بررسی عملکرد میراگرهای مایع تنظیم شده
روشهای زیادی برای کنترل ارتعاشات سازههای بلند مرتبهای که تحت حرکت لرزهای زمین و یا اثر تند بادها قرار دارند وجود دارد از جمله سیستمهای جداسازی پی، میراگرهای ویسکو الاستیک، قطعات افزایش دهنده سختی و میرایی، سیستمهای مهاربندی، میراگرهای جرمی تنظیم شده و دیگر روشها که هر یک محدودیتها و مزایای خاص خود را دارند.
روش دیگری برای کنترل غیر فعال ارتعاشات سازهها وجود دارد که در آن از نوسانات و تلاطم آب در یک تانک برای کنترل ارتعاشات سازه استفاده میشود و از این رو به آن سیستم میراگر مایع تنظیم شده (Tuned Liquid Damper) میگویند. برای اولین بار در اوایل قرن بیستم از این سیستم برای کنترل ارتعاشات ناشی از امواج دریا در کشتیهای اقیانوس پیما استفاده شد، سپس در نیمه دوم قرن بیستم برای کنترل نوسانات و جنبشهای آزادِ با دوره تناوب بالا در ماهوارهها به کار رفت. از اواسط دهه ۱۹۸۰ میراگر مایع تنظیم شده برای کنترل ارتعاشات سازههای مهندسی عمران به کار گرفته شد.
میراگر مایع تنظیم شده یک سیستم کنترل غیر فعال است که از نیروی هیدرودینامیکی استفاده میکند. نحوه کار میراگر بدین ترتیب است که تعدادی مخزن در قسمت بالای سازه نصب شده و تلاطم مایع درون این مخازن انرژی ارتعاشی وارده به سازه را در هنگام زلزله یا تند باد،مستهلک میکند. نیروی کنترلی که در این روش برای کاهش ارتعاشات سازه مورد استفاده قرار میگیرد از فشار دینامیکیای که روی سطح جدارههای انتهایی ظرف اثر میکند تولید میشود. تلاطم مایع موجب ایجاد تفاوت در رقوم سطح آزاد مایع در جدارههای انتهایی مخزن میشود و اختلاف فشار ناشی از تفاوت رقوم سطح آزاد مایع در جدارههای انتهایی به صورت یک نیروی برشی درکف مخزن ظاهر میشود.
سیستمهای TLD باید بر اساس فرکانس مد اول سازه تنظیم شوند یعنی فرکانس نوسانات آب در داخل ظرف باید نزدیک فرکانس طبیعی مد اول سازه باشد. بنابراین مشخصات میراگر نظیر ابعاد ظرف و عمق آب داخل آن باید به گونهای تنظیم شوند که فرکانس تلاطم مایع درون میراگر با فرکانس ارتعاش سازه هماهنگ شود.
طراحی میراگر مایع تنظیم شده
سیستمهای TLD جهت طراحی بهینه، باید بر اساس فرکانس مد اول سازه تنظیم شوند یعنی فرکانس نوسانات آب در داخل ظرف باید معادل فرکانس طبیعی مد اول سازه باشد. بنابراین مشخصات میراگر نظیر ابعاد ظرف و عمق آبداخل آن باید به گونهای تنظیم شوند که فرکا نس تلاطم مایع درون میراگر با فرکانس ارتعاش سازه هماهنگ شود.
نیروی کنترل ناشی از میراگرهای مایع تنظیم شده
نیروی کنترلی که در این روش برای کاهش ارتعاشات سازه مورد استفاده قرار میگیرد از فشار دینامیکیای که روی سطح جدارههای انتهایی ظرف اثر میکند تولید میشود. تلاطم مایع موجب ایجاد تفاوت در رقوم سطح آزاد مایع در جدارههای انتهایی مخزن میشود. اختلاف فشار ناشی از تفاوت رقوم سطح آزاد مایع در جدارههای انتهایی به صورت یک نیروی برشی در کف مخزن ظاهر میشود. برای محاسبه نیروی کنترل ناشی از میراگر نیاز است تا تغییرات سطح آب در دو جداره انتهایی ظرف میراگر معلوم باشد. برای این منظور باید معادلات حاکم بر تلاطم مایع در میراگر را در طول زمان زلزله حل کرد (تحلیل زمان وابسته) تا در هر لحظه موقعیت به دست آید.
معادلات حاکم بر تلاطم مایع در میراگر
معادله پیوستگی مایع و معادلات حرکت (ناویر–استوکس)
برای تحلیل تلاطم مایع در میراگرهای مایع تنظیم شده یا به عبارتی دیگر جهت حل معادلات حاکم بر تلاطم مایع، از مدل ANSYS، یکی از پرکاربردترین و تواناترین مدلهای المان محدود، استفاده شده است.
با توجه به موارد بالا، میراگرهای مایع تنظیم شده عملیتر و اقتصادیتر از سایر روشهای کنترل ارتعاشات سازه، برای کنترل ارتعاشات لرزهای سازههای برج مانند، به نظر میرسند. از آن جایی که اکثر ساختمانهای بلند یک یا چند تانک ذخیره آب در قسمت بام خود برای ایجاد فشار آب کافی در ساختمان، دارند، کاربرد این میراگرها در سازههای بلند کشور از طریق سامان دهی این مخازن، توصیه میشود.
