کنترل ارتعاشات سازههای بلند
یكى از چالش‌هاى همیشگى در مهندسى، یافتن ابزارى جدید و مثمر ثمر براى حفاظت سازه‌ها و تجهیزات در برابر اثرات مخرب نیروهاى طبیعى است. در این بین، زلزله یكى از رخدادهایى است كه با وجود تحقیقات زیادى كه در مورد آن صورت گرفته، هنوز امكان پیش بینى زمان و مكان دقیق آن وجود ندارد. بنابراینبه نظر مى‌رسد، روش اصلى مقابله با زلزله، ایمن سازى سازه‌ها در برابر آن است.
یكى از روش‌هایى كه در چند دهه اخیر، موضوع مطالعات بسیارى بوده، ایده كنترل سازه‌هاست كه براى افزایش كارآیى و ایمنى آنها در برابر خطرات طبیعى به كار مى‌رود. سیستم‌هاى جذب انرژى غیرفعال سازه‌ها، در سال‌هاى اخیر به طور وسیعى در صنعت ساختمان مورد استفاده قرار گرفته‌اند. به طور كلى، این سیستم‌ها شامل وسایل و مصالحى مى‌شوند كه میرایى، سختى و مقاومت سازه را افزایش داده و مى‌توانند به منظور كاهش خطرات طبیعى محتمل و نیز مقاوم سازى سازه‌هاى جدید یا ساخته شده، به كار روند. سیستم جرم میراگر متوازن یكى از راه حل‌هاى نسبتاً نوینى است كه اخیراً در كشورهاى پیشرفته جهت مقابله با نیروهاى جانبى باد و زلزله در سازه‌هاى بلند مرتبه مورد توجه بسیارى قرار گرفته است. در حالى كه هنوز در ایران تأكید خاصى براى شناخت و استفاده از این سیستم نشده است.
سیستم‌های جرم میراگر متوازن (میراگر جرمى تنظیم شده) از جمله ابزارهای بكار رفته در كنترل لرزه در سازه‌ها است كه در سال‌های اخیر، در بسیاری از پل‌ها و سازههای بلند كه اغلب از شكل‌پذیرى بالایى برخوردارند، بكار رفته است. سازههای بلند تحت اثر نوسان‌های ناشی از بار باد و زلزله قرار می‌گیرند. مطالعات نشان می دهد كه این سازه‌ها معمولاً در فركانس‌های طبیعى خود ارتعاش می‌كنند كه در مواقعی كه فركانس‌های انتقالی و پیچشی نزدیك باشند، توسط حركت پیچشی نیز تشدید میشوند.
در سازههای بلند که خود دارای پریود بلند، فانوس‌های دریایی و برج‌های مراقبت فرودگاه‌ها نیز از سازه‌هایى هستند كه در آنها، عموماً جرم اصلی در
بالای سازه به صورت پاندول وارونه متمركز بوده و لذا، تغییر مكان رأس از نظر كاربردی و عدم ایجاد اختلال در ارسال و دریافت پیام‌های مخابراتی و همچنین راحتی استفاده كنندگان دارای اهمیت است. میراگرهای دینامیكی، سیستم‌های ایجاد میرایی در سازه‌ها هستند كه در دو دهه اخیر تحقیقات فراوانی بصورت تئوریك و تجربی بر نحوه عملكرد آنها انجام شده و در سازههای زیادی با موفقیت اجرا شده‌اند. جرم میراگر متوازن (TMD) و مایع میراگر متوازن در این گروه قرار می‌گیرند.
سیستم جرم میراگر متوازن
سیستم كنترلى TMD یک میراگر غیر فعال نسبتاً جدید بوده و کاربردهای آن در سال‌های اخیر صورت گرفته است. این سیستم ابزاری است شامل یك جرم، یك فنر و یك میراگر كه برای كاهش پاسخ دینامیكی سازه به آن نصب می‌شود و عملكرد آن، اساساً بر مبنای استهلاك انرژی ارتعاشی سازه بصورت حركت نوسانی جرم میراگر است. بدین ترتیب كه فركانس TMD متناسب با فركانس یكی از مودهای غالب سازه‌ای (معمولاً مود اول) تنظیم می‌شود. بنابراین زمانی كه این فركانس تحریك می‌شود، حركت TMD در فازی خارج از حركت سازه تشدید شده و انرژی از طریق نیروی اینرسی‌ای كه میراگر به سازه وارد می‌كند، مستهلك می‌شود.
عملكرد جرم میراگر متوازن در سازه‌هاى بلند مرتبه نتیجه برخی از پژوهش‌ها نشان می‌دهد كه عملكرد جرم میراگر متوازن در برابر تحریك زلزله كه محدوده فركانسى وسیعترى را نسبت به باد مى‌پوشاند، به مشخصات زلزله بستگی زیادی دارد.
جرم میراگر متوزان تنها زمانی در کاهش پاسخ زلزله موثر است که زلزله وارد بر سازه دارای محدوده فرکانسی کوچک و مدت زمان طولانی باشد. به عبارت دیگر از آنجا که پهنای باند فرکانسی نوسانات لرزهای پهن تر از حالت باد بوده و به علاوه در فرکانس‌های بالاتر نیز ارتعاشات قویتر است لذا مودهای بالاتر نیز تحریک میشوند. و در نتیجه در نظر گرفتن تنها مود غالب ارتعاشی کافی نخواهد بود. با توجه به عدم قطعیت موجود در پیش بینی لرزه و همچنین مشخصات دینامیکی سازه مثل فرکانس‌های طبیعی و نسبت استهلاک مودهای مختلف ارتعاشی مفیدتر آن است که از تعداد میراگرهای بیشتر استفاده شود به نحوی که این میراگرها دارای فرکانس ارتعاشی با اندک اختلافی نسبت به هم باشند تا بتوان محدوده بیشتری از فرکانس‌ها را پوشش داد که به این گونه سیستم‌ها میراگرهای چندگانه یا MTMD اطلاق می‌شود.
در این حالت حساسیت سیستم کنترلی به پارمترهایی مثل تحریک ورودی کاهش می‌یابد. به منظور بهبود عملکرد TMD می‌توان از مواد ویسکوالاستیک در اتصال جرم آن به سازه اصلی بهره برد. تا پاسخ لرزهای سازه با اسهلاک انرژی به روش‌های دیگر نیز صورت بگیرد. یکی دیگر از مشکلات TMD آن است که نقطه اوج در پاسخ ارتعاشی را به سادگی نمی‌توان کاهش داد. چرا که TMD به صورت غیر فعال با فرکانس سازه اصلی تنظیم شده و به خاطر ارتعاشی با اختلاف فاز باعث کاهش لرزه می‌شود.
از این رو در لحظات اولیه وقوع زمین لرزه که اغلب دارای نوسانات قوی لرزهای هم هستند عملکرد TMD چندان موثر نیست. برای حل این مشکل نیز می‌توان از کنترل فعال یا نیمه فعال استفاده نمود.
با وجود اینکه هنوز یک روال متعارف و یک استاندارد مشخص برای طراحی یک سیستم میراگر در یک سازه وجود ندارد این سیستم به سرعت به یک جز متعارف در سازههای بلند برای کنترل ارتعاشات ناشی از باد تبدیل شده و عملکرد آن نیز رضایت بخش ارزیابی شده است.
ملاحظات عملی جرم میراگر متوازن
بعضی از فاكتورهایی كه انتخاب سیستم‌های كنترل لرزه برج‌ها و دیگر سازه‌ها را تحت تاثیر قرار می‌دهند شامل كارآیی، اندازه، هزینه ساخت، هزینه عملیات، هزینه نگهداری و تعمیرات و امنیت است.
در طراحی سیستم میراگر جرمی، مقدار كاهش پاسخ دینامیكی كه به طور اقتصادی قابل دستیابی است. در طراحی‌های متعددی مورد توجه قرار می‌گیرد. اولین عامل در طراحی اقتصادی، مقدار جرم اضافی است. این جرم حدود ۱ الی ۵ درصد جرم ساختمان بوده كه معمولاً در بالای سازه قرار می‌گیرد.
