عملکرد لرزهای سازه بتنی با میراگر پال
با توجه به لرزه خیز بودن بیشتر مناطق ایران، مقابله با این پدیده طبیعی به دلیل خسارت عمدهی مالی و جانی ناشی از آن امری غیر قابل اجتناب است. پس پژوهشگران تلاشهای گستردهای برای طراحی و مقاوم سازی سازهها در برابر زلزله به کار گرفتهاند. به منظور افزایش مقاومت لرزهای سازههای قابی، بیشتر بادبندهای فولادی یا دیوارهای برشی مورد استفاده قرار میگیرند. استفاده از دیوارهای برشی در سازههای قابی بتن مسلح و بادبندهای فولادی در سازههای قابی فولادی متداولتر است.
با افزودن بادبند فولادی به قاب بتن مسلح، بسته به جزییات استفاده شده، سختی معادل قاب افزایش قابل ملاحظهای یافته و در رفتار آن تغییر چشمگیری حاصل خواهد شد.
در سال اوایل دهه ۱۹۸۰، اوتار اس.پال وسیلهای برای مستهلک کردن انرژی ورودی لرزهای به سازه از طریق اصطکاك نوآوری کرد. او این ایده را از مکانیزم ترمز اتومبیلها الهام گرفت و معتقد بود که عمل ترمز مشابه توقف حرکت ساختمانها در حین زمین لرزه است. همان گونه که ترمز اصطکاکی وسیلهی نقلیه، انرژی جنبشی ناشی از حرکت آنها را تلف میکند، حرکت ساختمان نیز میتواند سبب استهلاك انرژی ناشی از زلزله به وسیلهی یک مکانیزم اصطکاکی باشد. این نظریه در سال ۱۹۸۲ منجر به نوآوری در میراگر اصطکاکی پال شد.
پژوهشهای صورت پذیرفته پیرامون بهسازی سازههای بتن آرمه با انواع بادبندهای فولادی و مطالعهی تحلیلی و آزمایشگاهی گستردهای که تاکنون در خصوص مقابله با آثار مخرب زلزله بر سازهها انجام شده است، دلالت بر کارآیی مناسب مکانیزمهای مختلف کنترل لرزهای غیر فعال سازهها به عنوان گزینهای کارآمد برای مقابله با نیروهای زلزله دارد. از میان روشهای مختلف کنترل، به کارگیری میراگر اصطکاکی به علت داشتن مکانیزمی ساده و عدم نیاز به مصالح و تکنولوژی خاص، میتواند یکی از بهترین روشها برای ارتقای رفتار لرزهای سازههای موجود به حساب آید. با استفاده از میراگرهای اصطکاکی ضمن افزایش سختی، قابلیت اتلاف انرژی هیسترزیس سازه نیز بیشتر خواهد شد. رفتار غیر ارتجاعی میراگرها و قرار گیری آنها در نقاط مختلف یک سازه، سبب اتلاف انرژی ورودی ناشی از تحریک زمین لرزه میشوند. همچنین در سازههای با اهمیت زیاد میتوان با انتخاب مناسب پارامترهای طراحی، از ورود اعضای اصلی سازهای به محدودهی رفتار غیر ارتجاعی که سبب خرابیهای موضعی در نقاطی از آنها میشود جلوگیری کرد و یا آنرا به کمترین رسانید.
تاکنون سازههای بسیاری با استفاده از میراگرهای اصطکاکی مقاوم سازی شدهاند که از آن جمله میتوان به ساختمان ایتون در مونترال، اداره کل دادگستری اوتاوا، ساختمانهای لا گاردنیا در هندوستان، منبع ذخیره آب در ساکرامنتو کالیفرنیا، کارخانهی هواپیماسازی بوئینگ در واشنگتون و بسیاری سازههای دیگر اشاره کرد.
عملکرد لرزهای قابهای مجهز به میراگر اصطکاکی در نیروی لغزش بهینه نسبت به قاب خمشی و نیز قاب مهاربندی شده بهتر است.
ساز و کار میراگرهای اصطکاکی پال، ایجاد سطوح اصطکاك لغزشی در محل تقاطع بادبندهاست. برای قابهای ساختمانی، این میراگرها را میتوان در بادبندهای کششی ضربدری، قطری تک و چورن به کار برد. این میراگر از چند سری ورقههای فولادی به گونهای ساخته شده است که دارای بیشترین سطح اصطکاك بوده و بهوسیلهی بولتهای فولادی پر مقاومت به یکدیگر بسته شدهاند. این میراگرها در برابر بار باد، لغزش نمیکنند اما در تحریکات جدی لرزهای، برای بار بهینهای که پیش از آن برای آن طراحی شدهاند، پیش از آنکه اعضای سازهای تسلیم شوند وارد عمل شده و سهم زیادی از انرژی زلزله را از بین میبرند. این کار به سازه این امکان را میدهد که به صورت الاستیک باقی مانده و تسلیم آن تا وقوع زلزلهی شدیدتری به عقب بیافتد. خصوصیت دیگر سازهی مجهز به میراگر اصطکاکی آن است که پریود طبیعی آن با دامنه ارتعاش تغییر میکند. لذا از پدیدهی رزونانس جلوگیری به عمل میآید. اولین مدل میراگر اصطکاکی پال در مهاربند چورون در جهت مقاوم سازی لرزهای ساختمان ایتون کانادا آزمایششد. مدل سازی به صورت ترکیب مهاربند و میراگر انجام شد و نیروی متناظر تسلیم غیرخطی همان نیروی لغزش لحاظ شده است.
روش طراحی میراگر اصطکاکی پال
روش طراحی میراگر اصطکاکی پال به گونهای است که در برابر بارهای سرویس معمولی و زلزله های خفیف لغزش پیدا نکند. یعنی از پیش، برای نیروی خاصی طراحی میشود که تا پیش از وارد شدن آن، سازه به صورت ارتجاعی باقی بماند. اما بعد از آن نیروی خاص، لغزش اتفاق افتاده و میراگر اصطکاکی انرژی زیادی را جذب میکند و به تبع آن پریود طبیعی سازه نیز تغییر میکند. باید توجه داشت قبل از هر تغییر شکل غیر الاستیک اعضای اصلی سازه، این دستگاه باید به کار بیفتد. میزان انرژی مستهلک شده به وسیلهی این میراگر برابر حاصل ضرب بار لغزش در میزان جابهجایی تمامی میراگرها است. در واقع انرژی مستهلک شده به بار تعیین شده برای لغزش میراگرهای اصطکاکی وابسته است.
بدیهی است اگر نیروی لازم برای لغزش میراگر از ظرفیت نهایی مهاربند بیشتر باشد، هیچ لغزشی رخ نداده و انرژی تلف نمیشود، پس سازه شبیه یک قاب بادبندی عمل میکند. از طرفی اگر نیروی لازم برای لغزش صفر باشد، استهلاك انرژی ناشی از لغزش رخ نمیدهد و سازه شبیه به یک قاب خمشی مقاوم رفتار میکند. در بین دو حالت حدی، بار لغزش بهینه وجود دارد که از یک سری تحلیلهای دینامیکی غیر خطی به دست میآید، در واقع بهترین پاسخ،زمانی به دست میآید که تفاوت میان انرژی ورودی و انرژی مستهلک شده کمینه شود، در این صورت نیروی آستانه لغزش بهینه خواهد شد.
وجود میراگر اصطکاکی سبب تغییر رابطه نیرو تغییر مکان سازه میشود به گونهای که تا برش پایه متناظر با نیروی لغزش میراگرها، سختی قاب با قاب بادبندی شده و بعد از آن با قاب خمشی مطابقت دارد. این موضوع سبب تغییر در تغیر مکان هدف شده به گونهای که با افزایش نیروی لغزش تغییر مکان هدف کاهش یافته است.
میراگر اصطکاکی پال میتواند یک ابزار مناسب برای مقاوم سازی محسوب شود زیرا نتایج این پژوهش نشان میدهد که سطح عملکرد در صورت استفاده از میراگر بهبود یافته و در نیروی لغزش بهینه به سطح ایمنی جانی رسیده است در حالی که قبل از آن سطح عملکرد مناسبی نداشته است.
