تحقیق در مورد مقاوم سازی ساختمانها بوسیله میراگرهای اصطکاکی

مقاوم سازی ساختمانها بوسیله میراگرهای اصطکاکی
مقاوم سازی ساختمانها بوسیله میراگرهای اصطکاکی
این مقاله در شماره هیجدهم به چاپ رسیده است.نویسندگان:مزدک محمدحسینی و بابک صولت دانشجویان کارشناسی ارشد دانشگاه آزاد واحد بندرعباس
چکیده:
با توجه به ضرورت حفظ سرمایه های ملی کشورمان در برابر بلایای طبیعی از جمله زمینلرزه ، مقاله ای تحت عنوان مقاوم سازی ساختمانها بوسیله میراگرهای اصطکاکی و مقایسه آنها با جداسازهای لرزه ای ، تقدیم می گردد .
جداسازهای لرزه ای یکی از راه حلهای موثر برای محافظت ساختمانهای بزرگ از خسارت زلزله می باشد، ولی این راه حل پرهزینه است زیرا کل ساختمان باید به تکیه گاههای غلتکی یا الاستومتریک که در سرتاسر سازه توزیع شده باشند مجهز گردد ، امّا میراگرهای اصطکاکی دارای نتایجی مشابه ولی در عوض هزینه پایین تری متحمل می شود و به راحتی نصب می شود .
در این مقاله اول به معرفی میراگرهای اصطکاکی و کارهایی که دیگران بر روی این نوع میراگر مطالعه کرده اند می پردازیم و به دنبال آن به مدلسازی ساختمانی 5 طبقه با قاب خمشی همراه با میراگرهای اصطکاکی و مقایسه آن با ساختمانی مشابه همراه با جداساز ، و در آخر تاثیرات میراگرها در برش پایه ، تغییر مکان طبقات و تغییر مکان نسبی بررسی می شود و نتیجه گیری از نمودارها و تفسیر نتایج انجام می شود .
مقدمه:
مقاوم سازی ساختمانها در برابر زلزله از موضوعات مهمی است که امروزه دانشمندان بر روی آن کار می کنند، چون جان انسانهای بسیار زیادی بر اثر زلزله در خطر است و از نظر مالی خسارات زیادی را در بر دارد.
در این مقاله یکی از روشهای مقاوم سازی ساختمان را مورد بررسی قرار می دهیم. این متن به میراگرهایی که از مکانیسم اصطکاک جامدات جهت فراهم نمودن اتلاف انرژی مورد نیاز استفاده می کند می پردازد . بنابراین ، در اینجا اصطکاکی که بین دو جسم جامد که نسبت به هم می لغزد در نظر گرفته میشود. فرآیندهایی از این نوع به طور زیادی در طبیعت وجود دارند و همین طور در بسیاری از سیستمهای مهندسی بکار گرفته شده اند . برای مثال، اصطکاک جامد نقش بسیار مهمی در کنترل کلی حرکات تکتونیکی و ایجاد زمینلرزه ها بازی می کند. در یک مقیاس بسیار کوچکتر ، اصطکاک در ترمز اتومبیلها به عنوان عاملی برای تلف نمودن انرژی جنبشی حرکت نیز استفاده می شود. بر اساس شبیه سازی ترمز ماشین،Pall et al.(1980) شروع به توسعه میراگرهای اصطکاکی منفعل جهت بهبود پاسخ لرزه ای سازه ها نمودند.
در مورد سازه های بزرگ اثبات گردیده است که جداسازی پایه سازه یک راه حل مفید برای کاهش دادن و مستهلک کردن تمایلات لرزه خیزی سازه است، با این حال این کار می تواند پرهزینه باشد و سازه های بزرگ را دچار تغییرات کند . در حال حاضر امکان ایمن سازی سازه تا حد قابل قبول در برابر زلزله با استفاده از میراگرهای اصطکاکی وجود دارد بدون آنکه مجبور به جداسازی در سازه شویم.
معرفی میراگر اصطکاکی:
از تمام روش های در دسترس استخراج کردن انرژی جنبشی از یک جسم متحرک ، بی تردید اصطکاک ترمز است که قابل اعتماد و به طور اقتصادی انرژی از بین می رود. در این اواخر اصل اصطکاک ترمز ، Pall توسعه و الهام بخشید. مشابه اتومبیلها ، جنبش ارتعاش ساختمان می تواند به آهستگی پایین بیاید و بوسیله اصطکاک انرژی از بین برود .
انواع مختلفی از میراگرهای اصطکاکی توسط Pall ایجاد شده است. میراگرهای اصطکاکی ساده و خطاناپذیر در ساختمان و ارزان از نظر اقتصادی است. اساساً ، میراگرهای اصطکاکی شامل می شوند از یک سری ورقهای مخصوص که به صورت قابل اعتمادی رفتار می کنند و اصطکاک ایجاد می کنند. این ورقها با پیچهای فولادی با مقاومت بالا با همدیگر گیردار می شوند. میراگرهای اصطکاکی طراحی شده اند که در جریان باد لغزش نکنند و در طی زلزله شدید، لغزش میراگرهای اصطکاکی در یک بار بهینه از پیش تعیین شده، در عضوهای دیگر ساختمان تسلیم رخ می دهد و قسمت اصلی از انرژی لرزه ایی از بین می رود.
میراگرهای اصطکاکی در مقابل زلزله های بزرگ اجازه می دهد که ساختمان در حالت الاستیک باقی بماند یا حداقل با تاخیر به حد تسلیم برسد .
پیشرفتهای قابل ملاحظه ای بین سالهای فی مابین صورت گرفته است و تعدادی از این نوع تجهیزات ساخته شده اند. چند نوع از میراگرهای اصطکاکی در شکل (1) نشان داده شده است. اتصال اصطلاح پیچ شده لغزش محدود (Limited Slip Bolted, LSB) که ابتداً توسط Pall et al.(1980) ساخته شد در شکل (1-الف) نشان داده شده است. این سیستم برای کنترل لرزه ای سازه های پانل بزرگ در نظر گرفته شده است. طرح LSB از بالشتکهای ترمز بین طفحات فولادی جهت فراهم نمودن یک پاسخ نیرو-جابجایی دقیق استفاده می نماید. شکل (1-ب) یک طرح گزینه ای دیگر را که توسط Pall & Marsh(1982) پیشنهاد شده است برای استفاده در قابهای با مهاربندی ضربدری نشان میدهد.بار دیگر، بالشتکهای ترمز برای صفحات لغزشی به کار رفته اند. دو نوع جدید از میراگرهای اصطکاکی تک محوری در شکل(1-پ) و (1-ت) نیز نشان داده شده است. اولین آنها میراگر اصطکاکی سومیتومو(sumitomo) است که در کشور ژاپن به کار رفته است(Aiken& Kelly). در این میراگر بالشتکهای اصطکاکی ساخته شده از آلیاژ مس در امتداد سطح داخلی یک پوشش فولادی استوانه ای می لغزد. نیروی عمودی مورد نیاز از طریق عملکرد یک فنر در مقابل گوه داخلی و خارجی فراهم میشود. شکل(1-ت) نوع دیگری از قید اتلاف انرژی پیچیده تری را که توسطNims et al(1980a) توصیف شده است نشان میدهد. در آخر شکل(1-ث) که یک اتصال پیچی شیاردار که برای استفاده در قابهای با مهاربندی هم مرکز طرح شده است را نشان میدهد .
تمام تجهیزاتی مه در این مقاله مورد تحقیق قرار میگیرند از اصطکاک اجسام جامد به عنوان مکانیزم اصلی اتلاف استفاده می کند. بنابراین در میراگرهای اصطکاکی کار غیر قابل برگشت توسط نیروی مماسی مورد نیاز برای لغزش یک جسم صلب در امتداد صفحه دیگری انجام می شود . یکی از اهداف ، بیشینه نمودن انرژی تلف شده می باشد. سطوح تماس عموماً می باید در طی عملیات خشک باقی بمانند. جزئیات بیشتر به همراه مراجع متعددی در مقاله Tybor(1981) ، Larsen-Basse(1992) و در کتب درسی می توان یافت.
به علت نبود تئوریهای کاملاً توسعه یافته ، اعتماد نمودن به آزمایشهای فیزیکی به منظور ساخت میراگرهای اصطکاکی نیاز است.
اولین تحقیقات در این زمینه توسطFillatrault&Cherry(1987) دنبال شد که آنها عملکرد میراگرهای اصطکاکی با مهاربندی ضربدری را مورد ارزیابی قرار دادند.دو قاب سازه ای مشابه فولادی سه طبقه 3/1 با مقباس ساخته شده اند بصورتیکه تبدیل ما بین سه پیکربندی قابهای MR,BMR,FDB میسر بود.
مطالعات تجربی بیشتر بر روی میراگرهای با مهاربندی ضربدری توسط Iken et al.(1988) دنبال شد. یک سازه فولادی سه دهانه 9 طبقه با مقیاس 4/1 بر روی یک تشابه ساز زمین لرزه ای برای هر یک از قابهای MR,FDBبه طور کامل آزمایش شد. المانهای اتلاف گر در طرح FDB شامل یک بالشتک لقمه ترمزی با فصل مشترک اصطکاکی از جنس فولاد زنگ نزن می شد. در ابتدا فرکانس های طبیعی و نسبتهای میرایی در دامنه کم برای هر یک از پیکربندی های میرایی در دامنه کم برای هر یک از پیکربندی های FR,FDB تعیین شد. فرکانسهای اصلی برای قابهای MRوFDB به ترتیب برابر با 2.0 و 2.23 هرتز بود. اما نسبتهای میرایی مرتبط با آنها به ترتیب 2.4% و 5.6% بدست آمدند.ساره تحت اثر ده سیگنال لرزه ای متفاوت با دامنه های مختلف قرار گرفت. همانطوریکه انتظار می رفت برای یک زمین لرزه خاص افزایش در دامنه شتاب سبب افزایش موثر بودن میراگرهای اصطکاکی می شد. برای مثال ، هنگامی که حداکثز شتاب زمین لرزه به ترتیب برابر با 2.0 و 2.23 هرتز بود. اما نسبتهای میرایی مرتبط با آنها به ترتیب 2.4% و 5.6% بدست آمدند.ساره تحت اثر ده سیگنال لرزه ای متفاوت با دامنه های مختلف قرار گرفت. همانطوریکه انتظار می رفت برای یک زمین لرزه خاص افزایش در دامنه شتاب سبب افزایش موثر بودن میراگرهای اصطکاکی می شد. برای مثال ، هنگامی که حداکثر شتاب زمین لرزه EL centro از 0.3gبه 0.84g افزایش یافت ، نسبت شتاب بام به شتاب زمین از 1/3 به 0/2 تنزل نمود.
مدلسازی:
در این مقاله ساختمانی 5 طبقه در نظر گرفته شده است که بوسیله میراگرهای اصطکاکی که در بادبندها بکار گرفته شده است مقاوم سازی می شود و با حالت بدون میراگر و با جداساز مقایسه میشود.
ساختمان 5طبقه در شهر تهران واقع است و پلانی مستطیل شکل با 3 دهانه در هر طرف به اندازه 5 متر و با بار مرده 600 کیلوگرم بر متر مربع بر روی طبقات مدل شده است.
در مدلسازی میراگر اصطکاکی در این ساختمان از بار لغزش استفاده شده است.
Vs=f [Tb/Tu,Tg/Tu,N]mag
Vs: بار برشی لغزش کل در تمامی میراگرهای اصطکاکی است
N: تعداد طبقات
Tb: زمان تناوب قاب مهار شده
Tu: زمان تناوب قاب مهار نشده
Tg: زمان تناوب غالب زمین
M: جرم کل ساره
Ag: شتاب بیشینه زمی