میراگر‌

به منظور ساخت ساختمان‌های مقاوم در برابر نیروهای زلزله، یکی از روش‌های اقتصادی، استفاده از میراگر یا وسایل اتلاف انرژی است. در این میان میراگرهای اصطکاکی یکی از انواع وسایل اتلاف انرژی است که عملکرد خوبی در کاهش نیروهای دینامیکی ورودی به سازه داشته و از جمله اقتصادی‌ترین آنها نیز به شمار می‌آیند.

این میراگر در حقیقت یک اتصال ساده با پیچ اصطکاکی است که سوراخ‌های آن لوبیایی شکل با طول بلند است. بدیهی است اصطکاک موجود مابین سطوح تماس، مانع از حرکت اتصال می‌شود. اما هنگامی که اتصال لغزش کند، درصدی از انرژی ورودی صرف مقابله با نیروی اصطکاک شده و تولید انرژی گرمایی و حرارت می‌کند. به عبارت دیگر درصدی از انرژی ورودی در اتصال مستهلک می‌شود.

مبانی و تئوری میراگرهای اصطکاکی

هنگامی که یک جسم مطابق شکل تحت نیروی جانبی P قرار گیرد، با افزایش نیرو از حد نیروی اصطکاک F، جسم به صورت ناگهانی شروع به حرکت می‌کند، حرکت جسم از یک سو و نیروی اصطکاک موجود مابین سطوح تماس از سوی دیگر باعث تولید انرژی گرمایی در سطح تماس جسم می‌شود. اکنون اگر نیروی وارده دینامیکی باشد، اصطکاک مابین سطوح متحرک، حرارت و گرمای زیادی را در هر حرکت رفت و برگشتی تولید می‌کند.

میراگرهای اصطکاکی یکی از ساده‌ترین انواع وسایل اتلاف انرژی در سازه به شمار می‌آیند. اینگونه وسایل اتلاف انرژی با استفاده از یک اتصالات اصطکاکی همراه با سوراخ‌های لوبیایی شکل‌ طراحی می‌شوند، در صورتی که نیروی اعمال شده به اتصال اصطکاکی از بار لغزش اتصال بزرگتر شود، سطوح به صورت ناگهانی شروع به حرکت می‌کنند. اما پس از حرکت با توجه به جنس سطوح تماس، مقدار نیروی اصطکاک نسبت به شروع حرکت تغییر می‌کند و بسته به دامنه جابه‌جایی نیز این تغییرات متفاوت است‌. بنابراین اگر بتوان نیروی اصطکاک مشخصی را در یک اتصال یا یک عضو ایجاد کرد، به طوری که مقدار این نیروی قابل کنترل باشد، میراگر مورد نظر تولید شده است.

از مصالحی که برای سطوح لغزنده استفاده شده است، می‌توان به لایه‌های لنت ترمز روی فولاد، فولاد روی برنج و فولاد روی فولاد را نام برد. انتخاب فلز پایه برای میراگر اصطکاکی بسیار مهم است. مقاومت بالا در مقابل خوردگی، اغلب می‌تواند ضریب اصطکاک فرض شده را برای عمر مورد نظر وسیله کاهش دهد. آلیاژ فولادکم کربن، زنگ زده و می‌پوسد و خواص سطح مشترک آنها در طی زمان تغییر می‌کند. آزمایشات بر روی فولاد ضد زنگ در تماس با برنج، خوردگی اضافی نگران کننده‌ای را نشان نداد و از این جهت این مواد برای استفاده در میراگرهای اصطکاکی مناسب هستند.

انواع میراگر اصطکاکی

تمام میراگرهای اصطکاکی موجود به این صورت عمل می‌کنند که یک قسمت به صورت ثابت قرار گرفته و قسمت دیگر به صورت دینامیکی بر روی آن می‌لغزد. لغزش روی داده در سطح مشخصی از نیرو اتفاق افتاده و براساس قانون اصطکاک کلمب حرکت می‌کند. به گونه‌ای که تا سطح مشخصی از نیرو هیچ حرکتی روی نمی‌دهد، اما بعد از این سطح لغزش و حرکت آغاز می‌شود. ترکیب بندی و نحوه قرار گرفتن این سطوح لغزش موجب ایجاد میراگرهای اصطکاکی مختلف می‌شود‌.

میراگر اتصالات اصطکاکی

این نوع میراگر از سیستم‌های رایج استهلاک در سازه است که برای اتلاف انرژی از طریق اصطکاک ازاتصالات پیچ‌های لغزشی استفاده می‌کند. از این نوع اتصالات می‌توان به اتصالات پیچی لغزنده نام برد، که خودبه اتصال لغزنده خطی و اتصال لغزنده دورانی تقسیم می‌شود.

میراگر اصطکاکی پال

این سیستم اولین بار به وسیله‌ی پال و مارچ در سال ۰۴۸۰ معرفی شد. ساز و کار این سیستم ایجاد سطوح اصطکاک لغزشی در محل تقاطع بادبندهاست‌. برای قاب‌های ساختمانی، این میراگر‌ها را می‌توان در بادبند‌های کششی ضربدری، قطری تک و شورن به کار برد‌. این میراگر از چند سری ورقه‌های فولادی به گونه‌ای ساخته شده است که دارای بیشترین سطح اصطکاک بوده و به وسیله‌ی 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 شدید تری 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 شورون در جهت مقاوم سازی لرزه‌ای ساختمان ایتون کانادا آزمایش شد. 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 زلزله‌های 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 غیرالاستیک اعضای اصلی سازه، این دستگاه باید به کار بیفتد.

میزان انرژی مستهلک شده به وسیله‌ی این میراگر برابر حاصل ضرب بار لغزش در میزان جا به جایی 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 وانرژی تلف نمی‌شود، پس سازه شبیه یک قاب بادبندی عمل می‌کند. از طرفی اگر نیروی لازم برای لغزش صفر باشد، استهلاک 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.

میراگر اصطکاکی سومیتومو

این میراگر توسط صنایع فلزی سومیتومو به بازر عرضه شد که به بادبندها متصل می‌شد. این وسیله دارای یک جدار استوانه‌ای است که در داخل آن بالشتک‌هایی تعبیه شده است‌. این بالشتک‌ها بر روی جدارداخلی وسیله می‌لغزد و انرژی زیادی را از طریق اصطکاک مستهلک می‌کند.

میراگر اصطکاکی دورانی

از این میراگر در مراجع فنی با عنوان میراگر اصطکاکی جدید نیز نام برده می‌شود که می‌تواند به صورت یک و چند واحده برای نیروی اصطکاکی مورد نظر استفاده شود‌. این میراگر بر اساس اصطکاک بین واحدها عمل می‌کند و با جمع شدن یا بازشدن موجب ایجاد اصطکاک و در نتیجه استهلاک انرژی می‌شود‌.