از زمان احداث یک سازه، نیروهای مختلفی به آن وارد می‌شود که یکی از مهمترین آنها نیروی ناشی از حرکت پایه سازه یا زلزله است. در طراحی سازه‌ها اهداف مختلفی از جمله افزایش ایمنی سازه، کاهش هزینه و افزایش سرعت ساخت، افزایش بهره‌وری سازه و ... در نظر گرفته می‌شود. یکی از مهمترین این اهداف، حذف خسارت‌های جانی احتمالی در حین و بعد از وقوع زلزله است.
اولین ایده‌های استفاده از میراگرهای فلزی جاری شونده در دهه 70 میلادی مطرح شد. در طول دهه‌های گذشته تحقیقات زیادی بر روی روش‌ها و اشکال مختلف استفاده از میراگرهای فلزی انجام شده است. از معروف‌ترین میراگرهای جاری شونده فلزی می‌توان به میراگرهای X شکل، میراگرهای با ورق‌های مثلثی، میراگرهای شکاف‌دار، میراگرهای سربی تزریقی و میراگرهای آلیاژ حافظه‌دار شکلی و ... اشاره کرد.
در کنار اهدافی که به آنها اشاره شد، کاهش آسیب‌ها و خسارت‌های مالی وارد بر سازه و کاهش هزینه‌های تعمیر یا بازسازی پس از زلزله نیز هدف مهمی به شمار می‌رود. برای دستیابی به این اهداف روش‌های مختلفی در طول دهه‌های گذشته توسعه پیدا کرده است که در ادامه با آن آشنا خواهیم شد.
کاهش نیروهای وارد بر سازه با استفاده از جداسازهای پایه و میرا نمودن نیروی زلزله در قسمت‌های محدودی از سازه که به عنوان میراگر شناخته می‌شوند در طول دهه‌های اخیر با استقبال زیادی مواجه شده است.
با توجه به این موضوع، انواع مختلفی از جداسازهای پایه و میراگرها توسط محققین مختلف پیشنهاد و مورد آزمایش قرار گرفته است. میراگرها و جداسازهای پیشنهاد شده، دارای تنوع بسیار زیادی بوده و هرکدام از این ابزارها و روش استفاده از آن دارای مزایا و معایب خاص خود هستند.
در حالت کلی استفاده از میراگرها و جداسازها و سایر ابزارهایی که برای کاهش و مستهلک نمودن نیروی زلزله مورد استفاده قرار می‌گیرند به عنوان سیستم کنترل ارتعاشات در سازه شناخته می‌شوند. در ادامه به صورت مختصر، روش‌های مختلف کنترل انرژی زلزله و اثرات آن بر سازه را بررسی خواهیم کرد.
سیستم‌های کنترل ارتعاشات ایجاد شده در سازه، تحت تاثیر نیروهای مختلف از جمله زلزله را در حالت کلی می‌توان به سه دسته تقسیم‌بندی کرد. در ادامه به تفاوت‌های هر یک از این دسته‌ها اشاره شده است:
در سیستم کنترل فعال در حین ایجاد ارتعاش در سازه اطلاعاتی از تحریک خارجی، شامل شتاب زمین و وضعیت سازه شامل جابجایی، سرعت و شتاب بخش‌های مختلف، توسط گیرنده‌ها به هسته پردازش اصلی ارسال می‌شود. هسته پردازش سیستم کنترلی با تحلیل اطلاعات فوق بهترین پاسخ برای کاهش نیروها و تغییر شکل ناشی از تحریک ایجاد شده در سازه را تعیین می‌کند.
در این حالت با استفاده از روش‌ها و ابزارهای مختلف مانند جرم و سختی متغیر فعال، نیروی کنترلی مناسب به سازه اعمال می‌شود. به این صورت سیستم کنترل فعال با استفاده از انرژی خارجی در حین زلزله تغییرات لازم در مشخصات دینامیکی سازه را ایجاد می‌نماید.
در سیستم کنترل غیر فعال، برخلاف سیستم کنترل فعال از منبع انرژی خارجی و سیستم‌های پردازش و اعمال نیرو برای تغییر مشخصات دینامیکی و مستهلک نمودن انرژی ورودی به سازه استفاده نمی‌شود؛ به همین دلیل هزینه ساخت، نگهداری و استفاده از سیستم کنترل غیر فعال بسیار کمتر از سیستم کنترل فعال است و با استقبال گسترده‌تری مواجه هستند.
در این سیستم کنترلی طراحی سازه به گونه‌ای صورت می‌گیرد که انرژی وارده به سازه کاهش یافته یا به سمت وسایل مستهلک کننده نیرو (میراگرها) هدایت شود. با توجه به محدود بودن ناحیه تاثیر نیروی وارده، جداسازهای پایه و میراگرها در صورت ایجاد خسارت جدی به این قسمت‌ها در حین زلزله این اجزا با سهولت بیشتری قابل تعمیر یا تعویض هستند. با توجه به تعریف انجام شده، طیف گسترده‌ای از روش‌های کاهش و مستهلک کردن انرژی وارده در دسته کنترل غیرفعال قرار می‌گیرند.
دسته‌ای دیگر از سیستم‌های کنترلی حالتی ما بین دو دسته قبل را دارا هستند. در واقع در سیستم کنترل نیمه‌فعال به صورت بسیار محدودی از منبع انرژی خارجی و سیستم کنترلی استفاده می‌شود. برای این منظور در بیشتر موارد سیستم کنترلی با استفاده از انرژی باتری‌ها و تغییر در مشخصات سازه مانند سختی، حرکت سازه در حین زلزله را اصلاح می‌کند. به این ترتیب در سیستم‌های کنترل نیمه‌فعال برخلاف سیستم‌های فعال، انرژی زیادی به سیستم اضافه نمی‌شود.
با توجه به تعریف انجام شده از روش‌های کنترل سازه، جداسازها و میراگرها عموما جزء سیستم‌های کنترل غیر فعال محسوب می‌شوند. نحوه عملکرد جداسازها و میراگرها تا حدودی متفاوت از یکدیگر است. در جداسازها تلاش می‌شود که سازه تا حد زیادی از مولفه حرکت افقی زمین جدا شود. جدا شدن سازه از حرکت افقی زمین باعث می‌شود که انرژی وارد شده به سازه در حین زلزله به میزان قابل ملاحظه‌ای کاهش یابد!
در واقع جداسازها لایه‌ای از المان‌ها با سختی جانبی کم را تشکیل می‌دهند که عملکری مشابه سیستم‌های تعلیق خودرو در سازه ایجاد می‌کند. فرکانس تحریک این لایه خیلی کمتر از فرکانس طبیعی سازه و فرکانس غالب زلزله است. در این حالت عمده تغییر شکل ایجاد شده در سازه تحت تحریک زلزله در جداساز ایجاد شده و جابجایی نسبی ایجاد شده در طبقات سازه را به مقدار زیادی محدود می‌کند.
به این ترتیب با استفاده از جداساز پایه، انرژی وارد شده به سازه کاهش قابل ملاحظه‌ای خواهد یافت. مقایسه نحوه پاسخ لرزه‌ای سازه در حالت استفاده و عدم استفاده از جداساز لرزه‌ای در شکل زیر نشان داده شده است. تحقیقات متعددی در چند دهه گذشته به خصوص در کشورهای زلزله‌خیر از جمله آمریکا، ژاپن و نیوزلند در زمینه جداسازها و میراگرها انجام شده است.
در سازه‌های مقاوم در برابر زلزله‌های شدید و نسبتا شدید، آسیب‌های سازه‌ای قابل توجهی به اعضای اصلی سازه مانند تیرها و ستون‌ها وارد می‌شود! در این حالت هزینه تعمیر و بازسازی این سازه‌ها پس از وقوع زلزله قابل ملاحظه بوده و در بعضی موارد تعمیر سازه از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.
با استفاده از سیستم‌های مستهلک کننده انرژی و هدایت نیروهای وارد به سازه، می‌توان از ایجاد خسارت در اعضای اصلی سازه جلوگیری نمود. استهلاک انرژی توسط مصالح یکی از روش های مرسوم کنترل غیر فعال در سازه ها است. میراگرهای فلزی از ظرفیت قابل توجه مصالح فلزی در میرا کردن انرژی وارد به سازه استفاده می کنند.
در هر چرخه از بارگذاری اعمال شده به این میراگرها، با ایجاد تغییر شکل های غیر الاستیک حجم قابل توجهی از انرژی مستهلک می شود. به این ترتیب استفاده از میراگرهای جاری شونده از ایجاد خسارت در اعضای دیگر سازه به میزان زیادی جلوگیری می کنند. مقاومت و ظرفیت جذب انرژی میراگرهای جاری شونده به میزان زیادی به مشخصات تنش – کرنش مصالح فلزی در ناحیه غیر خطی وابسته است.
در میراگرهای جاری شونده، تسلیم مصالح تحت نیروهای مختلف محوری، خمشی، برشی؛ پیچشی و یا ترکیبی از این نیروها رخ می‌دهد. میراگرهای جاری شونده توسط تغییر مکان تحریک می‌شوند. با توجه به این موضوع، اضافه کردن این اجزا به سازه باعث افزایش سختی الاستیک سازه می‌شود. با اضافه شدن سختی، تغییر شکل سازه در ناحیه الاستیک بهتر کنترل می‌شود.
میراگرهای جاری شونده از مزایای زیادی برخوردارند و همین موضوع موجب افزایش استفاده این نوع میراگرها در گذر زمان شده است. از جمله مزایای قابل توجه میراگرهای جاری شونده می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
در سازه‌های معمول عموما میرایی سازه به اندازه‌ای نیست که پاسخ سازه در برابر تحریکات قوی را به شکل محسوسی کاهش دهد. در این سازه‌های بدون تجهیزات میراکننده خسارات قابل توجهی در اعضای سازه‌ای و غیر سازه‌ای ایجاد می‌شود.
البته اغلب این سازه‌ها می‌توانند بدون فروپاشی کامل تا حد زیادی ایمنی ساکنان این سازه‌ها را تامین نمایند، ولی از نظر اقتصادی هزینه تعمیر و مقاوم سازی قابل توجهی را به مالکین خود تحمیل می‌کنند.
افزودن سیستم‌های کنترل ارتعاشات به سازه‌های معمول با میرایی کم، باعث افزایش میرایی و کاهش خسارت ایجاد شده در اعضای اصلی این سازه‌ها می‌شود. وسایل و روش‌های بسیار متنوعی برای بهبود رفتار این سازه‌ها در حین زلزله وجود دارد.
در بیشتر این روش‌ها تغییر شکل ایجاد شده در اعضای اصلی با استفاده از کنترل و محدود کردن تغییر شکل به اعضای مخصوص تعبیه شده در سازه، کاهش داده می‌شود. سیستم‌های کنترل غیر فعال را در حالت کلی می‌توان به دو دسته جداسازهای پایه و میراگرها دسته‌بندی نمود. در ادامه به تعدادی از این سیستم‌ها اشاره شده است.
برای جدا کردن سازه از پایه از تکیه‌گاه‌های ویژه استفاده می‌شود. این تکیه‌گاه‌ها دارای سختی قائم مناسب و سختی جانبی کم هستند. نیروهای قائم ناشی از بارهای ثقلی توسط سختی قائم مناسب تکیه‌گاه به زمین منتقل می‌شود. سختی جانبی کم جداساز باعث افزایش دوره تناوب نوسانی سازه شده که این موضوع در هنگام زلزله از انتقال بخش عمده‌ای از مولفه حرکت افقی زمین به سازه جلوگیری می‌کند.
به این ترتیب بخش قابل توجهی از انرژی زلزله به سازه وارد نمی‌شود. برای ساخت جداسازهای پایه، عمدتا سامانه‌های الاستومری، شامل الاستومرهای طبیعی و مصنوعی یا سامانه‌های لغزشی با پوشش تفلونی یا فولاد ضد زنگ یا ترکیب هر دو، مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ادامه به تعدادی از جداسازهای مورد استفاده اشاره شده است:
در جداسازهای الاستومری طبیعی با میرایی کم عمدتا از لایه‌های ورق فولادی مابین یک لایه ضخیم ماده الاستومری استفاده می‌شود. انتقال نیروهای محوری و برشی از طریق صفحات فولادی فوقانی و تحتانی انجام می‌گیرد. از این سامانه‌ها به صورت گسترده در کشور ژاپن استفاده می‌شود. در شکل زیر نمونه‌ای از جداساز الاستومر طبیعی با میرایی کم مشاهده می‌شود.
در این دسته از جداسازها که اولین بار در سال 1982 مورد استفاده قرار گرفتند از انواع الاستومر با میرایی بالا استفاده شده است. شکل زیر یک نمونه از این نوع جداساز را نشان می‌دهد.
این نوع جداساز از لایه ضخیم لاستیک با صفحات فولادی و هسته سربی تشکیل شده است. هسته سربی جداساز، تحت نیروهای جانبی ناشی از زلزله جاری می‌شود. از این نوع جداساز اولین بار در سال 1975 استفاده شد و اکنون به طور گسترده‌ای در کشورهای آمریکا، ژاپن و نیوزلند مورد استفاده قرار می‌گیرد. نمونه‌ای از این نوع جداساز در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل اولیه جداسازهای اصطکاکی از دو صفحه مسطح و تکیه‌گاه مفصلی لغزنده تشکیل شده بود. در این حالت پس از ایجاد تحریک زلزله تغییر شکل افقی در سازه ایجاد می‌شد. در این حالت برای جلوگیری از ایجاد تغییر شکل افقی ماندگار در سازه، جداسازهای اصطکاکی پاندولی با هندسه به صورت شکل زیر توسعه داده شدند.
در قرن نوزدهم از میراگرهای ویسکوز برای مهار کردن اثرات ضربه توپ کشتی‌ها استفاده می‌شد. در اوایل قرن بیستم شرکت‌های اتومبیل‌سازی از میراگرهای ویسکوز به صورت گسترده در سیستم تعلیق وسایل نقلیه استفاده می‌کردند. از این نوع میراگرها در طی جنگ سرد به عنوان جداساز در سیلوها و سنگرهای پرتاب موشک استفاده می‌شد. از اوایل دهه هشتاد میلادی، میراگرهای ویسکوز به صورت گسترده برای کاربردهای غیر نظامی مورد استفاده قرار گرفت.
در این نوع میراگر یک پیستون درون یک سیلندر پر شده از روغن یا سیلیکون یا مواد مشابه، حرکت می‌کند. در انتهای پیستون تعدادی روزنه کوچک وجود دارد که هنگام حرکت آن داخل سیلندر، مایع درون سیلندر از طریق این روزنه‌ها به سمت دیگر پیستون منتقل می‌شود. در این حالت با ایجاد نیروی مقاوم در برابر حرکت پیستون، انرژی اعمال شده مستهلک می‌شود. در تصویر زیر جزئیات یک میراگر ویسکوز و نحوه قرارگیری آن را در سازه می‌بینیم.
مصالح ویسکوالاستیک در اوایل دهه پنجاه میلادی برای اولین بار در کنترل ارتعاشات ایجاد کننده خستگی در فضاپیماها مورد استفاده قرار گرفت. میراگرهای ویسکوالاستیک به صورت کلی با استفاده از یک لایه از مواد ویسکوالاستیک بین صفحات فلزی ساخته می‌شود.
با ایجاد جابجایی برشی، صفحات فلزی لایه مواد ویسکوالاستیک تحت تاثیر تغییر شکل برشی قرار می‌گیرند. با توجه به خصوصیات مواد ویسکوالاستیک معمول و وابستگی آنها به دمای محیط و نرخ تغییرات کرنش، رفتار چرخه‌ای میراگرهای ویسکوالاستیک علاوه بر کرنش برشی ایجاد شده به فرکانس بارگذاری و دمای محیط نیز وابسته است.
در اواخر دهه شصت میلادی در برج‌های دوقلوی مراکز تجارت جهانی در نیویورک به صورت گسترده از میراگرهای ویسکوالاستیک برای کنترل ارتعاشات ناشی از باد استفاده شد. بازدهی بالای این نوع میراگر در این برج‌ها باعث گسترش استفاده از این نوع میراگر شد.
در سازه‌های ساختمانی به صورت معمول از میراگرهای ویسکوالاستیک در مهاربندهای قطری استفاده می‌شود. شکل زیر یک نمونه از میراگر ویسکوالاستیک و محل قرارگیری آن در مهاربندی قطری نشان داده شده است.
در میراگرهای جرمی تنظیم شده، ایجاد میرایی و کاهش پاسخ دینامیکی سازه با استفاده از یک جرم متمرکز که به وسیله یک فنر به بالای سازه متصل شده است، انجام می‌شود. با تنظیم فرکانس میراگر جرمی با فرکانس مود غالب سازه‌ای (معمولا مود اول نوسان) با ایجاد تحریک در سازه اصلی با فرکانس میراگر جرمی تنظیم شده، حرکت میراگر در فازی خارج از حرکت سازه متصل به آن تشدید می‌شود.
این موضوع با ایجاد نیروی اینرسی در جرم میراگر، انرژی وارد شده به سازه را مستهلک می‌نماید. با افزایش ارتفاع سازه و تعداد طبقات آن، اثرات مودهای بالاتر افزایش می‌یابد. در این حالت با توجه به کاهش جرم موثر مود اول ارتعاش سازه از کارایی میراگر کاسته می‌شود.
میراگرهای مایع تنظیم شده به صورت کلی عملکری مشابه میراگرهای جرمی تنظیم شده دارند. ایجاد نوسان در مخزن‌های مایع کم عمق نصب شده در بالای سازه، موجب ایجاد تلاطم در مایع درون این مخزن‌ها شده و به این صورت انرژی ارتعاشی وارده سازه را مستهلک می‌کند. در این حالت نیز مشابه میراگرهای جرمی تنظیم شده، فرکانس طبیعی تلاطم مایع درون مخزن با فرکانس ارتعاش غالب سازه هماهنگ می‌شود.
از جمله عوامل موثر بر رفتار میراگر مایع تنظیم شده، می‌توان به اندازه و شکل مخزن، نسبت جرم مایع به جرم سازه، عمق و لزجت مایع، زبری جداره مخزن، اشاره کرد. با تنظیم این پارامترهای اثرگذار می‌توان میزان استهلاک انرژی در سازه را بهینه نمود. از این نوع میراگر معمولا در سازه‌های بلند استفاده می‌شود. در شکل زیر یک نمونه از نحوه عملکرد میراگر مایع تنظیم شده در یک سازه بلند، تحریک به صورت شماتیک نشان داده شده است.
میراگرهای اصطکاکی با استفاده از لغزش بین دو جسم فلزی و اصطکاک بین سطوح آن حجم قابل توجهی از انرژی ورودی را مستهلک می‌کنند. در دهه‌های اخیر، میراگرهای اصطکاکی متنوعی برای استفاده در سازه‌ها تولید شده‌اند؛ از جمله این میراگرها می‌توان به:
ضریب اصطکاک بین دو سطح تا حد زیادی به جنس سطوح در تماس بستگی دارد. استفاده از مواد مورد استفاده در لنت ترمز اتومبیل‌ها در سطح تماس و تماس مستقیم فولاد با فولاد از جمله حالات مختلف مورد استفاده است.
میراگرهای جاری شونده فلزی یکی از زیرمجموعه‌های سیستم کنترل غیر فعال هستند که مزایای زیادی از جمله هزینه کم و تکنولوژی نسبتا ساده‌ای دارند. در این نوع میراگر اتلاف انرژی عمدتا با استفاده از ظرفیت جذب انرژی مصالح خود میراگرها که غالبا فولادی هستند، انجام می‌شود. شکل زیر تعدادی از انواع میراگرهای جاری شونده را نشان می‌دهد.
نتیجه گیری
میراگرها به عنوان عناصر تقویتی عمل کرده و استحکام ساختمان را افزایش می‌دهند. این اقدام به معنای افزایش توانایی ساختمان در مقابل نیروهای خارجی مانند زلزله، باد و سایر نیروهای دینامیکی است. در واقع استفاده از میراگرها می‌تواند تأثیرات زلزله را کاهش دهد. این عناصر قادرند به انتقال نیروهای زلزله به ساختمان و جلوگیری از تخریب ناشی از این نیروها در ساختمان کمک کنند. بنابراین، میراگرها به عنوان یک ابزار مهم در فناوری مقاوم‌سازی ساختمان باعث افزایش عملکرد و استحکام ساختمان‌ها می‌شوند.