معرفی میراگر اصطکاکی پال

علت به کارگیری روش های کنترل ارتعاشات لرزه ای

در حین وقوع زلزله اصلی، مقدار زیاد انرژی جنبشی وارد سازه می‌شود. طرح سازه‌ای ما معین می‌کند که این انرژی چگونه در سازه ذخیره یا مستهلک شود و این خود تعیین کننده‌ی سطح خسارت خواهد بود. تمامی آیین‌نامه‌های ساختمانی تبدیل این انرژی به انرژی الاستیک سازه‌ای را، از لحاظ اقتصادی نامعقول دانسته‌اند. آیین‌نامه‌های مرسوم ساختمانی در پی این است که در طی زلزله‌ای متوسط، سازه خسارت قابل توجهی نبیند و در طی زلزله‌ی اصلی از فروریزش جلوگیری شود. بر این اساس ایجاد تغییر شکل‌های غیرخطی قابل توجه در المان‌های سازه موجب استهلاک انرژی زلزله شده و ملزومات آیین‌نامه‌ای در پی این است که به واسطه‌ی این استهلاک انرژی، ایمنی جانی مهیا شود. پر واضح است که تأمین این ایمنی جانی به قیمت وقوع خسارات قابل توجه سازه‌ای است که خود موجب هدر رفت سرمایه خواهد شد.

البته در ساختمان‌های مدرن، پرهیز از فروریزش سازه‌ای به تنهایی کافی نمی باشد؛ زیرا امکان آن وجود دارد که هزینه‌های صرف شده برای نازک کاری، تجهیزات حساس و محتویات غیرسازه‌ای این ساختمان‌ها بسیار بیشتر از هزینه‌های صرف شده برای اجزای سازه‌ای باشد. این امر نیاز مبرم به محافظت لرزه‌ای محتویات ساختمان و اجزای غیرسازه‌ای را پر رنگ می نماید.

به این منظور می توان با اضافه نمودن مکانیزمی مناسب جهت استهلاک انرژی زلزله، تغییر شکل های غیرخطی المان های سازه ای را به میزان قابل توجهی کاهش داد. استهلاک انرژی جنبشی به واسطه اصطکاک سطوح یکی از مؤثرترین و به صرفه ترین روش ها جهت کاهش انرژی جنبشی اجسام است. این روش چندین سده است که به طور موفقیت آمیزی در عرصه ی مهندسی مکانیک به کار برده می شود.

 

 

به کارگیری اصطکاک جهت کاهش ارتعاشات لرزه ای

در حقیقت مفهوم ترمز اصطکاکی الهام بخش توسعه ی میراگرهای اصطکاکی پال بوده است:

(The objective is to slow down the motion of buildings by  braking rather than breaking" (pall & Marsh, 1982"

ساخت میراگری ایده آل

یکی از اصلی‌ترین اهداف پژوهشی دکتر پال ساخت یک میراگر اصطکاکی ایده‌آل بوده است. از همین رو با اینکه میراگر اصطکاکی پال در اواخر دهه هفتاد ابداع شد، اما این تجهیز در سال 1987 میلادی مورد استفاده قرار گرفت. در طی این ده سال تیم پژوهشی دکتر پال، روند تحقیق و توسعه این تجهیزات را پی گرفتند تا به میراگرهایی اصطکاکی با عملکردی قابل اطمینان و پایدار در طول عمر مفید سازه دست یابند. شرکت پال توانست با استفاده از روشی منحصر به فرد جهت عمل آوری سطوح اصطکاکی و فرآیند ساختی ویژه، بر مسائلی چون زوال سطوح تحت اثر سایش، پدیده‌ چسبندگی ـ لغزش (Stick-Slip)، جوش سرد (Cold Welding)، تغییر ضریب اصطکاک در طول مدت عدم به کار افتادن میراگر، زنگ زدگی و ... فائق آید و میراگری با رفتار ماندگار در طول عمر مفید سازه، به صنعت ساختمان عرضه نماید.

امروزه در میان انواع میراگرهای اختراع شده توسط پال، دو نوع اصطکاکی انتقالی و اصطکاکی انتقالی ـ دورانی رواج بسیاری یافته است.

 میراگر اصطکاکی ـ خطیمیراگر اصطکاکی انتقالی

 

 میراگر اصطکاکی دورانی - انتقالی 

 

میراگرهای اصطکاکی پال (PFD)

PFD ساختاری ساده و بی نقص دارد. این میراگر اساساً شامل چند صفحه‌ی فولادی است که به گونه‌ای عمل‌آوری شده‌اند که رفتار اصطکاکی قابل اعتمادی را بروز دهند. این صفحات که به یکدیگر مقید شده‌اند، تنها به ازای باری از پیش تعیین شده اجازه‌ی لغزش می‌یابند. دهه‌ها تحقیق و آزمایش منجر به تکامل علم و فن اصطکاک شده است.

 

 

عملکرد PFD قابل اطمینان و تکرارپذیر است و دارای چرخه‌های هیسترزیس مستطیلی است. میراگرهای اصطکاکی از نوع تجهیزات کنترل ارتعاشات غیرفعال می‌باشد، بنابراین در حین زلزله به منبع انرژی دیگری برای عملکرد مطلوب نیاز ندارد. همچنین نیازی به تعمیر و یا تعویض قبل و بعد از زلزله نیست و این تجهیزات همواره آماده خدمت رسانی‌اند.

خصوصیات PFD تحت تأثیر دما، سرعت و پیرشدگی مصالح نمی باشد. به کمک اصطکاک می توان مقدار بسیار بیشتری از انرژی را در قیاس با سایر روش های ایجاد میرایی، مستهلک نمود. بنابراین به جهت استهلاک میزان معینی از انرژی زلزله، می توان از تعداد کمتری میراگرهای پال استفاده نمود.

PFD به گونه ای طرح می شود که در حین وزش نیروی باد یا وقوع زمین لرزه ای متوسط، نلغزد و وارد عمل نشود. در حین زمین لرزه اصلی صفحات این میراگر پیش از تسلیم اعضای سازه ای شروع به لغزش  و استهلاک انرژی لرزه ای می کند. پس از زلزله انرژی کرنشی الاستیک سازه، میراگرها را تقریباً به حالت اولیه خود باز می گرداند. از آنجایی که در این شرایط بخش قابل توجهی از انرژی لرزه‌ای در میراگر مستهلک می شود، نیروی وارده به اجزای سازه ای به شدت کاهش می یابد. به این وسیله می توان میرایی سازه را به بیش از 30% میرایی بحرانی افزایش داد.

از میراگرهای اصطکاکی پال می توان در انواع المان مهاربندی، از جمله مهاربندهای قطریِ تک، ضربدری، شورون و واگرا، به شیوه ای مطلوب و کارآمد بهره جست. 

 

 منحنی رفتاری میراگرهای پال

 میراگرهای اصطکاکی پال، به ازای نیرو و جابجایی بیشینه معین، یک رفتار ایده‌آل کاملاً مستطیل شکل و بدون هیچ‌گونه نقص فنی ناشی از کیفیت بد ساخت و پدیده لغزش ـ چسبندگی را بروز می‌دهد. این امر موجب می‌شود که قابلیت استهلاک انرژی میراگرهای پال، به ازای یک نیرو و جابجایی بیشینه معین، 15-10 درصد بیشتر از سایر انواع میراگرهای اصطکاکی باشد که این خود موجب بهینه‌تر شدن طرح از منظر فنی و اقتصادی می‌گردد.

 

 

علت مطلوبیت میراگرهای اصطکاکی پال

  • استهلاک انرژی آن به واسطه‌ی اصطکاک سطوح است و نه خسارت و تغییر شکل‌های غیرخطی المان‌ها.
  • به ازای هزینه‌ای پایین (نسبت به سایر میراگرها) رفتاری قابل اطمینان و تکرارپذیر ارائه می‌دهد.
  • دارای چرخه‌های هیسترزیس مستطیلی بزرگ و به همین دلیل قابلیت استهلاک انرژی بالا است.
  • در سازه‌ای فاقد تجهیزات کنترلی، میرایی ذاتی عددی بین 1 تا 5 درصد میرایی بحرانی است. با استفاده از PFD می‌توان به راحتی میرایی سازه را به بیش از 30 درصد افزایش داد.
  • به ازای نیرویی مشخص، در قیاس با سایر میراگرها انرژی بیشتری را مستهلک می‌کند؛ بنابراین می‌توان برای تأمین سطحی مورد نظر از میرایی، در صورت استفاده از PFD تعداد میراگرهای مورد نیاز را کاهش داد.
  • عملکرد PFD مستقل از سرعت است، بنابراین نیرویی ثابت را برای تمامی زلزله‌ها بروز می‌دهد و بنابراین طراحی اتصالات و المان‌های سازه‌ای اقتصادی‌تر خواهد شد.
  • در عین افزایش میرایی، سختی مکملی را نیز جهت افزایش پایداری سازه، تأمین می‌نماید.
  • خصوصیات PFD تحت تأثیر دما، سرعت و پیرشدگی مصالح نمی‌باشد.
  • در برابر بارهای سرویس و بار باد فعال نخواهد شد. بنابراین احتمال اینکه قبل از زلزله به موجب خستگی نقصی در عملکرد PFD ایجاد شود، منتفی است.
  • قبل و بعد از وقوع زلزله طرح نیازی به تعمیر و یا جایگزینی ندارد.
  • در صورت طرح مناسب، می‌توان پس از زلزله به کمک عملکرد المان‌های ارتجاعی سازه‌، ساختمان را تقریباً به موقعیت اولیه‌ی خود بازگرداند.
  • برای تمامی انواع مهاربندها قابل استفاده می‌باشد.
  • به قدر کافی ابعادش کوچک و فشرده است که بتوان در تیغه‌بندی‌های ساختمانی جای گیرد.
  • می‌تواند با تغییرشکل‌های ناشی از نشست پی سازگار شود.
  • صرفه‌جویی در هزینه‌های طول عمر مفید (Life Cycle Cost) سازه به واسطه کاهش در خسارات.
  • به طور سفارشی ساخته می‌شود و می‌توان برای هر پروژه ساختارش را متناسب با شرایط کارگاه، طراحی و تولید نمود.