استفاده از میراگر ویسکوز در طراحی و مقاوم سازی لرزه ای پل ها

پل ها به عنوان یکی از مهم ترین سازه های شهری نقشی بسیار حیاتی در حفظ زندگی افراد جامعه، حین و پس از وقوع زلزله دارد. حمل و نقل و کمک رسانی به مردم پس از وقوع زلزله به طور مستقیم با حفظ کارایی و خدمت رسانی پلها ارتباط دارد به طوری که خرابی و خارج شدن پل ها از سطح سرویس به خصوص در مناطق شهری و پرتراکم می تواند فاجعه بار باشد و امداد رسانی و جابجایی مردم و بطور کلی مدیریت بحران را مختل کند. به خصوص در ساعات اولیه پس از زمین لرزه که نیاز به کمک های فوری و اقدامات عاجل است و کاهش میزان تلفات انسانی به سهولت در جابجایی نیروهای امدادی بستگی دارد. اهمیت این موضوع در زلزله هایی مانند لوما پریتا در سال ۱۹۸۹، نورثریج در سال ۱۹۹۴ و کوبه در سال ۱۹۹۵  به خوبی خود را نشان داده است. در این نوشتار به استفاده از سیستم های میراگر ویسکوز (دمپر ویسکوز) در طراحی و مقاوم سازی لرزه ای پل ها پرداخته می شود (پیشنهاد می شود قبل از مطالعه این نوشتار، صفحه معرفی میراگر ویسکوز را در همین سایت مطالعه کنید).

تجربه ی زلزله های نسبتا قوی نشان داده که پل ها، به خصوص آن هایی که طبق آیین نامه های قدیمی طرح شده اند، آسیب پذیری بالایی در برابر تکان های زمین دارند به این معنی که برخی اجزای آن ها توانایی جذب یا استهلاک انرژی وارد شده به آن ها توسط حرکت زمین را ندارند. به همین دلیل در بسیاری از مناطق لرزه خیز دنیا مقاوم سازی لرزه ای پل ها در دستور کار سیاستگذاران و مدیران شهری قرار گرفته است. در مقاوم سازی لرزه ای پل ها عمدتاً تلاش بر این است که یا از انرژی ورودی به سازه کاسته شود یا توانایی استهلاک انرژی را به صورت ایمن به آن بیافزایند تا در مجموع تعادل انرژی بدون اختلال در اجزای اصلی ایجاد گردد.

از طرفی همان طور که اشاره شد به دلیل اهمیت استراتژیک پل ها، سطح بالایی از عملکرد و حفاظت از این سازه ها نیاز است به این معنی که اجزای اصلی آن شامل عرشه و پایه، باید پس از وقوع زلزله در حالت الاستیک یا نزدیک الاستیک باقی بمانند، بنابراین نمی توان از آن ها انتظار استهلاک انرژی قابل توجهی داشت. در نتیجه ایده جداسازی لرزه ای و استفاده از میراگرها بهترین و اقتصادی ترین روش جهت حفاظت پل ها در برابر تکان های شدید زمین است.

افزودن میرایی ویسکوز (عمدتاٌ در قالب دمپر ویسکوز یا همان میراگر ویسکوز) به سازه ها به منظور افزایش قابلیت جذب ایمن انرژی، موثرترین روش کنترل غیر فعال سازه ها محسوب می شود و به دلیل مزایای ویژه ای که برای مقاوم سازی پل ها دارد، در حال حاضر استفاده از میراگر ویسکوز یکی از روش های متداول جهت مقاوم سازی لرزه ای پل ها محسوب می شود. از جمله این مزایا می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• عدم ایجاد ممانعت در برابر انقباض و انبساط های ناشی از تغییر دما
• عدم تأثیرپذیری ظرفیت میراگر نسبت به تغییرات دمایی در نسل جدید سامانه های میراگر ویسکوز
• عدم ایجاد خستگی در میراگر ویسکوز تحت بارهای سرویس
• قابلیت ساخت برای ظرفیت های بالا و تعیین توان سرعت متناسب با نیاز طراح
• روند طراحی نسبتاً ساده به دور از پیچیدگی های مربوط به میرایی غیر کلاسیک در سازه های ساختمانی
• قابلیت اطمینان بالا به دلیل امکان تست کامل دمپر ویسکوز
• سهولت تعمیر و نگهداری و همچنین راحتی تعویض در صورت نیاز
• انعطاف پذیری در جانمایی و راحتی نصب
• عدم نیاز به تعویض پس از وقوع زلزله و حفظ عملکرد لرزه ای پل ها در پس لرزه ها
• هزینه دوره بهره برداری کمتر نسبت به سایر روش های مقاوم سازی

در طراحی پل ها عموماً از میراگر ویسکوز غیر خطی استفاده می شود که رابطه نیرو و سرعت در آن را می توان به شکل رابطه مقابل نوشت. که در آن (P (t نیروی ایجاد شده در میراگر ویسکوز ، (u (t جابجایی نسبی دو سر میراگر ویسکوز ، C ضریب میرایی و α ضریبی است که با توجه به وضعیت روزنه‌ های عبور مایع در پیستون تعیین می‌ شود و در مقاوم سازی پل ها عموماً بین ۰٫۱  تا ۰٫۳ در نظر گرفته می شود، گرچه با توجه به نیاز پروژه این مقدار بیشتر نیز می تواند باشد. کوچک بودن این ضریب باعث می شود تا در تمام طول حرکت چرخه ای نیروی ویسکوز مقاوم تقریباً ثابت بماند و رفتاری شبیه به میراگرهای تسلیمی ایجاد گردد با این تفاوت که در سرعت ها و جابجایی های کم نیز استهلاک انرژی رخ داده و ارتعاشات از همان ابتدای حرکت مستهلک می شود. به بیان دیگر با تعیین ضریب α در این محدوده می توان به ازای نیروی مقاوم کمتر ظرفیت استهلاک انرژی بیشتری بدست آورد، از طرفی طراحی برخی اجزا به دلیل نیروی کمتر اقتصادی تر می گردد. رفتار چرخه ای و قابلیت بالای استهلاک انرژی در میراگر ویسکوز در شکل مقابل مشاهده می شود.

سامانه های میراگر ویسکوز معمولاً بین عرشه و پایه پل تعبیه می شوند که با افزایش میرایی سیستم، جابجایی نسبی این اجزا به مقدار قابل توجهی کاهش پیدا می کند و نیروهای ماکزیمم در پایه و پی نیز کاهش می یابد. همچنین  از تقاضای جابجایی در تکیه گاه های پل کاسته می شود و طراحی اقتصادی تری را برای برخی اجزای پل به ارمغان می آورد.

دمپر ویسکوز معمولاً به صورت دو سر مفصل در پل ها تعبیه می شود تا از ایجاد تغییر شکل های خمشی قابل توجه در آن جلوگیری شده و خطر آسیب دیدگی آب بندی و نشت مایع ویسکوز در آن به وجود نیاید.  مدل ساده شده ی پل به همراه میراگر ویسکوز را می توان مانند شکل مقابل نشان داد.

یکی دیگر از مزایای استفاده از این میراگر ویسکوز در پل های با تکیه گاه لغزنده نمایان می شود. تکیه گاه های معمول پل ها مانند تکیه گاه های الاستومری (غیر لرزه بر) گرچه می توانند تا حدی از ورورد انرژی به عرشه پل بکاهند ولی توانایی استهلاک انرژی کمی دارند و ممکن است جابجایی های بزرگ و فراتر از ظرفیتی در آن ها ایجاد شوند. افزودن سامانه های میراگر ویسکوز به این پل ها علاوه بر کاهش تقاضای جابجایی در تکیه گاه ها می تواند در مجموع رفتاری شبیه جداگرهای لرزه ای ایجاد کند.

تاکنون ده ها پل در سراسر دنیا به وسیله ی میراگر ویسکوز در برابر زمین لرزه ایمن شده اند و روز به روز به تعداد آن ها افزوده می شود که نشان دهنده ی مقبولیت و کارایی این سیستم در تقویت لرزه ای پل ها است. به عنوان مثال می توان به مقاوم سازی پل مشهور Golden Gate  در کالیفرنیا  پس از زلزله مخرب لوما پریتا در سال ۱۹۸۹ اشاره کرد.

نمونه ای از به کارگیری میراگر ویسکوز در پل های شهری

همچنین به عنوان نمونه ای از پروژه های اخیر  می توان به پل Xi’an در استان Shaanx کشور چین اشاره کرد که  در آن از حدود ۸۰ میراگر ویسکوز شرکت ROAD با ضرایب میرایی ۱۰۰۰ تا ۲۵۰۰ کیلو نیوتن ثانیه بر متر و ظرفیت ۱۰۰ تا ۲۲۰ تن استفاده شده است.

در نهایت می توان گفت که استفاده از میراگرهای ویسکوز روشی مطمئن، مؤثر و اقتصادی برای طراحی و مقاوم سازی پل ها محسوب می شود و بیش از ۳۰ سال است که  به عنوان گزینه ای مناسب مدنظر طراحان و کارفرمایان قرار گرفته و پل های بسیاری در کشورهای مختلف با این روش طراحی و مقاوم سازی شده اند.