معرفی میراگرهای اصطکاکی دورانی

 

رویکرد کلی روش‌های متداول طرح سازها افزایش مقاومت سازه با افزودن اعضای باربر جانبی بیشتر می‌باشد. به طور کلی افزایش مقاومت در سازه‌ها باعث افزایش سختی سازه و در نتیجه افزایش نیروی ورودی به سازه در هنگام زلزله می‌شود در حالی که بکارگیری سیستم‌های کنترل لرزه‌ای، باعث کاهش میزان انرژی جذب شده توسط سازه بواسطه جذب حداکثری انرژی توسط سیستم‌های جاذب انرژی خواهد شد. استفاده از انواع سیستم‌های کنترلی در دهه‌های گذشته مورد توجه بسیاری از طراحان و پژوهشگران قرار گرفته و تحقیات بسیاری بر روی انواع این سیستم‌ها انجام شده است

سیستم‌های میرایی به لحاظ وابستگی به انرژی خارجی به سه دسته کلی میراگرهای غیر فعال، نیمه فعال و فعال تقسیم می‌شوند. در این بین سیستم‌های غیر فعال به جهت عدم وابستگی خود به انرژی خارجی، قیمت مناسب و عملکرد ساده آنها در سالیان گذشته از استقبال بیشتری برخورده بوده و در سازه‌های بسیاری مورد استفاده قرار گرفته است

میراگرها از لحاظ عملکردی به دو دسته، وابسته به جابجایی و وابسته به سرعت تقسیم بندی می‌شوند. یکی از انواع سیستم‌های کنترلی وابسته به جابجایی میراگرهای اصطکاکی دورانی می‌باشد. ثبت رسمی اولین انواع میراگرهای اصطکاکی به قبل از سال 1950 بر می‌گردد. این میراگرها بدلیل ویژگی‌های خاص از جمله نیاز کمتر به تعمیر و نگهداری، نصب آسان، طول عمر زیاد و قیمت مناسب از مقبولیت زیادی در میان طراحان برخوردار بوده‌اند. در دهه‌های گذشته محققین بسیاری از جمله Pall و Marsh ، Fitzgerald ، Aiken و Kell ، Constantinou و Reinhorn ، Grigorian و Popov، Nims برروی این نوع از میراگرها مطالعه و تحقیق نموده و عملکرد آن را بهبود بخشیده‌اند. در سال 1998 دکتر معلا نسل جدید از این میراگرهای اصطکاکی به نام میراگرهای اصطکاکی دورانی مجهز به پدهای اصطکاکی را ارائه نموده و از آن پس تحقیقات بسیاری پیرامون این میراگر صورت پذیرفت. در یک دهه گذشته این میراگر در پروژه‌های مختلف از جمله بلند‌ترین برج کشور ژاپن استفاده شده است. صفحات لغزش در این میراگرها به واسطه عملکرد دورانی، بر خلاف میراگرهای نسل‌های پیشین خود، همواره قبل و بعد از لغزش محفوظ بوده و بر روی هم قرار دارند. این ویژگی در میراگرهای اصطکاکی دورانی باعث می‌شود احتمال تاثیر شرایط محیطی، نفوذ و سمنتگی مواد زائد بر روی صفحات لغزش از بین برود و عملکرد قابل اطمینان در طول عمر سازه برای میراگر قابل پیشبینی باشد.

ناحیه اصطکاک در میراگرهای اصطکاکی دورانی

نحوه عملکرد میراگرهای اصطکاکی دورانی

 

میراگرهای اصطکاکی دورانی به طور کلی با مکانیزم جذب انرژی با ایجاد اصطکاک ناشی از جابجایی رخ داده در سطح لغزش انرژی لرزه ای را مستهلک می کنند. میراگرهای اصطکاکی - دورانی متشکل از چندین صفحه فولادی هستند که در مقابل یکدیگر قرار گرفته و طی تحریک زلزله در جهات مخالف یکدیگر، چرخش دارند. صفحه‌های فولادی توسط پدهای اصطکاکی با ویژگی های خاص، از یکدیگر جدا می‌شوند که نیروی پیش تنیدگی ناشی از پیچ هایی که این صفحات و پدها را به هم می بندد باعث ایجاد اصطکاک در سطح لغزش پد می‌شود. زمانی که نیروهای اعمالی به دو سر میراگر به اندازه کافی بزرگ شوند، ورقه‌های فولادی میراگرها شروع به چرخش می‌کنند و انرژی در لایه اصطکاکی بین پدهای اصطکاکی و صفحه‌های فولادی در اثر اصطکاک جذب می‌شود. زمانی که نیروهای وارده معکوس شوند، صفحه‌ها در خلاف جهت قبلی می‌چرخند و مجددا میراگرها باعث استهلاک انرژی زلزله می‌شوند و در نتیجه، جابجایی وارد بر سازه به مقدار قابل توجهی کاهش می‌یابد. در شکل زیر نحوه عملکرد این میراگرها به صورت شماتیک نشان داده شده است

خواص میرایی این میراگرها به خصوصیات ذاتی ماده (منحنی رفتاری تنش-کرنش) بستگی ندارد و با توجه به تکنولوژی پیشرفته بکار رفته در تولید پدهای اصطکاکی و بر پایه آزمایش‌ها و مطالعات انجام یافته روی سازه‌های مجهز شده به این میراگرها، رفتار آنها کاملا منطبق بر مدل‌های بکار گرفته شده در تحلیل و طراحی سازه می‌باشد. در این میراگرها نیروی میراگر مستقل از سرعت است و در تمامی زلزله‌ها، نیروی ثابتی به مهاربند و سازه اعمال می‌شود. این خصوصیت باعث پیش بینی دقیق‌تر رفتار میراگر و سازه نسبت به میراگرهای ویسکوز می‌شود. از نقطه نظر اجرایی، سابقه موفق ساخت و اجرای سیستم میرایی در چندین پروژه داخلی وجود دارد. در شکل زیر جزییات اجرایی سیتم میرایی اصطکاکی – دورانی قابل مشاهده است

نمونه جزییات اجرایی سیستم میرایی اصطکاکی – دورانی

مکانیزم عملکردی میراگر اصطکاکی - دورانی

طراحی میراگر اصطکاکی دورانی

 

طراحی این میراگرها با استفاده از روش های خطی و غیر خطی قاب لانجام. استاندارد ASCE41-17 و ASCE07- دو نمونه از مراجعی هستند که به ترتیب ضوابط خاص طراحی سازه های های مجهز به میراگرها را به ترتیب برای سازه های موجود و سازه های نوساز ارائه میدهند. ویرایش 2016 استاندارد ASCE07 تغییراتی نسبت به ویرایش قبلی خود در بخش در نظر گیری حدود بالا و پایین رفتاری میراگر و همچنین آزامایش های مورد نیاز برای میراگرها داشته که لازم است در طراحی‌ها در نظر گرفته شود. میراگرهای اصطکاکی دورانی دارای رفتار دو خطی بوده و مدل سازی این میراگرها در تحلیل های غیر خطی با استفاده از المان های دوخطی انجام میگیرد و مشخصات سختی اولیه و نیروی لغزش و سختی ثانویه آن متناسب با نیاز سازه و با در نظر گیری ظرفیت های موجود برای این میراگرها مدل سازی می‌شود.

در میراگرهای اصطکاکی دورانی این امکان وجود دارد تا مقدار سختی اولیه و ثانویه این میراگر با توجه به نیاز طراح تنظیم گردد. در شکل زیر نونه ای منحنی هیسترزیس دوخطی برای مدل سازی این میراگر ها نشان داده شده است.

در مدل سازی میراگر در تحلیل های خطی میتوان از المان هایی با سختی معادل استفاده نمود و میرایی میراگر را به صورت جداگانه در تحلیل در نظر گرفت. مطابق استاندارد ASCE07-16، مشخصات در نظر گرفته شده برای هر میراگر باید بر اسا نتایج آزمایش های کارخانه ای Prototype test بر روی میراگر باشد. این آزمایش باید مطابق ضوابط این استادارد بر روی دو نمونه ی اولیه از میراگرها انجام شده باشد.

منحنی هیسترزیس دوخطی

به طور کلی رویکرد طراحی در سازهای مجهز به میراگر مطابق استاندارد ASCE07-16 در روش خطی، کاهش برش پایه ساختمان به واسطه میرایی اضافه شده می باشد. در سازه های دارای میراگر برش پایه زلزله با ضریب عددی برای میرایی موثر مطابق رابطه زیر کاهش پیدا میکند. مطابق این آیین نامه مقدار نیروی طراحی نباید بیش تر از 0.25 درصد نسبت به حالت بدون میراگر کاهش پیدا کند.

تطابق میراگر اصطکاکی دورانی با معیارهای آیین نامه‌ای

 

رفتار پایدار میراگرهای اصطکاکی – دورانی DAMPTECH در مراکز مختلف آزمایشگاهی معتبر دنیا بر اساس استانداردهای معتبر اروپایی و آمریکایی تست شده و نتایج نشان دهنده رفتار کاملا مطمئن و قابل اعتماد این میراگرها بر اساس استانداردهای می باشد. این نتایج شامل آزمایش های مربوط به میراگرهای بکار رفته در چندین پروژه داخلی نیز می باشد. در شکل ذیل نمونه آزمایش روی یک میراگر بکار رفته در یک پروژه داخلی قابل ملاحظه است. همانطور که مشاهده می شود نتایج چرخه های هیسترزیس مربوط به پنج سیکل کامل بارگذاری باربرداری کاملا روی هم منطبق می باشند و مقدار اختلاف سیکل های مختلف آن بسیار ناچیز بوده این در حالی است که استاندارد های معتبر بین المللی مانند ASCE07-16 مقدار 15 درصد برای اختلاف نیروی میراگر در سیکل‌های مختلف را مجاز دانسته در حالی که رفتار این نوع از میراگر بسیار پایدارتر از حد قابل قبول مذکور در آیین نامه می‌باشد.

معیارهای فنی

 

وادادگی

یکی از نکات فنی در خصوص میراگرهای اصطکاکی لزوم حفظ میراگر از پدیده وادادگی می‌باشد. در میراگرهای اصطکاکی – دورانی برای جلوگیری از وادادگی درازمدت احتمالی از دیسک‌های فنری خاص استفاده شده است که این مورد نیز یکی از برتری‌های مهم این میراگرها نسبت به سایر میراگرهای اصطکاکی موجود می باشد که مکانیزم استفاده از دیسک‌های فنری برای کاهش وادادگی ندارند.

صفحات لغزش

صفحات لغزش در این میراگرها به دلیل عملکرد دورانی آن همواره بر روی هم قرار داشته و ناحیه اصطکاک در هنگام دوران و همچنین قبل و بعد از زلزله، همواره یکسان می‌باشد، این ویژگی در میراگرهای اصطکاکی دورانی باعث می‌شود احتمال نفوذ و سمنته (چسبندگی) شدن مواد زائد در ناحیه لغزش در گذر زمان از بین برود و عملکرد قابل اطمینان در طول عمر سازه قابل پیشبینی باشد، در حالی که در میراگرهای اصطکاکی غیر دورانی همواره بخشی از صفحات لغزش در معرض شرایط محیطی قرار دارد و بمرور زمان آلودگی‌های موجود در شرایط محیطی بر روی سطوح لغزش دچار چسبندگی16 شده و عملکرد این میراگر را در دراز مدت می‌تواند دچار اخلال نماید.

میراگر اصطکاکی دورانی به دلیل عملکرد دورانی خود دارای صفحات لغزش محفوظ می‌باشند و این بدان معنی است که صفحات لغزش در هنگام دوران و بعد از آن همواره یکسان و محفوظ هستند و این ناحیه در تمام حالت مابین دو صفحه لغزش قرار خواهد داشت، این در حالی است که در سایر میراگرهای اصطکاکی همواره بخشی از ناحیه لغزش غیر محفوظ بوده و مابین صفحات لغزش قرار نمی‌گیرد. این ویژگی در میراگرهای اصطکاکی دورانی باعث می‌شود احتمال خوردگی و نفوذ مواد زائد به ناحیه لغزش از بین برود و عملکرد قابل اطمینان در طول عمر سازه قابل پیشبینی باشد.

اجزای میراگر اصطکاکی دورانی به همراه دیسک های فنری

کاربرد میراگرهای اصطکاکی دورانی

 

تیرهای پیوند به دلیل قرار گیری مابین دیوار های برشی نیروهای بسیار زیادی را در هنگام زلزله متحمل می‌شوند و در نتیجه خرابی هایی غیر قابل اجتنابی را تجربه می‌کنند. استفاده از میراگرهای اصطکاکی دورانی در این نقاط این اطمینان را حاصل میکند که همواره مقدار نیروهای ثابتی در ناحیه ایجاد می‌شود و عملکرد این قسمت در طول زلزله بدون هیچ خرابی حفظ شده و به کار خود ادامه می‌دهد.

مزایای میراگرهای اصطکاکی دورانی

 
  • جذب کاملاً مؤثر انرژی زلزله و کاهش آسیب در سازه
  • عدم نیاز به سرویس و نگهداری پس از نصب
  • قابلیت نصب ساده و سریع
  • ایده آل برای مقاوم سازی ساز‌ه‌های موجود
  • کاربردهای متنوع و مدلهای بکارگیری گوناگون
  • دارای وزن و حجم کم و قابلیت تطبیق با شرایط خاص هر پروژه
  • قابلیت تنظیم یا تعویض (پس از زلزله)در محل
  • حفظ عملکرد در هنگام زلزله و (پس از زلزله اصلی)پس لرزه ها
  • اقتصادی تر نسبت به سیستم‌های مشابه در دنیا
  • عدم تغییر مشخصات مکانیکی با گذشت زمان (در اثر تغییر درجه حرارت) برخلاف میراگرهای ویسکوز
  • ایجاد ارزش افزوده در ساختمان به واسطه استفاده از تکنولوژی روز دنیا
  • امکان حذف جابه‌جایی ماندگار سازه پس از وقوع زلزله با کم کردن Clamping Force. این کار به راحتی با شل کردن پیچ‌ها قابل انجام است و سبب ایجاد Self-Centering خواهد شد.
  • کاربردهای متنوع و مدلهای بکارگیری گوناگون
  • امکان تغییر در ظرفیت میراگرها پس از وقوع زمین‌لرزه
  • اعمال نیروی ثابتی به اتصالات و سازه در تمامی زلزله‌ها
  • عدم احتمال نشت در دمپرهای اصطکاکی-دورانی به دلیل عدم وجود هیچ گونه مایعی در ساختار این میراگر