میراگر
به منظور ساخت ساختمانهای مقاوم در برابر نیروهای زلزله، یكی از روشهای اقتصادی، استفاده از میراگر یا وسایل اتلاف انرژی است. در این میان میراگرهای اصطكاكی یكی از انواع وسایل اتلاف انرژی است كه عملكرد خوبی در كاهش نیروهای دینامیكی ورودی به سازه داشته و از جمله اقتصادیترین آنها نیز به شمار میآیند.
این میراگر در حقیقت یك اتصال ساده با پیچ اصطكاكی است كه سوراخهای آن لوبیایی شكل با طول بلند است. بدیهی است اصطكاك موجود مابین سطوح تماس، مانع از حركت اتصال میشود. اما هنگامی كه اتصال لغزش كند، درصدی از انرژی ورودی صرف مقابله با نیروی اصطكاك شده و تولید انرژی گرمایی و حرارت میكند. به عبارت دیگر درصدی از انرژی ورودی در اتصال مستهلك میشود.
مبانی و تئوری میراگرهای اصطکاکی
هنگامی كه یك جسم مطابق شكل تحت نیروی جانبی P قرار گیرد، با افزایش نیرو از حد نیروی اصطكاك F، جسم به صورت ناگهانی شروع به حركت میكند، حركت جسم از یك سو و نیروی اصطكاك موجود مابین سطوح تماس از سوی دیگر باعث تولید انرژی گرمایی در سطح تماس جسم میشود. اكنون اگر نیروی وارده دینامیكی باشد، اصطكاك مابین سطوح متحرك، حرارت و گرمای زیادی را در هر حركت رفت و برگشتی تولید میكند.
میراگرهای اصطكاكی یكی از سادهترین انواع وسایل اتلاف انرژی در سازه به شمار میآیند. اینگونه وسایل اتلاف انرژی با استفاده از یك اتصالات اصطكاكی همراه با سوراخهای لوبیایی شكل طراحی میشوند، در صورتی كه نیروی اعمال شده به اتصال اصطكاكی از بار لغزش اتصال بزرگتر شود، سطوح به صورت ناگهانی شروع به حركت میكنند. اما پس از حركت با توجه به جنس سطوح تماس، مقدار نیروی اصطكاك نسبت به شروع حركت تغییر میكند و بسته به دامنه جابهجایی نیز این تغییرات متفاوت است. بنابراین اگر بتوان نیروی اصطكاك مشخصی را در یك اتصال یا یك عضو ایجاد كرد، به طوری كه مقدار این نیروی قابل كنترل باشد، میراگر مورد نظر تولید شده است.
از مصالحی كه 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 اصطكاكی بسیار مهم است. مقاومت بالا در مقابل خوردگی، اغلب میتواند ضریب اصطكاك فرض شده را برای عمر مورد نظر وسیله كاهش دهد. آلیاژ فولادكم كربن، زنگ زده و میپوسد و خواص سطح مشترك آنها در طی زمان تغییر میكند. آزمایشات بر روی فولاد ضد زنگ در تماس با برنج، خوردگی اضافی نگران كنندهای را نشان نداد و از این جهت این مواد برای استفاده در میراگرهای اصطكاكی مناسب هستند.
انواع میراگر اصطکاکی
تمام میراگرهای اصطكاكی موجود به این صورت عمل میكنند كه یك قسمت به صورت ثابت قرار گرفته و قسمت دیگر به صورت دینامیكی بر روی آن میلغزد. لغزش روی داده در سطح مشخصی از نیرو اتفاق افتاده و براساس قانون اصطكاك كلمب حركت میكند. به گونهای كه تا سطح مشخصی از نیرو هیچ حركتی روی نمیدهد، اما بعد از این سطح لغزش و حركت آغاز میشود. تركیب بندی و نحوه قرار گرفتن این سطوح لغزش موجب ایجاد میراگرهای اصطكاكی مختلف میشود.
میراگر اتصالات اصطکاکی
این نوع میراگر از سیستمهای رایج استهلاك در سازه است كه برای اتلاف انرژی از طریق اصطكاك ازاتصالات پیچهای لغزشی استفاده میكند. از این نوع اتصالات میتوان به اتصالات پیچی لغزنده نام برد، كه 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 كار این سیستم ایجاد سطوح اصطكاك لغزشی در محل تقاطع بادبندهاست. برای قابهای ساختمانی، این میراگرها را میتوان در بادبندهای كششی ضربدری، قطری تك و شورن به كار برد. این میراگر از چند سری ورقههای فولادی به گونهای ساخته شده است كه دارای بیشترین سطح اصطكاك بوده و به وسیلهی بولتهای فولادی پر مقاومت به یكدیگر بسته شدهاند. این میراگرها در برابر بار باد، لغزش نمیكنند اما در تحریكات جدی لرزهای، برای بار بهینهای كه پیش از آن برای آن طراحی شدهاند، پیش از آنكه اعضای سازهای تسلیم شوند وارد عمل شده و سهم زیادی از انرژی زلزله را از بین میبرند. این كار به سازه این امكان را میدهد كه به صورت الاستیك باقی مانده و تسلیم آن تا وقوع زلزلهی شدید تری به عقب بیافتد. خصوصیت دیگر سازهی مجهز به میراگر اصطكاكی آن است كه پریود طبیعی آن با دامنه ارتعاش تغییر میكند. لذا از پدیدهی رزونانس جلوگیری به عمل میآید.
اولین مدل میراگر اصطكاكی پال در مهاربند شورون در جهت مقاوم سازی لرزهای ساختمان ایتون كانادا آزمایش شد. مدل سازی به صورت تركیب مهاربند و میراگر انجام شد و نیروی متناظر تسلیم غیرخطی همان نیروی لغزش لحاظ شده است.
روش طراحی میراگر اصطکاکی پال
روش طراحی میراگر اصطكاكی پال به گونهای است كه در برابر بارهای سرویس معمولی و زلزلههای خفیف لغزش پیدا نكند. یعنی از پیش، برای نیروی خاصی طراحی میشود كه تا پیش از وارد شدن آن، سازه به صورت ارتجاعی باقی بماند. اما بعد از آن نیروی خاص، لغزش اتفاق افتاده و میراگر اصطكاكی انرژی زیادی را جذب میكند و به تبع آن پریود طبیعی سازه نیز تغییر میكند. باید توجه داشت قبل از هر تغییر شكل غیرالاستیك اعضای اصلی سازه، این دستگاه باید به كار بیفتد.
میزان انرژی مستهلك شده به وسیلهی این میراگر برابر حاصل ضرب بار لغزش در میزان جا به جایی تمامی میراگرها است. در واقع انرژی مستهلك شده به بار تعیین شده برای لغزش میراگرهای اصطكاكی 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 یك قاب بادبندی عمل میكند. از طرفی اگر نیروی لازم برای لغزش صفر باشد، استهلاك انرژی ناشی از لغزش رخ نمیدهد و سازه شبیه به یك قاب خمشی مقاوم رفتار میكند. در بین دو حالت حدی، بار لغزش بهینه وجود دارد كه از یك سری تحلیلهای دینامیكی غیر خطی به دست میآید، در واقع بهترین پاسخ، زمانی به دست میآید كه تفاوت میان انرژی ورودی و انرژی مستهلك شده كمینه شود، در این صورت نیروی آستانه لغزش بهینه خواهد شد.
میراگر اصطکاکی سومیتومو
این میراگر توسط صنایع فلزی سومیتومو به بازر عرضه شد كه به بادبندها متصل میشد. این وسیله دارای یك جدار استوانهای است كه در داخل آن بالشتكهایی تعبیه شده است. این بالشتكها بر روی جدارداخلی وسیله میلغزد و انرژی زیادی را از طریق اصطكاك مستهلك میكند.
میراگر اصطکاکی دورانی
از این میراگر در مراجع فنی با عنوان میراگر اصطكاكی جدید نیز نام برده میشود كه میتواند به صورت یك و چند واحده برای نیروی اصطكاكی مورد نظر استفاده شود. این میراگر بر اساس اصطكاك بین واحدها عمل میكند و با جمع شدن یا بازشدن موجب ایجاد اصطكاك و در نتیجه استهلاك انرژی میشود.
