میراگر جرمی تنظیم شده
میراگر جرمی تنظیم شده یکی از ابزارهای غیر فعال استهلاک انرژی است. این وسیله با جذب کردن مقداری از انرژی وارد شده از بار دینامیکی به سازه، میزان تقاضا برای استهلاک انرژی را در سازه اصلی کاهش میدهد. سادهترین شکل میراگر جرمی تنظیم شده، سیستمی شامل جرم، فنر و میراگر ویسکوز است که به سازه اصلی مهار میشود.
میراگرهای تنظیم شده عموماً برای کنترل ارتعاشات ناشی از باد در سازههای بلند به کار رفتهاند و به دلیل محدودیتهایی همچون پهنای فرکانسی وسیعتر، بارگذاری زلزله، نسبت به بارگذاری باد و امکان تنظیم نوع ساده است.
این نوع میراگر فقط با یک فرکانس، کارایی آنها تحت بارگذاری زلزله به خوبی کارایی آنها در مقابل بارگذاری باد نیست. در عین حال تحقیقات فراوانی در زمینه استفاده از آنها در بهبود ارتعاشات ناشی از زلزله در دست انجام است. استفاده از میراگرهای جرمی تنظیم شده غیر خطی، جذب کنندههای ارتعاشات ضربهای، میراگرهای جرمی تنظیم شده نیمه فعال و میراگرهای جرمی ترکیبی جزو راه حلهایی بودهاند که برای این مشکل ارائه شدهاند.
طراحی، اجرا و ویژگیها
یک سیستم میراگر جرمی فعال (TMD) وسیلهای متشکل از یک جرم، فنر و یک میراگر است که به منظور کاهش پاسخ دینامیکی سازه، به آن متصل میشود. فرکانس میراگر به میزان فرکانس سازهای بخصوص تنظیم میشود تا هنگامی که این فرکانس تحریک شود، میراگر در فاز مقابل (مخالف) حرکت سازه مرتعش شود. انرژی توسط نیروی اینرسی میراگر که بر روی سازه اعمال شده، تلف میشود. در این نوع از میراگرها جرم بر روی تکیهگاههای غلطکی قرار میگیرد و میتواند نسبت به طبقه، جابجایی انجام دهد، فنرها و میراگرها بین جرم و تکیهگاههای ثابت عمودی قرار میگیرد، نیروی فاز مخالف میراگر را به تراز طبقه و در نتیجه به قاب سازهای منتقل میکند.
معمولاً این نوع از میراگرهای جرمی در طبقات بالایی سازه به کار گرفته میشوند و در صورتی که سازه تحت اعمال بار قرار گیرد، با تعریف شتاب مشخص بسته به طراحی میراگر، به طور اتوماتیک سیستم شروع به فعالیت نموده و اثر ارتعاش نیروی زلزله را از بین میبرد. معمولاً جنس جرم این سیستم از بتن، سرب یا فولاد است و به صورت مربع یا مستطیل و به صورت تک یا مجموعه به ابعاد ۱ تا ۳۰ متر ساخته و در طبقات بالایی سازه نصب میشود. این نوع سیستم میراگر، دارای جرم زیاد، اختصاص فضای زیاد و پرهزینه و مکانیزم پیچیدهای بوده و در مواردی فقط امکان بکارگیری در یک جهت را دارا است. با اصلاح این موارد نوع پیشرفتهتری از میراگرهای جرمی تنظیم شده طراحی شد. با تغییر غلطکهای لاستیکی به جای غلتکهای مکانیکی به دلیل عملکرددر جهتهای مختلف (مانند فنرهای برشی) و استفاده از مواد لاستیکهای قیری (BRC) به جای میراگر که با سهولت در نصب و کوچکی در ابعاد، توانایی میراگرهای ویسکوالاستیک را نیز دارا هستند، باعث شده سیستم کاملتری طراحی و ساخته شود.
در طراحی سیستم میراگرهای جرمی جهت محاسبات باید با تعیین جرم، سختی و ضریب میرایی، مناسبترین سیستم میراگر را با توجه به وزن کل سازه طراحی نمود تا با یک نسبت ساده بتوان به میزان تأثیر سیستم میراگر طراحی شده پی برد. با فرض برابر بودن فرکانس سازه در راستای نزدیکی مقدار بهینه برای فرکانس میراگر، اینکار پریود میراگر را با پریود غالب سازه برابر میکند. پاسخ جرم تنظیم شده ۴۳ درجه با پاسخ جرم اولیه اختلاف فازی دارد. این اختلاف فاز، اتلاف انرژی را توسط نیروی اینرسی میراگر موجب میشود. افزایش نسبت جرم، افزایش میرایی را به دنبال دارد، اما باید توجه نمود که یک حد عملی برای افزایش جرم وجود دارد، همچنین با کاهش ضریب میرایی نیز میتوان میرایی را افزایش داد که برای این پارامتر نیز محدودیت وجود دارد. طرح نهایی با توجه به ترکیب این دو مقدر باتوجه به اعمال محدودیتها صورت میگیرد. همچنین باید به محل قرارگیری میراگر و فنر در تکیهگاه ثابت در سازه و مکانیسم دو جهته بودن سیستم نیز توجه نمود.
TMDهای نخستین، ساز و کار (مکانیزم) پیچیدهای برای تکیه گاهها و المانهای میرایی داشتند. همچنین به طور نسبی سنگین بوده و به طور قابل ملاحظهای فضا اشغال مینمودند و نیز تا حدودی گران بودند.
میراگر جرمی پاندولی
به دلیل مشکلات غلطکها در میراگرهای جرمی تنظیم شده، نوع جدیدی از میراگرهای جرمی که امروزه قابلیت بکارگیری در سازههای بلند مرتبه را دارد، میراگرهای پاندولی هستند که شبیه آونگ رفتار میکنند. مشکل مربوط به تکیه گاهها با استفاده از نگهداری جرم با یک سری کابلها برطرف میشود که این کابلها به سیستم اجازه میدهد که به صورت یک پاندول رفتار نماید. طراحی این سیستمها براساس وزن کل سازه و وضعیت آب و هوایی منطقه انجام میشود.
در میراگر پاندولی نیروی دوباره ذخیره شونده که توسط کابلها تامین میشود توسط انحنای سطح ساپورت (تکیه گاه) تولید میشود و همین انحنا به جرم اجازه میدهد که در این سطح بغلتد. حرکت قائم وزن به یک انرژی ورودی نیاز دارد. با فرض اینکه کوچک است معادلات برای حالتی که سطح دایروی است،، مشابه معادلات پاندول متداول با طول کابل L هستند که در آن با شعاع سطح R باید جایگزین شود.