راهنمای طراحی میراگر اصطکاکی

گام یک – مدل را بسازید!

گام اول در طراحی میراگر اصطکاکی ساخت مدل سازه ای است. به کمک یک مدل سازه ­ای بدون میراگر ، نیروی برشی هر طبقه را بر اساس ضوابط آیین ­نامه ­ای به­ دست آورید. از سختی جانبی و نیروی اعمال شده به هر طبقه خروجی بگیرید. اکثر نرم ­افزارهای طراحی سازه این خروجی­ ها را به صورت جدول فراهم می ­کنند؛ در غیر این صورت این محاسبات می­ تواند به صورت دستی انجام شود.

گام دو – نیروی میراگر اصطکاکی در هر طبقه

نبروی لغزش دمپر اصطکاکی مهمترین پارامتر در طراحی دمپر اصطکاکی است. برای تعیین نیروی لغزش میراگر اصطکاکی ، ابتدا باید تعیین کنیم که چه سهمی از نیروی برشی طبقه توسط میراگرها و چه سهمی از آن توسط قاب (یا هر سیستم مقاوم جانبی دیگری) تحمل می­ شود. هدف این است که ظرفیت سازه را برای مقاومت در برابر نیروهای زلزله بالا ببریم، بدون آنکه شتاب و نیروی داخلی اعضا را افزایش دهیم. بنابراین الزامی است که نیروی برشی بهینه را به میراگرها اختصاص دهیم، تا از طریق به حداکثر رساندن اتلاف انرژی به کمک اصطکاک، نیرو و لنگر وارد شده بر اعضای قاب به حداقل برسد.

نیروی لغزش بهینه

این نیروی برشی بهینه­ ای که به مجموع تجهیزات میراگر اصطکاکی اعمال می ­شود، نیروی لغزش بهینه را برای هر میراگر تعیین می­ کند. نیروی برشی بهینه برای میراگرها باید کمتر از %۵۰ نیروی برشی طبقه باشد (سازه ­های مفصلی معمولاً نیروی بهینه­ بالاتری دارند).

برای طراحی اولیه، اگر از سازه انتظار تغییر شکل­ های غیرخطی دارید، می ­توانید با تقریب قابل قبولی، یک سوم نیروی برشی طبقه را به عنوان نیروی برشی بهینه درنظر بگیرید. اما اگر طراحی سازه برای سطوح عملکرد بالاتری، مشابه سطح عملکرد خدمت رسانی و یا خدمت رسانی بی وقفه انجام می­ شود، بهتر است که این نسبت حدود یک پنجم باشد. این قانون برای هر دو حالت پروژه ­های طراحی اولیه و مقاوم­ سازی صادق است. با تقسیم نیروی برشی بهینه (V optimum) بر تعداد میراگرهایی که در هر طبقه در نظر گرفته­ اید، نیروی برشی لرزه ­ای برای هر میراگر (V damper) را محاسبه کنید. محدودیتی برای تعداد میراگرها در هر طبقه وجود ندارد. معمولاً محدودیت ­های معماری تعداد و محل میراگر اصطکاکی را تعیین می ­کند.

گام سه – تعیین محل قرارگیری میراگر اصطکاکی

مهاربندهای دارای میراگر اصطکاکی یا در واقع همان “لینک” ها را در مدلی که در گام یک ساخته بودید، جایگذاری کنید. در صورت امکان، آن ­ها را در محلی قرار دهید که به بهترین شکل تغییرمکان ­های جانبی را کنترل کنند، و یا در مکان­ هایی که ملاحظات معماری اجازه می­ دهد. میراگرها می ­توانند بدون پیوستگی افقی (در پلان) یا قائم (در ارتفاع) جایگذاری شوند.

انعطاف­پذیری در تعیین محل

به منظور بهره ­گیری از این انعطاف پذیری در جایگذاری میراگرهای اصطکاکی ، باید از صحت دو مورد در تحلیل­ ها اطمینان حاصل کنید:

یک. سهم نیروی برشی که به مهاربندها اختصاص داده شده است (مثلا مقدار یک سوم)، از طبقات بالا به سمت پایه ­ی سازه افزایش پیدا کند، درحالی که تفاوت ­های کوچکی هم وجود دارد.

دو. نسبت بین سختی جانبی مهاربندها (K braces) و سختی کل طبقه (K bare frame) در ارتفاع سازه تقریباً ثابت بماند. عموماً این نسبت حدود ۰/۷ است که در صورت وجود تفاوت­ های کوچک، به سمت بالای سازه افزایش پیدا می­ کند. این کنترل عموماً در انتهای فاز طراحی اعضاء انجام می ­شود.

کنترل موارد فوق این اطمینان را می­ دهد که میراگرهای اصطکاکی در ابتدای تحریک لرزه­ ای فعال ­شوند (قبل از اینکه سازه رفتار پلاستیک از خود نشان دهد) و به بهینه کردن پاسخ دینامیکی کمک می کنند.

گام چهار – پارامترهای مهاربندهای داری میراگر اصطکاکی “لینک­ ها”

از آنجا که مهاربندهای دارای میراگر اصطکاکی بصورت لینک­های ساده مدل می­ شوند، الزامی است که مشخصات لینک­ های مذکور به نرم­افزار داده شود. بنابراین، مهاربند مجهز شده به میراگر اصطکاکی ، به عنوان یک مهاربند فولادی مدل می ­شود که مشابه دیگر اعضای فولادی (مانند میلگرد فولادی، پروفیل H، I، یا قوطی) از مدل رفتاری Wen برای مواد پلاستیک ـ الاستیک تبعیت می ­کند.

از چه مقطعی برای مهاربند داری میراگر اصطکاکی استفاده کنیم؟

سختی محوری و جانبی را سطح مقطع عضو تعیین می ­کند. بنابراین، نیروی برشی بهینه (V damper) را برای هر میراگر اصطکاکی درنظر بگیرید و با توجه به زاویه مهاربند با کف، نیرو را در راستای طولی مهاربند محاسبه کنید. در این ­صورت نیروی لغزش (نیروی لغزش بهینه) برای هر میراگر به دست می ­آید. با توجه به ضوابط آیین ­نامه های بین المللی، سطح مقطعی را که نیروی تسلیمی معادل یک سوم نیروی لغزش داشته باشد، به دست آورید.

فرض کنید که در گام یک، در طبقه مشخص شده نیروی برشی ۳۶۰۰ کیلو نیوتن به ­دست آمد. در گام دو، یک سوم این نیروی برشی به عنوان نیروی برشی بهینه به میراگرها، با فرض ۴ میراگر در طبقه، زاویه ۳۰ درجه و فولاد A36، اختصاص داده شد (شکل مقابل).

این نیروی لغزش باید حداقل %۳۰ بالاتر از دیگر بارهای سرویس (مانند بار باد) باشد، درغیر این صورت باید اصلاح شود. این نکته به دلیل این است که نمی­ خواهیم میراگرها در مواقع غیرضروری فعال شوند. در انتهای مرحله طراحی اعضا، زمانی که مقطع مهاربند را برای میراگر تعیین می ­کنیم، کنترل کمانش باید برای یک سوم نیروی لغزش انجام شود.

سختی محوری

سختی محوری تحت عنوان سختی موثر به “لینک” اختصاص داده می­ شود، که به صورت مقابل محاسبه می­ شود:

گام پنج – شروع تحلیل نرم­ افزاری

زمانی که لینک­ ها به مدل معرفی شدند، سازه برای انجام تحلیل­ های مربوطه با توجه به ضوابط آیین­ نامه­ های لرزه ­ای محلی آماده است. پارامترهایی که تا این مرحله معرفی شده ­اند برای انجام تحلیل­ های استاتیکی و دینامیکی کفایت می­ کند. مطمئن شوید که نر م­افزار شما می تواند پارامترهای غیرخطی را در هر حالت بارگذاری (load case) بخواند. در غیر این ­صورت لطفاً به بخش “حالت­ های بارگذاری” رجوع کنید.

گام شش – تلاش مجدد برای مدل سازی نهایی

اگر پس از انجام تحلیل، تغییرمکان­ های حاصله انتظارات شما را در رابطه با عملکرد ساختمان برآورده ننمود، آن گاه شما می­ توانید با استفاده از تعداد “Link” های (دمپر اصطکاکی) بیشتر، افزایش نیروی لغزش (فعال شدن) تجهیزات دمپر اصطکاکی، و یا افزایش سختی اعضاء سازه­ای ساختمان، تحلیل ­ها را دوباره انجام دهید.

حالات بارگذاری:

برخی از نرم­ افزارها در زمان استفاده از حالات بارگذاری خطی توانایی اعمال پارامترهای غیرخطی میراگرها را ندارند. برای حل این مسأله به راحتی می توان برای بار لرزه ­ای یک حالت بارگذاری غیرخطی ایجاد نمود. در این حالت شما می ­توانید نیروهای جانبی گام یک را ذخیر نموده و سپس آن­ ها را به صورت الگوی بار کاربر (User Load Pattern) اعمال نمایید. نتایج این حالت بارگذاری غیرخطی جدید در زمان طرح دقیق اعضاء استفاده می­ شود. در صورت داشتن سؤال در این بخش، از تماس با تیم مهندسی ما جهت دریافت کمک در این مورد درنگ نکنید. 
نیروهای لغزش و طول ها بر اساس نیاز مدل شما قابل سفارشی ­سازی است. به عنوان مثال برخی از ظرفیت­ های نمونه جهت برآورد ابعاد هندسی و وزن در جدول زیر ارائه شده است. برای نیروهای فراتر از ۱۵۰۰ کیلونیوتن می ­توانید فرض کنید که تجهیزات دمپر اصطکاکی به صورت موازی به یکدیگر متصل می شوند (به عنوان مثال یک دمپر اصطکاکی ۵۰۰۰ کیلونیوتنی متشکل از ۴ عدد میراگر ۱۲۵۰ کیلونیوتنی است).

ملاحظات نهایی

فعال سازی میراگر اصطکاکی

قبل از اقدام به طرح دقیق اعضای سازه ­ای، باید اطمینان حاصل کنید که نیروهای ایجاد شده در المان های مهاربندی “Link” منتج به لغزش (فعال شدن) میراگر اصطکاکی در سازه واقعی می شود. شما پیش از اطمینان از این مطلب که همه تجهیزات دمپر اصطکاکی تحت اثر زلزله طرح می­ لغزند، نباید اقدام به طرح دقیق اعضای سازه ­ای نمایید. چرا که در صورت عدم لغزش، میراگرها استهلاک انرژی نخواهند داشت و کارایی طرح در پروژه شما به خطر می افتد.

کنترل کمانش

اگرچه دمپر اصطکاکی به طور مشابهی در کشش و فشار کار می ­کند، اطمینان از عدم کمانش مهاربندهای متصل به این سیستم ها ضروری است. در این کنترل، سطح مقطع مورد استفاده برابر است با سطح مقطع مهاربند متصل به میراگر اصطکاکی و طول در نظر گرفته شده “L” برابر است با طول مهاربند به علاوه طول میراگر.

نسبت سختی جانبی

فرض کنیم که شما برای میراگر اصطکاکی مورد مطالعه در این مثال (۳۵۰ کیلونیوتنی)، به دلیل پاسخگویی در کنترل کمانش، داشتن ضخامت کافی جهت جوش­ پذیری و موجود بودن در بازار، مقطع قوطی HSS 150×۱۵۰×۸ را برای مهاربند انتخاب نموده ­اید. همانطور که در گام سه نیز عنوان شد، رابطه ای که به کنترل و بررسی آن علاقه داریم را در شکل مقابل می بینید:

این نسبت باید تقریباً در همه طبقات برابر باشد (با تغییرات ۱۵+/- %)، این نسبت باید حتماً از ۰/۵ بزرگتر و در حدود ۰/۷ باشد.

زمانی که تغییرات کوچکی وجود دارد، حتما باید اطمینان حاصل نمود که در یک طبقه خاص این نسبت همواره از طبقه پایینی بزرگتر باشد.

* استفاده از مطالب این صفحه با ذکر منبع و لینک مستقیم به آن، بلامانع است.