میراگر های جرمی

فهرست مطالب:

• سازه های بلند
• تاریخچه سازه های بلند
• سیستم های سازه ای سازه های بلند
• میراگرهای سازه های بلند
• تاریخچه سیستم های میراگر جرمی تنظیم شده
• مدل ریاضی از سیستم TMD
• مثالهایی از میراگر های جرمی تنظیم شده موجود
• معرفی مدل های سازه ای مدل شده

نمونه ای ازمطالب قرارگرفته درداخل این پاورپوینت:

سازه های بلند:

• با توجه به ازدیاد جمعیت و همچنین با توجه به ازدیاد وسعت بهینه شهرها لازم است که از زمین به نحوه مطلوبی استفاده گردد. ساختمانهای بلند یک راه ‍حل خوب و اقتصادی برای اسکان جمعیت، مشاغل، ادارات و غیره در یک وسعت کم از زمین می‍باشد.امروزه بسرعت در سرتاسر جهان توسعه سازه های بلند در حال افزایش است.
• در ابتدا کاربری سازه های بلند بیشتر اداری-تجاری بود ولی بسرعت کاربردهای دیگری نظیر مسکونی ، استفاده های مختلط و هتل افزایش یافت.
• ازنقطه نظر مهندسی، سازه بلند به سازه ای اطلاق میشود که نسبت ارتفاع به ابعاد دیگر آن باعث شود نیروهای جانبی ناشی از باد و زلزله، بر طراحی آن تأثیر قابل توجهی گذارد، لذا باید این تأثیر را از ابتدای مراحل طراحی در نظر گرفت. یکی از مشکلات اساسی در طراحی سازه­های بلند استفاده از سیستم سازه­ای است که بتواند در مقابل بارهای جانبی به خوبی مقاومت کند. با افزایش ارتفاع ساختمانها نیروی جانبی وارد بر سازه به طور قابل ملاحظهای افزایش مییابد، بطوریکه در طبقات بالایی برجها شاهد تغییرمکانهای جانبی زیادی خواهیم بود و باید با روشی مناسب درصدد کاهش آنها برآییم.

تاریخچه سازه های بلند:

دوره های تحول آسمانخراشها در جهان را می توان به 4 دوره تقسیم کرد:

1- تحول اولیه از سال 1880 تا 1900 در شیکاگو: ساختمانهای بلوک مانند که تا 20 طبقه هم می رسید، اینگونه ساختمانهای جدید، باید در بافت شهری جا می افتاد، بامی مسطح و حجمی مکعب مستطیل داشتند.

2- احداث برجهای سر به فلک کشیده در نیویورک : در نیویورک آسمانخراشها به صورت نشانه های شهری در آمدند. از سال 1925 تا جنگ جهانی دوم، برجها شکل پلکانی داشتند.

3- تحول آسمانخراشها با مدرنیسم رقم می خورد. استخوان بندی و پوسته شفاف ساختمان، کاملا” در معرض دید ناظران بود، به عبارتی دیگر تکنولوژی تا سطح هنر ارتقا یافت. مهندسی احداث ساختمانهای بلند در این دوره تحولی دوباره یافت. نظامهای سازه ای کارآمدی به وجود آمد که به یاری آنها مرتفع ترین بناهای جهان در دهه 1970 سر برآوردند.

4- معاصرترین دوره ساخت آسمانخراشها، همزمان با پیدایش پست مدرنیسم و مدرنیسم متاخر شکل گرفت.

و……..

میراگرهای سازه های بلند:

• سیستم های میرای مختلفی جهت کاهش اثر بار بادها در سازه های بلند بکار برده شده است.
• آنها را می توان به دو گروه سیستم های غیرفعال و سیستم های فعال تقسیم بندی کرد.
• ابزار کنترل غیر فعال (Passive) سیستم هایی هستند که نیاز به منبع انرژی خارجی ندارند. این ابزار از نیروهایی که در پاسخ به حرکت سازه در داخل آنها ایجاد می‌شود بهره میگیرند. جدا نمودن پایه ای (Base Isolation) و میراگر جرمی تنظیم شده (TMD) از این گروهند.
• در کنترل فعال (Active)، پاسخهای سازه توسط انرژی خارجی وارده بر سازه کاهش می یابد. این سیستم‌ها دستگاههای قابل کنترلی هستند که توسط ابزار کمکی همواره در حال وارد کردن نیروهای کنترلی به ساختمان هستند. به عنوان مثال کابلی به ساختمان وصل می‌شود و در جهت خلاف نیروهای برشی وارده زلزله به ساختمان نیرو وارد میکند. سیستم‌های فعال از غیر فعال موثرتر هستند، اما علیرغم عملکرد عالی، مشکل بزرگ هزینه‌های اجرایی و نگهداری را دارند. نمونه این گونه سیستم‌ها میراگرهای جرمی فعال (AMD) میباشد.
• بنابراین در حالت کلی سیستم های فعال از سیستم های غیر فعال موثرتر هستند. هرچند از لحاظ اقتصادی و قابلیت اطمینان، سیستم های غیر فعال بیشتر از سیستم های فعال در سازه های بلند استفاده می شود.

میراگرهای جرمی تنظیم شده (TMD):

• نیروهای جانبی که در اثر عوامل دینامیکی همچون باد و زلزله در یک سازه ایجاد میشوند تابعی از مشخصات دینامیکی سازه مانند سختی وضریب میرایی وفرکانس طبیعی ارتعاش میباشند.از این رو برای مقاوم نمودن یا طرح یک سازه برای تحمل این بارهای دینامیکی ممکن است بجای تقویت اعضاء آن برای تحمل بارهای وارده با استفاده از میراگرها نیروهای القاء شده در سازه تحت تحریکات دینامیکی را تا تحت ظرفیت باربری اعضاء آن کاهش داد.
• یکی از انواع میراگرهای استفاده شده در سازه ها برای میرا کردن انرژی ورودی به سازه به خصوص انرژی ناشی از نیروی باد، میراگر جرمی تنظیم شده (Tuned Mass Damper) می باشد.
• یکی از انواع سیستم های غیر فعال برای کنترل پاسخ سازه ها در برابر بارهای دینامیکی میراگرهای جرمی تنظیم شده Tuned Mass Dampers می باشند،ساده ترین نوع این میراگرها شامل جرم و فنرمیباشد که در حالت ایده آل با 90 درجه اختلاف فاز نسبت به نوسانات اصلی سازه ارتعاش مینمایدودر نتیجه موجب افزایش میرایی و کاهش پاسخ های آن سازه میشود.
• میراگرهای جرمی سیستم هایی هستند متشکل از سه جزء جرم داخلی و فنرداخلی و دمپینگ که به صورت سیستم دینامیکی با یک درجه آزادی بر بالای سازه قرار می گیرند و به هنگام ارتعاش سازه این سیستم نیز شروع به ارتعاشی با فاز مخالف فرکانس ارتعاشی سازه می کند و نیروهای اینرسی آن باعث استهلاک ارتعاشات سازه می شود.
• این نوع میراگر خود می تواند به دو صورت فعال و غیر فعال در سازه به کار برده شود که نوع غیر فعال آن به دلیل امکان بهره برداری همیشگی، عدم نیاز به تعمیر و نگهداری ویژه و عدم نیاز به منبع انرژی خارجی کاربرد وسیعی دارد. برای این منظور تا حد امکان باید فرکانس جرم افزوده را نزدیک به فرکانس ارتعاشی سازه تنظیم کرد تا اگرسازه با این فرکانس تحریک شد، میراگر با سازه ی اصلی در فاز مقابل ارتعاشی قرار بگیرد و بخش بزرگی از انرژی ورودی با نیروی اینرسی میراگر مستهلک شود.
• سیستمهای جذب انرژی غیرفعال سازه ها, در سالهای اخیر به طور وسیعی در صنعت ساختمان مورد استفاده قرار گرفته اند. به طورکلی, این سیستم ها شامل وسایل و مصالحی می شوند که میرایی, سختی و مقاومت سازه را افزایش داده و می توانند به منظور کاهش خطرات طبیعی محتمل و نیز مقاوم سازی سازه های جدید یا ساخته شده, به کار روند؛ علیرغم وجود پیشرفتهای مذکور, متاسفانه در صنعت ساختمان کشورمان, این روشها چندان موردتوجه قرار نگرفته اند. شاید بتوان این کم توجهی را ناشی از ویژگی محافظه کارانه صنعت ساختمان ایران, عدم تمایل نسبت به بکارگیری تکنولوژیهای نوین و ارتباط ضعیف آن با پژوهشهای علمی روز دنیا دانست.
• عملکرد این سیستم اساسًا بر مبنای استهلاک انرژی تحت TMD ارتعاشی سازه بصورت حرکت نوسانی جرم میراگر میباشد. اگرچه نتایج حاصل تا حد زیادی به ویژگیهای شتاب- نگاشت مورداستفاده در تحلیل وابسته است ولی بطورکلی میتوان دریافت که حتی با استفاده از جرمی که در مقایسه با جرم خود سازه کوچک است, میتوان پاسخ تغییرمکان و شتاب سازه را به میزان نسبتًا مناسبی نسبت به مقدار فرکانس تنظیمی خود TMD کاهش دهد.

تاریخچه سیستم های میراگر جرمی تنظیم شده:

• فرضیه میراگر جرمی تنظیم شده (TMD) برای اولین بار توسط Frahm در سال 1909 برای کاهش حرکات سالن کشتی مورد استفاده قرار گرفت .
• بعدها تئوری TMD بوسیله Ormondroyd و Den Hartog در مقاله ای در سال 1928 ارائه گردید. که بوسیله بحثهای مفصلتری راجع به تنظیمات و پارامترهای میرائی بهینه در کتاب “ارتعاشات دینامیکی” آقای هارتوق پیگیری گردید.
• سال ١٩۴٠ کتاب “ارتعاشات دینامیکی” هارتوق شامل بحثهای مفصل TMD منتشر شد
• سال ١۹٨٠- ١٩٩۳ تحقیقات زیادی راجع به سیستمهای یک درجه آزادی دارای میرائی انجام گرفته و منتشر گردید .
• در سال 1982شخصی بنام warburtonلیستی از مقادیر بهینه برای به حداقل رساندن پاسخ سازه ارائه نمود.
• درسال 1993 korenev,Reznikovدر کتاب خود مقدیر بهینه میراگرهای جرمی را ارائه نمودند.
• در سال 2008 اشخاصی بنام های taylor ,shakeelبه بررسی میزان اثر بخشی میراگرهای جرمی تحت بارهای مختلف پرداخته اند.

تئوری میراگر های جرمی

• میراگر جرمی تنظیم شده، ابزاری است که به سازه متصل می شود و تحت اثر حرکات جانبی سازه شروع به ارتعاش مینماید.
• فرکانس میراگر بگونه ای تنظیم میشود که در فاز مخالف با فرکانس ارتعاشی سازه باشد .
• نیروی اینرسی میراگر باعث ازبین رفتن انرژی ارتعاشی ســازه مـی شود.

میراگر های جرمی اولیه دارای معایبی هستند :

• مکانیسم های پیچیده ای برای غلتک و اجزای میراگر داشتند
• دارای جرمهای زیادی بودند
• فضای زیادی اشغال میکردند
• کاملا گران بودند

تغییرات در میراگرهای جدید :

• نمونه های اولیه میراگرهای جرمی تنظیم شده دارای مکانیزم های پیچیده ای را برای غلتک واجزای میراگر استفاده مینمودند.در نتیجه دارای جرم زیادی بودندو فضای زیادی را اشغال میکردندنمونه های اخیر در شکل زیر نشان داده شده است
• بجای غلتک مکانیکی از غلتکهای لاستیکی استفاده میشود که امکان عملکرد در جهتهای مختلف را دارا میباشند و همانند فنر های برشی عمل میکنند
• از لاستیکهای قیری (BRC) که توانائی میراگرهای ویسکو الاستیک را دارا هستند ، بجای میراگر استفاده میشود.
• این نوع میراگرها دارای اندازه ای کوچکتر از نمونه معمولی بوده ونیاز به بازرسی های منظم ندارند وبه آسانی بر زوی سازه ها نصب میشوند.