X

معرفی میراگرهای اصطکاکی دورانی

 

رویکرد کلی روش‌های متداول طراحی سازه‌ها، 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 به‌کارگیری سیستم‌های کنترل لرزه‌ای، باعث کاهش میزان انرژی جذب شده توسط سازه به‌واسطه 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 تحقیقات بسیاری بر روی انواع این سیستم‌ها انجام شده است.

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

میراگرها از لحاظ عملکردی، به دو دسته‌ی وابسته به جابجایی و وابسته به سرعت تقسیم‌بندی می‌شوند. یکی از انواع سیستم‌های کنترلی وابسته به جابجایی، میراگرهای اصطکاکی دورانی می‌باشد. ثبت رسمی اولین انواع میراگرهای اصطکاکی به قبل از سال 1950 باز می‌گردد. این میراگرها به‌دلیل 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 می‌باشند. در دهه‌های گذشته محققین بسیاری از جمله Pall و Marsh ،Fitzgerald ،Aiken و Kell ،Constantinou و Reinhorn ،Grigorian و Popov ،Nims بر روی این نوع از میراگرها مطالعه و تحقیق نموده و عملکرد آن‌ها را بهبود بخشیده‌اند. در سال 1998 دکتر معلا نسل جدیدی از 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 تأثیر 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 به‌طور کلی با مکانیزم جذب انرژی از طریق ایجاد اصطکاک ناشی از جابه‌جایی رخ داده در سطح لغزش انرژی لرزه‌ای را مستهلک می‌کنند. 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 ویژگی‌های خاص، از یکدیگر جدا می‌شوند که نیروی پیش‌تنیدگی ناشی از پیچ‌هایی که این صفحات و پدها را به هم می‌بندد باعث ایجاد اصطکاک در سطح لغزش پدها 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 صفحات 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، جابه‌جایی 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 گرفته روی سازه‌های مجهز شده به این میراگرها، رفتار آن‌ها کاملا منطبق بر مدل‌های به‌کار 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 پیش‌بینی 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 سیستم 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 روش‌های خطی و غیرخطی بر مبنای آیین‌نامه‌های متداول بین‌المللی انجام می‌شود. استاندارد ASCE-7 و ASCE-41، دو نمونه از مراجعی هستند که ضوابط خاص طراحی سازه‌های مجهز به میراگرها را به ترتیب برای سازه‌های نوساز و سازه‌های موجود ارائه می‌دهند. در ویرایش 2022 استاندارد ASCE-7، تغییراتی نسبت به ویرایش قبلی در خصوص حدود بالا و پایین رفتاری میراگر و همچنین آزمایش‌های مورد نیاز برای میراگرها لحاظ شده است. میراگرهای اصطکاکی دورانی دارای رفتار دوخطی بوده و مدل‌سازی این میراگرها در تحلیل‌های غیرخطی با استفاده از المان‌های دوخطی انجام می‌گیرد و مشخصات سختی اولیه و نیروی لغزش و سختی ثانویه آن متناسب با نیاز سازه و با درنظرگیری ظرفیت‌های موجود برای این میراگرها مدل‌سازی می‌شوند.

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 نمونه‌ای از چرخه نیرو-تغییرمکان، برای مدل‌سازی این میراگرها نشان داده شده است.

در مدل‌سازی میراگر در تحلیل‌های خطی می‌توان از المان‌هایی با سختی مؤثر معادل و اعمال میرایی مؤثر کل سیستم میرایی در تحلیل و طراحی سازه استفاده نمود. مطابق استاندارد ASCE-7، مشخصات در نظر گرفته شده برای هر میراگر باید بر اساس نتایج آزمایش‌های Prototype test  بر روی میراگر باشد. این آزمایش باید مطابق ضوابط این استاندارد بر روی حداقل دو نمونه از میراگرها انجام شده باشد.

چرخه نیرو-تغییرمکان میراگرهای اصطکاکی دورانی

به طور کلی رویکرد طراحی در سازه‌های مجهز به میراگر مطابق استاندارد ASCE-7، در روش خطی، کاهش برش پایه ساختمان به واسطه میرایی اضافه شده و در نظر گرفتن سختی مؤثر سیستم میرایی در تحلیل سازه می‌باشد. در سازه‌های دارای سیستم میرایی، برش پایه طرح، با لحاظ نمودن یک ضریب اصلاحی منتج از میرایی موثر مطابق رابطه زیر کاهش پیدا می‌کند. مطابق این آیین‌نامه مقدار نیروی طراحی نباید بیشتر از 0.25 درصد نسبت به حالت بدون میراگر کاهش پیدا کند.

تطابق میراگر اصطکاکی دورانی با معیارهای آیین‌نامه‌ای

 

رفتار پایدار میراگرهای اصطکاکی دورانی DAMPTECH در مراکز مختلف آزمایشگاهی معتبر دنیا براساس استانداردهای معتبر اروپایی و آمریکایی تست شد و نتایج، نشان‌دهنده رفتار کاملا مطمئن و قابل اعتماد این میراگرها می‌باشد. این نتایج شامل نتایج آزمایش‌های مربوط به میراگرهای بکار رفته در چندین پروژه داخلی نیز می‌باشد. در شکل ذیل، نمونه آزمایش روی یک میراگر به‌کار رفته در یک پروژه داخلی قابل ملاحظه است. همانطور که مشاهده می‌شود نتایج چرخه‌های هیسترزیس مربوط به پنج سیکل کامل بارگذاری باربرداری، کاملا روی هم منطبق هستند و مقدار اختلاف سیکل‌های مختلف آن بسیار ناچیز می‌باشد این در حالی است که استانداردهای معتبر بین‌المللی 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 آیین‌نامه 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 می‌باشد که مکانیزم استفاده از دیسک‌های فنری برای کاهش وادادگی را 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 شدن (چسبندگی) 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 به مرور زمان آلودگی‌های موجود در شرایط محیطی بر روی سطوح لغزش دچار چسبندگی 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 می‌باشد 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 دیسک‌های فنری

کاربرد میراگرهای اصطکاکی دورانی

 

تیرهای پیوند به دلیل قرارگیری مابین دیوارهای برشی نیروهای بسیار زیادی را در هنگام زلزله متحمل می‌شوند و در نتیجه خرابی‌های غیر قابل اجتنابی را تجربه می‌کنند. استفاده از میراگرهای اصطکاکی دورانی در این نقاط این اطمینان را حاصل می‌نماید که همواره مقدار نیروهای ثابتی در این ناحیه ایجاد خواهد شد 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
  • ایده‌آل برای مقاوم‌سازی ساز‌ه‌های موجود
  • کاربردهای متنوع و مدل‌های به‌کارگیری گوناگون
  • دارای وزن و حجم کم و قابلیت تطبیق با شرایط خاص هر پروژه
  • قابلیت تنظیم یا تعویض در محل (پس از زلزله)
  • حفظ عملکرد در هنگام زلزله و پس‌لرزه‌ها (پس از زلزله اصلی)
  • اقتصادی‌تر 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 به‌کارگیری 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