میراگرهای فلزی

 

کلیات

میراگر فلزی تسلیمی به عنوان یک میراگر غیرفعال با رفتاری وابسته به جابه‌جایی شناخته میشود. این نوع میراگرها اغلب از فلز یا آلیاژهای خاص ساخته میشوند که پس از تسلیم شدن میتواند عملکرد قابل قبولی جهت استهلاک انرژی داشته باشد. مصالح اصلی مورد استفاده در این میراگرها عمدتا فولاد بوده و به این دلیل عملکرد آن‌ها تحت تاثیر رفتار لرزه‌ای فولاد می‌باشد.

نحوه عملکرد

نحوه عملکرد میراگر فلزی براساس تغییرشکل پلاستیک فلز و استهلاک انرژی میباشد به عبارتی دیگر میراگرهای فلزی از رفتار هیسترزیس فلز برای میراکردن انرژی استفاده میکنند.تغیرشکل پلاستیک فلز یک مکانیزم موثر برای استهلاک انرژی زلزله است. نمودار تنش-کرنش فولاد تحت بارگذاری چرخه ای در شکل زیر نشان داده شده است

توسعه و آزمایش میراگرهای فلزی یا همان میراگرهای هیسترزیسی برای نخستین بار در سال 1970 و در آزمایشگاه مهندسی و فیزیک شهر لاورهات در نیوزیلند با هدف ساخت میراگر به عنوان جداسازهای لرزه ای آغاز شد. در این تحقیق چهار مدل متفاوت میراگر هیسترزیس برای استفاده در ساختمان و متناسب با نوع سیستم سازه ای آن ها ارائه نمود. نمونه های ساخته شده هر کدام ایده کارهای تحقیقات بعدی بر روی میراگرهای تسلیمی بوده است. تحقیقات و آزمایش های بسیاری از نیمه سال 1970 میلادی بر روی میراگرهای تسلیمی صورت گرفته است. بعضی از این تحقیقات گام مهمی در پیشرفت این نوع میراگرها داشته است.

نحوه عملکرد

دلایل عدم گسترش این نوع میراگرها

 
  • رفتار لرزه‌ای کاملا وابسته به فولاد (فلز مورد استفاده)
  • - باریک شدگی (Pinching)، کاهش مقاومت برون چرخه‌ای و به ویژه کاهش مقاومت درون چرخه‌ای و رخ دادن ناپایداری دینامیکی تحت کرنش‌های بزرگی که این میراگرها متحمل می‌شوند.
  • وابسته بودن به منحنی رفتاری فولاد و لزوم تکیه بر رفتار نرم فولاد تحت کرنش‌های بزرگ که ریسک نسبتا بالایی دارد.
  • عدم پیش بینی مکانیزم مناسب جهت جلوگیری از وقوع تغییر شکل‌های نامحدود در سازه.
  • وقوع جابه‌جایی ماندگار قابل توجه در پایان بارگذاری لرزه‌ای و عدم امکان استفاده مجدد از این میراگرها پس از وقوع زلزله. تعویض این میراگرها پس از حادث شدن جابه‌جایی ماندگار پرهزینه و بعضا غیر قابل حصول می‌باشد.
  • تغییر رفتار تحت بارگذاری با فرکانس‌های متفاوت.
  • عملکرد لرزه‌ای وابسته به هندسه نسبتا پیچیده، تاثیر فرآیند ساخت و دقت در اجرا بر عملکرد لرزه‌ای.
  • رفتار غیر قابل پیش بینی طی تکرار بارگذاری لرزه‌ای و امکان شکست ترد به دلیل بروز خستگی در فولاد مصرفی.

مهاربندهای کمانش تاب

 

از گذشته تا کنون همواره یکی از اساسی ترین دغدغه های مهندسین سازه کنترل میزان تغییر مکان جانبی سازه هنگام قرارگیری تحت بارهای جانبی همچون زلزله و باد بوده است . سیستم قاب خمشی دارای شکل پذیری مناسب و تغییر مکان زیاد است که برای کنترل تغییر مکان قاب لازم است تا تیر های با مقاطع بیشتر از مقاومت مورد نیاز مورد استفاده قرار بگیرد که این موضوع موجب غیر اقتصادی شدن طرح خواهد شد.

سیستم های مقاوم لرزه ای مهاربندی شده فولادی دارای سختی زیاد و شکل پذیری کمی هستند که هنگام قرارگیری تحت بار چرخه ای زلزله به علت کمانش مهاربند ها در فشار دچار کاهش باربری می شوند. استفاده از مهاربندهایی که در کشش و فشار به یک شکل رفتار کرده و کمانش نکنند به عنوان یک رفتار ایده آل مدنظر می باشد. ایده اصلی استفاده از مهار بند های کمانش تاب به علت جلوگیری از کمانش مهاربند ها در فشار می باشد .در صورت استفاده از این نوع مهاربند ها در سازه های فولادی و حل مشکل کمانش مهاربند ها، سازه ای خواهیم داشت که علاوه بر سختی مناسب، شکل پذیری خوبی داشته و میتواند انرژی مناسبی از زلزله را مستهلک سازد. در شکل زیر مقایسه نمودار هیسترزیس برای یک مهاربند قطری هم محور معمولی و یک مهاربند کمانش تاب )کمانش ناپذیر (نشان داده شده است.

مقایسه مهاربند کمانش تاب و مهاربند هم محور قطری معمولی

اجزای مهاربندهای کمانش تاب

هسته مرکزی

 

عضو اصلي مهاربند ، هسته مرکزی می باشد که وظيفه آن تحمل بار محوری است. در مهاربندهای کمانش تاب باربری تنها توسط هسته مرکزی صورت گرفته و هيچکدام از اعضای دیگر در آن مشارکت نخواهند داشت. با توجه به اینکه هدف اصلی برای طراحی این مهاربند ها تسليم شدگي در فشار مي باشد، بهتر است نوع هسته مرکزی از جنس فولاد نرمه و با مقاومت پایين انتخاب شده تا در حين بارگذاری چرخه ای، فولاد به مرحله تسلیم خود برسد و عمل استهلاک انرژی به خوبي صورت گيرد. هسته مرکزی شامل دو قسمت محصور شده و محصور نشده می باشد که اتصال مهاربند به قاب سازه ای، توسط قسمت بيروني محصور نشده صورت مي گیرد

با توجه به اینکه قسمت بیرونی که به قاب متصل شده است محصور شده در غلاف نمی باشد ،جهت جلوگیری از کمانش در این ناحيه از مهاربند باید مقطع بزرگتری نسبت به قسمت محصور شده برای این قسمت در نظر گرفت .جهت جلوگیری از تمرکز تنش در قسمتی از مهاربند که دچار تغییر مقطع شده است برای مهاربند یک ناحيه انتقالي در نظر گرفته می شود که در طول این ناحیه مطابق شکل زیر ، سطح مقطع به صورت ملایم به افزایش می یابد.

ناحیه گذار در هسته مرکزی

فاصله رزرو ناحيه گذار و داخلي

غلاف و پرکننده

 

همان طور که در شکل زیر مشاهده مي شود، محصور شدگی مهاربند ها توسط یک غلاف فولادی مربع شکل به همراه بتن صورت می گیرد. به غير از بتن از مواد دیگری همانند چوب، ملات ماسه سيمان، پلاستيک فشرده مقاومت بالا و غیره ميتوان به عنوان ماده پرکننده استفاده نمود. غلاف های نوین فولادی و کامپوزیتي متناسب با ميزان مقاومت مورد نياز از دیگر نمونه های غلاف امروزی مي باشند.

محصور سازی هسته مرکزی توسط غلاف فولادی

ماده غیرچسبنده

 

عضو اصلي مهاربند ، هسته مرکزی می باشد که وظيفه آن تحمل بار محوری است. در مهاربندهای کمانش تاب باربری تنها توسط هسته مرکزی صورت گرفته و هيچکدام از اعضای دیگر در آن مشارکت نخواهند داشت. با توجه به اینکه هدف اصلی برای طراحی این مهاربند ها تسليم شدگي در فشار مي باشد، بهتر است نوع هسته مرکزی از جنس فولاد نرمه و با مقاومت پایين انتخاب شده تا در حين بارگذاری چرخه ای، فولاد به مرحله تسلیم خود برسد و عمل استهلاک انرژی به خوبي صورت گيرد. هسته مرکزی شامل دو قسمت محصور شده و محصور نشده می باشد که اتصال مهاربند به قاب سازه ای، توسط قسمت بيروني محصور نشده صورت مي گیرد.

مکانيزم عدم چسبندگي ميان هسته مرکزی و غلاف به وسيله ماده غیر چسبنده فراهم ميگردد. با استفاده از ماده نچسب، اصطکاک بين بتن محصور کننده و هسته فولادی به حداقل مقدار ممکن می رسد. ماده نچسب تغيير شکل جانبي هسته مرکزی را به بتن محصور کننده منتقل کرده و مانع از انتقال نيروی محوری به غلاف محصور کننده خواهد شد.

بين غلاف محصور کننده و هسته مرکزی باید یک فاصله مناسب وجود داشته باشد. فاصله آزاد ميان هسته و غلاف باید از میزان تغییر شکل ناشي از کمانش کوچکتر باشد. از طرفی این فاصله نباید آنقدر کوچک باشد که هسته فولادی بر اثر انبساط ناشي از اثر پواسون به بتن محصور کننده متصل شده و بين هسته و بتن اصطکاک ایجاد شود که این امر موجب انتقال نيروی محوری از هسته به بتن محصور کننده خواهد شد و به تبع آن مکانيزم پيش بيني شده از بين خواهد رفت.

پارامترهای موثر در رفتار مهاربندهای کمانش تاب

 

به منظور ایجاد یک فاصله آزاد ميان هسته و غلاف در مهاربندهای کمانش تاب معمولا از یک ماده نچسب استفاده می شود که نقش بسيار مهمي در مکانيزم کمانش این گونه مهاربندها دارد. فاصله آزاد میان هسته و غلاف باید به گونه ای تنظیم گردد که امکان حرکت آزادانه برای هسته مهیا باشد و هنگامی که مهاربند تحت تاثیر نیروی فشاری قرار گرفت و به مرحله تسلیم دست یافت بتواند به راحتی دچار تغییر شکل های عرضی بشود .دستیابی به این نحوه عملکرد از مهاربند ها نیازمند بکارگيری مواد نچسبي است که همواره فاصله ميان دو جزء هسته و غلاف را ثابت نگه دارند. زمانی که از بتن به عنوان جسم پرکننده در غلاف استفاده مي شود، انواع مختلفي از مواد نچسب را ميتوان برای آن به کار گرفت که از آن جمله ميتوان به لاک یا رزین اپوکسي ، نوار چسب ، رزین سيليکون و موارد دیگر اشاره نمود .

جایگزین مناسب جهت عدم استفاده از ماده نچسب، استفاده از یک فاصله آزاد ميان عضو مهاربندی و پوشش ملات برای حرکت آزادانه ميان این دو مي باشد که این فاصله بر اساس تغيير شکل های هسته مهاربند تحت اثر پواسون به دست ميآید که این مقدار برای مهاربندهای کمانش تاب معمول 3 ميليمتر فاصله مناسبي است. به طور کلي این فاصله برای انواع مهاربندهای کمانش تاب با غلاف های متفاوت بين دو مقدار 0.7 تا 3.5 ميليمتر متغير مي باشد.