میراگر چیست و انواع آن کدام است + چه وظیفه‌ای در سازه دارد؟

میراگر، جذب کننده هارمونیک (harmonic absorber)، سایزمیک دمپر (seismic damper) یا توند مس دمپر (tuned mass damper) چیست و چه وظیفه‌ای در سازه بر عهده دارد؟ انواع میراگر کدام‌اند؟ میراگر در چه بخش‌هایی از ساختمان‌ها نصب می‌شوند. در این مقاله نگاهی داریم بر میراگر، انواع آن، وظایف آن و چگونگی نصب و جای‌گیری میراگر در ساختمان‌ها؛ در ادامه با ویکی ساختمون همراه باشید.

میراگر چیست؟

میراگر به ابزار یا وسیله‌ای گفته می‌شود که در سازه‌های موجود در مناطق لرزه خیز نصب می‌شود تا از ارتعاشات سازه در هنگام زلزله بکاهد و در نتیجه خسارات جانی و مالی کاهش پیدا کند. به طور کلی میراگر برای نصب در سازه‌های بلند مانند برج‌ها، پل‌ها در مناطق زلزله خیز و بادخیز، در ساختمان‌های استراتژیک و … تناسب دارند.

وظایف میراگر چیست؟

همانطور که از نام این ابزار مدرن ساختمانی بر می‌آید، میراگر باعث میرایی نیروهای جانبی وارده شده به سازه می‌شود. بیشتر نیروهای جانبی وارد شده به ساختمان در اثر زلزله و بد و طوفان‌های شدید است. با کاهش یا مردن نیروی وارد شده به سازه در هنگام ورود آن، خسارات وارد به دلیل ارتعاش کمتر ساختمان، بسیار کاهش پیدا خواهد کرد. با توجه به توضیحات ارائه شده، میراگر در زمان عدم وجود نیروهای جانبی، غیرفعال است و به محض وارد شدن نیرو، فعال شده و وارد عمل می‌شود. عملکرد میراگر به شرح زیر است.

• میراگر باعث می‌شود جابجایی مکان طبقات و مکان‌ها (drift) در هنگام ورود نیروی جانبی کاهش پیدا کند.
• میراگر باعث می‌شود در هنگام ورود نیرو به سازه شتاب وارد شده به طبقات به طور قابل توجهی کاهش پیدا کند.
• با وجود میراگر، خسارات سازه‌ای و غیر سازه‌ای به شدت کاهش پیدا می‌کند.
• با اجرای میراگر در سازه، به دلیل استفاده از سطح مقطع با ظرفیت کمتر، کاهش می‌یابد.
• با اجرای میراگر از مشکلات معماری در طراحی ساختمان‌ها کاسته می‌شود.
• با نصب میراگر در سازه، اخلال در سرویس‌ دهی سازه به حداقل خواهد رسید.
• در نهایت با اجرای میراگر مناسب، تغییر شکل‌های مخرب در اجزای سازه‌ای و غیر سازه‌ای کاهش پیدا می‌کند.

انواع میرایی کدام است؟

میرایی به انواع میرایی ویسکوزیته یا لختی داخلی، خارجی، اصطکاکی، هیسترزیس و تشعشعی تقسیم می‌شود که همگی از میرایی‌های ماده که در این مبحث، ساختمان و زمین هستند به حساب می‌آیند. با نصب میراگرهای مختلف در سازه‌ها، می‌توان با نیروهای وارد شده به ساختمان مقابله کرد و از خسارات ناشی از آن پیشگیری کرد.

انواع میراگر چیست؟

میراگر الاستومری (ED)

میراگرهای الاستومتری (Elastomeric Damper) از انواع مختلف و با مواد مختلف که خاصیت میرایی مختلفی دارند تولید و عرضه می‌شوند. این نوع میراگرها کارکردی بر اساس تغییرشکل سازه دارند و به دلیل برگشت پذیری به حالت اولیه پس از زلزله و ورود نیروهای جانبی بسیار محبوب هستند. میراگر الاستومتری در جاهایی که جداسازی ضعیف است کاربرد خوبی دارد و در انواع میراگر بالشتک محفظه‌ای، بالشتک لغزشی، بالشتک ویژه سازه‌ای، بالشتک لغزشی گهواره‌ای (Rocker)، نئوپرن (بالشتک و تکیه‌گاه الاستومتری (Reinforced Elastomeric Bearing)) و بالشتک کروی (spherical bearings) وجود دارد.

میراگر اصطکاکی (FD)

این نوع میراگر از انواع اتصالات رایج برای استهلاک انرژی هستند. میراگر اصطکاکی (Friction Damper) در واقع یک اتصال ساده با پیچ اصطکاک است که سوراخ‌های لوبیایی شکل و بلند دارد. عملکرد آن‌ها به این‌گونه است با ایجاد اصطکاک بین سطوح تماس، مانع از حرکت اتصال می‌شود؛ اما هنگامی که اتصال لغزش کند، درصدی از انرژی ورودی صرف مقابله با نیروی اصطکاک می‌شود و تولید انرژی گرمایی و حرارت می‌کند؛ به عبارت دیگر درصدی از انرژی ورودی در اتصال به وسیله آن مستهلک می‌شود. میراگرهای ویسکوز الاستیک، قطعات افزایش دهنده سختی و میرایی و میراگر جرمی تنظیم شده همگی نوعی میراگر اصطکاکی به حساب می‌آیند. از انواع میراگر اصطکاکی می‌توان به میراگر اصطکاکی پال، سومیتومو و دورانی اشاره کرد.

میراگر مایع ویسکوز (VFD)

میراگر مایع ویسکوز (Viscous Fluid Damper) بسیار شبیه به جذب کننده ضربه در اتومبیل است که شامل یک استوانه پر شده با یک مایع با ویسکوزیته بالا است. پیستون در پی حرکات جانبی مانند زلزله از یک سمت به مایع فشار وارد می‌کند و مایع از سمت دیگر به تدریج خارج می‌شود. در واقع استهلاک انرژی به وسیله اصطکاک داخلی (ویسکوزیته) مایع انجام می‌گیرد. نیروی مقاومی که این وسیله فراهم می‌کند متناسب با جابجایی و سرعت نسبی دو طرف آن است. این نوع میراگر جهت انواع ارتعاشات با دامنه زیاد مانند زلزله یا کم مانند باد یا ارتعاشات در پل و سازه‌های بلند مناسب و کارآمد است.

این میراگر همانطور که گفته شد شامل سیلندر روغن، پیستون، میله پیستون، محفظه داخلی و سایر بخش‌های اصلی ستون است که در آن درواقع سیلندر مایع ویسکوز میراگر است و تمام تجهیزات آن برای نگهداری مایع طراحی شده‌اند. این تجهیزات هیدرولیکی جهت استهلاک انرژی جنبشی ناشی از ارتعاشات لرزه‌ای یا مقابله با ضربات بین سازه‌ها، به کار می‌روند. میراگرهای ویسکوز مایع تنوع زیادی دارند و در طراحی آن‌ها می‌توان واکنش نشان دادن به بار زلزله و باد و مستهلک کردن آن‌ها را اجرا کرد ولی در دیگر حرکات به سازه اجازه حرکت آزادانه داد.

میراگر هیسترزیس (MSD)

از میراگر هیسترزیس (Steel Hysteresis Damper) اساساً در پل‌ها استفاده می‌شوند و برای این منظور تولید شده‌اند. این میراگرها معمولاً همراه با نئوپرن‌ها و بالشتک‌های الاستومری نصب می‌شوند. از جمله مزایای میراگرها که از نوع غیرفعال هستند، می‌توان به کاهش نیروهای داخلی اعضا، کاهش تغیر شکل‌ها، تمرکز خرابی‌ها در خود سیستم و اتلاف انرژی اشاره کرد. علاوه بر این می‌توان آن‌ها را در صورت تخریب، تعویض کرده و از آسیب‌های سازه‌ای بعدی جلوگیری به عمل آورد.

میراگر هیسترزیس مرکزگرا (MRSD)

از میراگر هیسترزیس مرکزگرا (Recentring Steel-Hysteresis-Dampers) برای استهلاک انرژی پل‌ها و ساختمان‌ها طراحی شده‌اند و می‌توانند همزمان برای افزایش ظرفیت باربری عمودی همراه با جداسازهای لغزشی، مورد استفاده قرار گیرند. در این میراگر، استهلاک و جذب انرژی توسط المان‌های فولادی که دارای هندسه خاصی هستند به جای المان‌های تغییر شکل‌های پلاستیک مانند الاستومترها و نئوپرن‌ها، انجام می‌شود.

مطلب پیشنهادی: اندرکنش خاک و سازه چیست ؟ زلزله و استواری بنا!

میراگر نیمه فعال هیسترزیس

میراگر نیمه فعال هیسترزیس (Semi-active Dampers)، از جمله روش‌های کنترل رفتار دینامیکی یک سازه در اثر بارهای لرزه‌ای زلزله، باد و … است. عملکرد این میراگر مانند میراگر مایع ویسکوز است ولی با این تفاوت که ویسکوزیته سیال داخل پیستون توسط میدان مغناطیسی الکترونیکی (Magneto-Rheological Dampers)، کنترل می‌شود. با استفاده از این میراگرها امکان بهینه سازی تغییر مکان و نیروی ذخیره شده امکان پذیر می‌شود.

میراگرهای کابلی سازگار (Adaptive Cable Dampers)

پل‌ها از سازه‌های مهمی هستند که پس از زلزله به منظور خدمت رسانی و کمک به زلزله زدگان بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند بنابراین باید در برابر نیروهای وارد شده به آن مقاوم باشند. اصولاً میراگر کابلی پل به منظور اتلاف انرژی ناشی از ارتعاشات ناشی از عوامل انسانی مانند ترافیک ناشی از ماشین آلات، باد و یا باران به وجود می‌آید، مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای اتلاف انرژی وارد شده به پل معمولاً از دمپرهای الاستومری، ویسکوز و اصطکاکی برای این سیستم‌ها می‌توان استفاده کرد.

میراگر جرمی تنظیم شونده (TMD)

میراگر جرمی تنظیم شونده (tuned mass damper)، از یک فنر، جرم و میراگر ترجیحاً ویسکوز ساخته شده است که از اولین و ساده‌ترین میراگرهای موجود است. میراگر جرمی تنظیم شونده در واقع یک دستگاه نصب شده در سازه برای کاهش دامنه ارتعاشات مکانیکی است. عملکرد آن به این صورت است که فرکانس میراگر نسبت به فرکانس سازه تنظیم می‌شود و در هنگام وقوع زلزله تحریک شده و نیرویی خلاف حرکت سازه در اثر نیروی زلزله به سازه وارد می‌کند. از مهم‌ترین نکات در طراحی میراگر جرمی تنظیم شونده، تعیین میزان سختی فنر و میزان نسبت جرم دمپر به جرم سازه است. جنس جرم این سیستم از بتن، سرب یا فولاد است و به صورت مربع یا مستطیل و به صورت تک یا مجموعه به ابعاد ۵ تا ۱۰ متر ساخته و در طبقات بالایی سازه نصب می‌شود.

مطلب پیشنهادی: اجرای وال پست در ساختمان بتنی ؛ چرا بعد زلزله ۹۶ کرمانشاه اجباری شد؟

در میراگرهای تنظیم شونده، جرم بر روی تکیه‌گاه‌های غلتک مانند قرار می‌گیرد و می‌تواند نسبت به طبقه جابه‌جایی انجام دهد. فنرها و میراگرها بین جرم و تکیه‌گاه‌های ثابت عمودی قرار می‌گیرد، نیروی فاز مخالف میراگر را به تراز طبقه و در نتیجه به قاب سازه‌ای منتقل می‌کند. معمولاً از میراگرهای جرمی در طبقات بالایی سازه به کار گرفته می‌شوند و در صورتی که سازه تحت اعمال بار قرار گیرد، با تعریف شتاب مشخص بسته به طراحی میراگر، به طور اتوماتیک سیستم شروع به فعالیت کرده و اثر ارتعاش نیروی زلزله را از بین می‌برد.

میراگرهای صفحه فولادی (ADAS)

میراگرهای صفحه فولادی (Added Damping And Stiffness) از میراگرهای فلزی غیر فعال و تسلیم شونده به حساب می‌آیند. میراگرهای صفحه فولادی در انواع ایکس شکل مثلثی تولید می‌شوند و در مهاربند سازه نصب می‌گردند. از مزایای این نوع میراگر می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

• با نصب میراگرهای صفحه فولادی ۳۰ تا ۴۰ درصد میرایی افزایش پیدا می‌کند و باعث کاهش در نیروهای داخلی و تغییر مکان‌های سازه می‌شود.
• این میراگر از چرخه پسماند پایدار و بدون افت سختی برخوردار است و مقاومت زیادی در بارگذاری چرخه‌ای دارد.
• میراگر صفحه فولادی برخلاف ابزارهای غیرفعال نظیر ویسکوز، ویسکوالاستیک و اصطکاک نیاز به نگهداری و بازدید ندارد و از اطمینان زیادی در بین مصرف کنندگان به دلیل سادگی مکانیسم آن، برخوردار است.
• تعویض قطعات و بازگرداندن سازه به وضعیت اولیه پس از زلزله به واسطه پیچی بودن اتصالات به سهولت انجام می‌گیرد.
• در میراگرهای صفحه فولادی، به دلیل تعدد صفحات در هر میراگر، درجات نامعینی بالایی به وجود می‌آید.
• با داشتن شیارهای لوبیایی و حرکت آزادانه پین‌ها، نیروی محوری تحت بارهای ثقلی و سازگاری مهندسی ایجاد نمی‌شود.
• با اجرای میراگر صفحه فولادی میزان جابه‌جایی بام و طبقات را در حد چشمگیری کاهش می‌دهد.
• میراگر صفحه فولادی، با تغییر شکل‌های بزرگ و غیر ارتجاعی، مانع ایجاد نیروهای زیاد در بادبندها و اعضای سازه شده و تقاضای موجود روی سازه را کاهش می‌دهد.

میراگر آلیاژی (SMA)

میراگرهای آلیاژی (Shape Memory Alloys) در واقع میراگرهایی هستند که از آلیاژهای فلزی برگشت پذیر ساخته می‌شوند. خاصیت برگشت پذیری یا تغییر شکل الاستیک فلزات در دمای کم به کمتر از یک درصد می‌رسد ولی برخی آلیاژهای فلزی مانند مس-روی و تیتانیوم-نیکل وجود دارند که آستانه تغییرشکل الاستیک بالایی دارند که از آن‌ها به منظور ساخت میراگرهای آلیاژی استفاده می‌شود.

سخن آخر

به طور کلی بحث میراگرها و مقاوم سازی سازه در ایران مقوله تازه‌ای است و با توجه به لرزه خیز بودن ایران این بخش از مهندسی سازه از اهمیت زیادی برخوردار است. از میراگرها در ساختمان‌های بلند و سازهایی مانند پل‌ها برای خنثی کردن نیروهای جانبی و عموی وارده به سازه استفاده‌های فراوانی می‌شود. در واقع هر میراگر که در هر سازه نصب می‌شود، مختص آن است و نمی‌توان از آن در سازه دیگری استفاده کرد.