معرفی میراگر جرمی تنظیم شونده (TMD)

میراگر جرمی تنظیم شونده (Tuned Mass Damper یا به اختصار TMD) که از آن به عنوان جاذب انرژی نیز یاد می شود، سیستمی کنترلی می باشد که از آن  به جهت کنترل ارتعاش های سازه، زمانی که سازه تحت بار جانبی دینامیکی نظیر بار زلزله یا بار باد قرار می گیرد، استفاده می شود. این میراگرها دارای جرمی در حدود 1 الی 5 درصد وزن کل سازه بوده، که به وسیله‌ یک فنر و کمک­ فنر در محلی از سازه، که معمولاً دارای بیشترین تغییرمکان می‌باشد (نظیر بام سازه)، قرار می ­گیرند. با استفاده از میراگر جرمی تنظیم شونده می توان آسایش کاربران را در برابر ارتعاشات لرزه ای تامین و از خسارات یا گسیختگی سازه­ ای جلوگیری نمود. از میراگر جرمی تنظیم­ شونده اغلب در ساختمان ها، سازه های بلند، پل ها، تأسیسات انتقال قدرت و… استفاده می شود. میراگر جرمی تنظیم شونده را اغلب روی فرکانس اصلی ارتعاش سازه تنظیم می کنند. هنگامی که این فرکانس تحریک می شود، میراگر جرمی تنظیم شونده با حرکت غیر هم فاز خود نسبت به حرکت سازه، انرژی ورودی را جذب و میرا می کند. 

انواع میراگر جرمی تنظیم شونده و اجزاء تشکیل دهنده آن

میراگر جرمی به سه دسته کلی میراگر جرمی تنظیم شونده انتقالی افقی، قائم و پاندولی تقسیم بندی می شود. این میراگر حاصل ترکیب سه سیستم جرم، فنر و میراگر می باشد. برای طراحی میراگر جرمی تنظیم شونده بایستی سختی و جرم میراگر جرمی تنظیم ­شونده به گونه ­ای انتخاب ­شود که فرکانس نزدیکی به فرکانس سازه داشته باشد. میرایی این سیستم بایستی به گونه ای انتخاب گردد که استهلاک انرژی در بازه مؤثری از فرکانس های ارتعاشی میراگر جرمی تنظیم شونده، بهینه گردد. جرم میراگر جرمی تنظیم ­شونده نیز برای تأمین میزان مطلوبی از کنترل ارتعاش انتخاب می ­گردد، که جرمی معادل 1 الی 5 درصد جرم سازه انتخاب می گردد. تصاویر مقابل اجزاء تشکیل دهنده میراگر جرمی تنظیم شونده و انواع آن را نشان می دهند :

مکانیزم عملکرد میراگر جرمی تنظیم شونده

شکل مقابل ساختمانی معمولی بدون TMD را نشان می دهد. هنگامی که نیروی جانبی (بار زلزله یا باد) به ساختمان وارد می شود، ساختمان تحریک شده و جابجا می گردد (X1) و در نتیجه ی جرم و شتاب ناشی از آن نیروی جنبشی (K1) تولید می گردد. سپس ساختمان در جهت مخالف به اندازه (X2) جابجا خواهد شد. جابجایی (X1) از جابجایی (X2) بیشتر است و جابجایی (X2) از جابجایی بعدی خود بزرگتر است بدین صورت پس از زمانی محدود جابجایی سازه به صفر می رسد. این رخداد نشان دهنده وجود میرایی ذاتی در  ساختمان می باشد. نسبت میرایی در واقع یک پارامتر بی بعد می باشد که معیاری برای سنجش چگونگی میراشدن یک تحرک نوسانی می باشد.
زمان مورد نیاز برای ساختمان برای تکمیل یک دور نوسان کامل زمان تناوب سازه نامیده می شود. بالاتر بودن زمان تناوب سازه به این معنی می باشد که سازه زمان بیشتری را طی می کند تا به موقعیت قبلی خود بازگردد. این دقیقا زمانی است که احساس ناراحتی ناشی از نوسان برای ساکنان ساختمان اتفاق می افتد. این یکی از دلایلی می باشد که مهندسین در تحلیل های خود زمان تناوب سازه را در نظر می گیرند.

در ادامه با عملکرد ساختمان مجهز به میراگر جرمی تنظیم شونده آشنا می شوید:

هدف اصلی استفاده از  TMD این می باشد که به عنوان یک عامل مقابله کننده وارد عمل شود و انرژی جنبشی که در حین تحریک ساختمان ایجاد شده (…,K1,K2) را جذب و مستهلک نماید. هنگامی که ساختمان شروع به نوسان می نماید، در نتیجه ی تولید انرژی جنبشی (K1)، میراگر جرمی تنظیم شونده به وسیله ساختار فنر یا حرکت آونگی خود با ایجاد نیروی (D1) در خلاف جهت حرکت سازه، ساختمان را وادار به حرکت در جهت محالف با حرکت اولیه خود می کند. دقیقا همین سناریو زمانی که سازه در جهت مخالف یعنی (X2) شروع به حرکت می کند اتفاق می افتد. برای مقایسه مقدار (X1) و (X2) در دو حالت بدون میراگر جرمی تنظیم شونده و به همراه آن می توانید نمودار مقابل را بررسی کنید. این نتیجه حاصل از نیروی مقابله کننده TMD می باشد که هر وقت سازه به هر سمتی شروع به حرکت نماید در جهت مخالف آن وارد عمل می شود. وقوع این سناریو منجر به کاهش زمان ارتعاش سازه و در واقع کاهش زمان تناوب ارتعاش سازه می گردد و این دقیقا همان چیزی است که مهندسان سازه و زلزله به دنبال آن هستند.

کاربرد میراگر جرمی تنظیم شونده در کنترل ارتعاش سازه های مختلف

TMD مناسب ساختمان­ هایی است که دهانه­ های بلند و قوسی شکل دارند یا سازه­ هایی که در معرض پدیده­ هایی چون زلزله و باد هستند. میراگر جرمی تنظیم­ شونده بطور قابل توجهی ارتعاشات ناشی از عوامل محرکه نظیر باد و زلزله را کاهش داده و کنترل می نماید. TMD به طور گسترده ­ای در حوزه­ های ذیل مورد استفاده واقع می شود:

1. ساختمان های بلند مرتبه و قوسی شکل، پایه پل ها، دودکش ها، برج های تلویزیونی و سایر سازه هایی که در معرض باد و زلزله قرار دارند و تحریک می شوند.
2. پلکان ها، پل های عابر پیاده، تالار های کنفرانس و سایر سازه هایی که با حرکت انسان ها بر روی آن ها تحریک می گردند.
3. مراکز صنعتی و سازه های فولادی و اماکنی که توسط فرکانس طبیعی ارتعاش ماشین آلات داخل آن تحریک می گردند.

• به طور خلاصه، ایده اصلی استفاده از  این سیستم یعنی میراگر جرمی تنظیم شونده، سازگار کردن فرکانس میراگر جرمی تنظیم شونده با فرکانس طبیعی خود سازه می باشد، یعنی اگر فرکانس سازه به عنوان مثال 0.3 هرتز باشد، فرکانس میراگر جرمی نیز بایستی همین مقدار یا نزدیک به آن باشد تا موثر واقع شود. در غیر این صورت  از کارایی سیستم کاسته شده و در برخی از موارد می تواند اثر سوء داشته و شرایط را برای سازه بدتر نماید.

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