتجاعی تاریخچه زمانی قابهای مختلف با استفاده از نرم افزار (DRAIN-2D) و مقایسه آن با نتایج( SAP 2000) که می تواند قابل تآمل باشد.
مدلی با مقیاس 1/3 (یک سوم) از یک قاب خمشی سه طبقه برای آزمایش روی میز لرزان مورد استفاده قرارگرفت. ابعاد کلی مدل قاب (05,2 *4,1 ) متر در پلان و 53,3 متر در ارتفاع بود. تمامی تیرها و ستونهای اصلی از کوچکترین مقطع (s 75* 8)S ساخته شده بود. اتصالات تیر به ستون طوری طراحی شده بودند که براحتی بتوان به قاب خمشی مهاربندی شده یا قاب مهاربندی شده با میراگر اصطکاکی هر زمان که نیاز باشد تبدیل شود.
فرکانسهای طبیعی سه سیستم به صورت زیر بدست آمد:
MRF=2.86 HZ;BMRF=5.29 HZ; FDBF=7.03 HZ
از رکورد زلزله السنترو 1940 مولفه (شمال- جنوب) که به 0,52 شتا ب ثقل مقیاس بندی شده بود، در تحلیلها استفاده شده است. نتایج تحلیلها بوسیله نرم افزار(DRAIN-2D) نشان می دهد که تغییر شکل بالای قاب مهاربندی شده با میراگر اصطکاکی، فقط % 12 تغییر شکل معادل در قاب خمشی و % 25 تغییر شکل در قاب خمشی مهاربندی شده است. برش پایه حداکثر، قاب مهاربندی شده با میراگر اصطکاکی فقط % 21 و % 45 مقادیر برش متناظر در قاب خمشی و قاب خمشی مهاربندی شده است.

8-نقش میراگر اصطکاکی در سبک سازی
میراگر اصطکاکی به طور مستقیم در سبک سازی سازه ها نقشی ندارد، اما به طور غیرمستقیم می تواند تاْثیر بسزائی در سبک سازی سازه ها ایفا کند.
امروزه تمامی آئین نامه های طراحی لرزه ای کشورهای مختلف به سوی طراحی بر مبنای سطح عملکرد حرکت می کنند.کلیه این آئین نامه ها بر مبنای دو معیار پذیرش تغییرمکان نسبی (Drift) یا چرخش مفصل پلاستیک (Rotation) می باشد. از اینرو با توجه به کاهش چشمگیر تغییر مکانها در هنگام استفاده از میراگرهای اصطکاکی می توان برای رسیدن به یک سطح عملکرد مشخص مقاطع تیرها و ستونها را به مقدار زیادی کاهش داد که به همان سطح عملکرد برای انواع دیگر قابها برسیم. این مسئله در سازه های بلند که سهم زیادی از وزن سازه را مقاطع به خود اختصاص داده اند، ملموس تر می باشد.
البته باید به این نکته توجه داشت که اگر در طراحی ساختمانهای جدید یا بهسازی ساختمانهای موجود از این نوع میراگر استفاده شود، دیگر نمی توان در آن دهانه ها از تیغه های گچی یا بلوکهای سیمانی توپر استفاده کرد، زیرا این میراگرها نیاز به فضای آزاد برای حرکت خواهد داشت، پس یا باید از پانلهای گچی توخالی مانند (DRY WALL) استفاده کرد یا در مواقعی که شرایط معماری اجازه دهد به صورت تنها و بدون تیغه از این میراگرها استفاده کرد که نمونه های بسیار زیادی در کشورهای ایالات متحده و ژاپن شاهد هستیم، که این مسئله نیز مزید بر علت می شود تا در سازه هایی که از میراگر اصطکاکی استفاده می شود مقوله سبک سازی نیز لحاظ شود.