عمران آنلاین

میراگرهای اصطکاکی

به‌منظور ساخت ساختمان‌های مقاوم در برابر نیروهای زلزله، یکی از روش‌های اقتصادی، استفاده از میراگر یا وسایل اتلاف انرژی است. در این میان میراگرهای اصطکاکی یکی از انواع وسایل اتلاف انرژی است که عملکرد خوبی در کاهش نیروهای دینامیکی ورودی به سازه داشته و از جمله اقتصادی‌ترین آنها نیز به شمار می‌آیند.

اثر وجود میراگر اصطکاکی در منحنی ظرفیت سازه

پیشینه مطالعات انجام‌شده در زمینه میراگرهای اصطکاکی

اولین مطالعات آزمایشگاهی در مورد اتصالات لوبیایی SBC به مطالعات ونوتی (Venuti) در سال ۱۹۷۶ و زوتی (Zsutty) در سال ۱۹۸۴ برمی‌گردد. پس‌ازآن در سال ۱۹۸۴ فیتزجرالد (Fitzgerald) نتایج کامل‌تری را در رابطه با میراگرهای اصطکاکی ارائه نمود. در اوایل دهه ۱۹۸۰، اوتار اس.پال (Pall.AvtarS) وسیله‌ای برای مستهلک کردن انرژی ورودی لرزه‌ای به سازه از طریق اصطکاک نوآوری کرد. او این ایده را از مکانیزم ترمز اتومبیل‌ها الهام گرفت و معتقد بود که عمل ترمز مشابه توقف حرکت ساختمان‌ها در حین زمین‌لرزه است. همان‌گونه که ترمز اصطکاکی وسیله‌ی نقلیه، انرژی جنبشی ناشی از حرکت آنها را تلف می‌کند، حرکت ساختمان نیز می‌تواند سبب استهلاک انرژی ناشی از زلزله به‌وسیله‌ی یک مکانیزم اصطکاکی باشد. این نظریه در سال ۱۹۸۲ منجر به نوآوری در میراگر اصطکاکی پال شد.

در ادامه و به‌منظور بررسی دقیق‌تر رفتارهای لرزه‌ای این گروه از میراگرها، مدل‌های متعددی توسط میز ارتعاش شبیه‌سازی و موردمطالعه قرار گرفت. در سال ۱۹۸۶ یک قاب سه طبقه مجهز به میراگر اصطکاکی بر روی میز لرزه قرار گرفت و زلزله‌ای با بیشینه‌ی شتاب ۰.۹g بر سازه اعمال شد اما به قاب هیچ‌گونه خسارتی وارد نشد، درحالی‌که همان قاب بدون وجود مهاربند مجهز به میراگر در سطوح لرزه‌ای بسیار پایین دچار خرابی‌های گسترده‌ای شد. در سال ۱۹۸۸ یک قاب ۹ طبقه و سه دهانه با میراگرهای اصطکاکی بر روی میز لرزه قرار گرفت.

تمامی اعضای قاب دارای میراگر تا شتاب ۰.۸g در محدوده‌ی الاستیک باقی ماندند، درحالی‌که قاب خمشی آن به‌تنهایی قادر به تحمل شتاب ۰.۳g بوده است. در سال ۱۹۹۳ گرگوریان به‌منظور افزایش مقاومت سایشی و بالا بردن کارایی میراگرهای اصطکاکی از فلز برنج مابین سطوح لغزش استفاده کرد. با توجه به کارایی و عملکرد مطلوب این میراگرها در بارهای دینامیکی، همچنان مطالعات تئوری و آزمایشگاهی در رابطه با آنها ادامه دارد. رضایت‌بخش بودن نتایج به‌دست‌آمده از مطالعات تحقیقاتی موجب گشته است، کاربرد عملی و تجاری میراگرهای اصطکاکی نیز موردتوجه قرارگرفته است. بخصوص به‌منظور مقاوم‌سازی ساختمان‌های موجود، استفاده از این گروه میراگرها یکی از اولویت‌های اصلی به شمار می‌آید.

مبانی و تئوری میراگرهای اصطکاکی

هنگامی‌که یک جسم مطابق شکل تحت نیروی جانبی P قرار گیرد، با افزایش نیرو از حد نیروی اصطکاک F، جسم به‌صورت ناگهانی شروع به حرکت می‌کند، حرکت جسم از یک سو و نیروی اصطکاک موجود مابین سطوح تماس از سوی دیگر باعث تولید انرژی گرمایی در سطح تماس جسم می‌شود. اکنون اگر نیروی وارده دینامیکی باشد، اصطکاک مابین سطوح متحرک، حرارت و گرمای زیادی را در هر حرکت رفت و برگشتی تولید می‌کند.

رابطه نیروی اصطکاکی با نیروی عمود بر سطح
عملکرد دینامیکی اتصال لوبیایی

میراگرهای اصطکاکی یکی از ساده‌ترین انواع وسایل اتلاف انرژی در سازه به شمار می‌آیند. این‌گونه وسایل اتلاف انرژی با استفاده از یک اتصالات اصطکاکی همراه با سوراخ‌های لوبیایی شکل (الف) مطابق اتصال شکل طراحی می‌گردند، درصورتی‌که نیروی اعمال‌شده به اتصال اصطکاکی از بار لغزش اتصال بزرگ‌تر شود، سطوح به‌صورت ناگهانی شروع به حرکت می‌کنند. اما پس از حرکت با توجه به جنس سطوح تماس، مقدار نیروی اصطکاک نسبت به شروع حرکت تغییر می‌کند و بسته به دامنه جابجایی نیز این تغییرات متفاوت است. بنابراین اگر بتوان نیروی اصطکاک مشخصی را در یک اتصال یا یک عضو ایجاد کرد، به‌طوری‌که مقدار این نیروی قابل‌کنترل باشد، میراگر موردنظر تولیدشده است.

اتصال اصطکاکی با سوراخ لوبیایی

از مصالحی که برای سطوح لغزنده استفاده‌شده است، می‌توان به لایه‌های لنت ترمز روی فولاد، فولاد روی برنج و فولاد روی فولاد را نام برد. انتخاب فلز پایه برای میراگر اصطکاکی بسیار مهم است. مقاومت بالا در مقابل خوردگی، اغلب می‌تواند ضریب اصطکاک فرض شده را برای عمر موردنظر وسیله کاهش دهد. آلیاژ فولاد کم‌کربن، زنگ‌زده و می‌پوسد و خواص سطح مشترک آنها در طی زمان تغییر می‌کند. آزمایشات بر روی فولاد ضدزنگ در تماس با برنج، خوردگی اضافی نگران‌کننده‌ای را نشان نداد و از این جهت این مواد برای استفاده در میراگرهای اصطکاکی مناسب هستند.

انواع میراگر اصطکاکی

تمام میراگرهای اصطکاکی موجود به این صورت عمل می‌کنند که یک قسمت به‌صورت ثابت قرارگرفته و قسمت دیگر به‌صورت دینامیکی بر روی آن می‌لغزد. لغزش روی‌داده در سطح مشخصی از نیرو اتفاق افتاده و بر اساس قانون اصطکاک کلمب حرکت می‌کند؛ به گونه‌ای که تا سطح مشخصی از نیرو هیچ حرکتی روی نمی‌دهد، اما بعد از این سطح لغزش و حرکت آغاز می‌شود. ترکیب‌بندی و نحوه قرار گرفتن این سطوح لغزش موجب ایجاد میراگرهای اصطکاکی مختلف می‌شود که انواع آن در ادامه تشریح خواهد شد.

میراگر اتصالات اصطکاکی

این نوع میراگر از سیستم‌های رایج استهلاک در سازه می‌باشد که برای اتلاف انرژی از طریق اصطکاک از اتصالات پیچ‌های لغزشی استفاده می‌کند. از این نوع اتصالات می‌توان به اتصالات پیچی لغزنده نام برد، که خود به اتصال لغزنده خطی و اتصال لغزنده دورانی تقسیم می‌شود.

میراگر اصطکاکی پال

این سیستم اولین بار به‌وسیله‌ی پال و مارچ در سال ۱۹۸۲ معرفی شد. سازوکار این سیستم ایجاد سطوح اصطکاک لغزشی در محل تقاطع بادبندهاست. برای قاب‌های ساختمانی، این میراگرها را می‌توان در بادبندهای کششی ضربدری، قطری تک و شورن به‌کار برد. این میراگر از چند سری ورقه‌های فولادی به‌گونه‌ای ساخته‌شده است که دارای بیشترین سطح اصطکاک بوده و به‌وسیله‌ی بولت های فولادی پر مقاومت به یکدیگر بسته‌شده‌اند. این میراگرها در برابر بار باد، لغزش نمی‌کنند اما در تحریکات جدی لرزه‌ای، برای بار بهینه‌ای که پیش از آن برای آن طراحی‌شده‌اند، پیش از آنکه اعضای سازه‌ای تسلیم شوند وارد عمل شده و سهم زیادی از انرژی زلزله را از بین می‌برند. این کار به سازه این امکان را می‌دهد که به‌صورت الاستیک باقی‌مانده و تسلیم آن تا وقوع زلزله‌ی شدیدتری به‌عقب بیافتد. خصوصیت دیگر سازه‌ی مجهز به میراگر اصطکاکی آن است که پریود طبیعی آن با دامنه ارتعاش تغییر می‌کند. لذا از پدیده‌ی رزونانس جلوگیری به عمل می‌آید.

میراگر اصطکاکی پال در مهاربند ضربدری

اولین مدل میراگر اصطکاکی پال در مهاربند شورون در جهت مقاوم‌سازی لرزه‌ای ساختمان ایتون کانادا آزمایش شد. مدل‌سازی به‌صورت ترکیب مهاربند و میراگر انجام شد و نیروی متناظر تسلیم غیرخطی همان نیروی لغزش لحاظ شده است. شکل بعدی، چگونگی قرار گرفتن آن را در دو ساختمان مختلف در مهاربند شورن نشان می‌دهد.

به‌کارگیری میراگر اصطکاکی پال در مهاربند شورون (الف): ساختمان ایتون در مونترال، (ب): ساختمان اداره کل دادگستری اوتاوا

میراگر اصطکاکی سومیتومو

این میراگر توسط صنایع فلزی سومیتومو به بازار عرضه شد که به بادبندها متصل می‌شد. این وسیله دارای یک جدار استوانه‌ای می‌باشد که در داخل آن بالشتک‌هایی تعبیه‌شده است. این بالشتک‌ها بر روی جدار داخلی وسیله می‌لغزد و انرژی زیادی را از طریق اصطکاک مستهلک می‌کند.

میراگر اصطکاکی دورانی

ایمن میراگر در سال ۲۰۰۰ در رساله‌ی دکترای Mualla معرفی شد. از این میراگر در مراجع فنی با عنوان میراگر اصطکاکی جدید نیز نام‌برده می‌شود که می‌تواند به‌صورت یک و چند واحده برای نیروی اصطکاکی موردنظر استفاده شود. این میراگر بر اساس اصطکاک بین واحدها عمل می‌کند و با جمع شدن یا باز شدن موجب ایجاد اصطکاک و درنتیجه استهلاک انرژی می‌شود. نواحی بحرانی در حین عمل کردن میراگر در قالب مدل‌سازی مشخص‌شده است. مهاربندهای مورداستفاده برای این میراگر دارای نیروی پیش‌تنیدگی اولیه هستند تا از کمانش مهارها جلوگیری شود.

کاربرد میراگر اصطکاکی دورانی در بادبند سازه فولادی
فیسبوک توییتر گوگل + لینکداین تلگرام واتس اپ کلوب

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *