چکیده
این مقاله روند طراحی میراگرهای ویسکوالاستیک و نتایج آزمون تجربی یک سازه های فلزی 5 طبقه تک دهانه با میراگر ویسکوالاستیک را ارائه می دهد. خواص مکانیکی میراگر ویسکوالاستیک و ویژگی های دینامیکی ساختار مدل، از طریق آزمایش و با استفاده از تحریک هارمونیک به دست آمد. نتایج این آزمایش در روند طراحی مورد استفاده قرار گرفته است. در ابتدا، نسبت میرایی اضافی لازم، برای کاهش حداکثر پاسخ سازه به یک سطح مورد نظر به دست آمد. سپس به اندازه لازم میراگر برای رسیدن به نسبت میرایی مورد نیاز، با استفاده از روش انرژی کرنشی مودها و با مشاهده تغییرات در نسبت میرایی مودها و با توجه به تغییر در سختی میراگر تعیین شد. میراگر ویسکوالاستیک در طبقه ی اول و دوم مدل نصب شده است. نتایج حاصل از آزمایشاتی که از روش نویزتصادفی با باند محدود و یا هارمونی استفاده می کنند، نشان داد که پس از نصب میراگر های، پاسخ دینامیکی مدل سازه ای با مقیاس واقعی تا میزان مطلوب راحی کاهش یافته است.
مقدمه
میراگرهای ویسکوالاستیک (VED) در کاهش پاسخ دینامیکی ساختمان ها، در وزش باد و یا تحریک لرزه ای بسیار موثر هستند، و به صورت عملی در برج های دوقلوی مرکز تجارت جهانی در نیویورک برای کاهش ارتعاشات ناشی از باد استفاده شده اند. بسیاری از تحقیقات به استخراج مدل تحلیلی برای VED و به منظور بررسی اثر آن بر کنترل ساختاری از طریق آزمایش [1-4] پرداخت اند. مطالعات قبلی نشان داد که VED می توانید میرایی سازه را به طرز قابل توجهی افزایش دهد، که در نتیجه ی آن شاهد کاهش پاسخ سازه، مانند جابجایی و شتاب مطلق خواهیم بود. همچنین نتایج حاصل از این مطالعات نشان داد که عملکرد VED بستگی به عواملی مانند فرکانس تهییج و دمای محیط بستگی دارد. لذا عملکرد VED باید با در نظر گرفتن این عوامل مورد بررسی قرار گیرد. دربسیاری از آزمایشات، سازه در مقیاس کوچک و با VED کوچک، مورد استفاده و بررسی قرار گرفت است و تنها چند تحقیق با استفاده از VED در مقیاس واقعی شده انجام شده است.
موضوع دیگر مربوط به استفاده های عملی از VED ، توسعه روش طراحی VED برای رسیدن به سطح پاسخ سازه ای مطلوب است. برای این هدف، یک تصمیم حساب شده و با در نظر گرفتن تمامی عوامل طراحی مانند تعداد، اندازه، محل بهینه و روش نصب، لازم است. در بسیاری از مطالعات، VED با اندازه های دلخواه نصب شده و تاثیر آن بر کنترل ارتعاش مورد بررسی قرار گرفته است. ژانگ و همکارانش یک روش مرحله ای برای جایگذاری بهینه VED با استفاده از مفهوم درجه ی قابلیت کنترل [5] ارائه داده اند. لی و همکارانش محل و اندازه VED را با استفاده از روش انتساب قطبها [6]ارائه دادند. این مطالعات نشان داد که قرارگیری VED در موقعیتی که بیشترین جابجایی داخل طبقه را دارد، بهترین و موثرترین گزینه است. چانگ و همکارانش یک راهنما برای طراحی سازه های دارای قاب فولادی با VED ارائه دادند. آنها برای ارائه ی این راهنما از نتایج مطالعات قبلی استفاده کرده، و اثربخشی روش طراحی را با انجام یک آزمایش با مدل سازه ی در مقیاس 2/5 مورد بررسی قرار دادند و پس از بررسی نتایج آن را تائید کردند [7]. اگر چه این روش طراحی، توضیحات دقیق ارائه داده و اثر بخشی آن را از طریق مطالعه تجربی تایید می کند، اما مطالعات تجربی بیشتری برای استفاده ی عملی از آن مورد نیاز است. به خصوص، آزمایش در مقیاس واقعی، می تواند توضیحات دقیق و واقعی ارائه داده و نتایج آن می تواند به عنوان یک پایه و اساس برای استفاده واقعی VEDدر ساختمان مورد استفاده قرار گیرد.
ویژگی های مواد ویسکو الاستیک
طراحی VED نیاز به دانش کافی راجع به خواص مکانیکی ماده ویسکوالاستیک دارد. خواص ماده ویسکوالاستیک مبتنی بر متغیرهایی مانند دما، فرکانس تحریک و فشار می باشد، بنابراین، اثر این متغیرها بر خواص مکانیکی VED توسط آزمایش مورد بررسی قرار گرفت. نمونه آزمون نشان داده شده در شکل 1 از دو لایه از مواد ویسکوالاستیک تشکیل شده است، که هر لایه 10 میلی متر ضخامت و 150 سانتی مربع مربع مساحت دارد. در نمونه ها ده آزمایش سیکلی و با استفاده از تحریک سینوسی با 0.5 هرتز در دمای 24 درجه ی سلسیوس و با مقادیر متفاوتی از کرنش 20، 25، 50، 75، و 100٪ انجام شد. جدول 1 نتایج آزمون سختی باقیماند و فاکتور کاهش که برای کرنش های مختلف بدست آمده را نشان می دهد. همچنین این جدول بیان می کند که عامل کاهش کرنش به تغییرات کرنش ماکزیمم بستگی نداشت. علاوه بر این، ده آزمون سیکلی نیز با استفاده از تحریک سینوسی در 24 در دمای 24 درجه ی سلسیوس با فرکانس های مختلف و ماکزیمم کرنش انجام شد. نتایج آزمون در جدول 2 نشان داده شده که بیان می کند که سختی باقیمانده و عامل کاهش کرنش به میزان قابل توجهی به فرکانس تحریک بستگی دارد. در نهایت رفتار وابسته به دما، توسط یک سری از آزمایشات در دماهای مختلف با فرکانس تحریک 0.5 هرتز و کرنش ها 20 و 50٪ بررسی شد. جدول 3 نشان می دهد که فاکتور کاهش بسیار حساس به دما است. شکل 2 نشان می دهد که مدول برشی باقیمانده با افزایش فرکانس تحریک افزایش می یابد.
پیکربندی آزمایش سازه ی مدل برای انجام تست
مدل تجربی نشان داده شده در شکل 3، سازه در مقیاس اصلی دارای پنج طبقه اسکلت فلزی و با ارتفاع طبقه 6 متر، اندازه ی 6 متر در 6 متر، و وزن طبقه ی 20 تن است. هر طبقه از چهار ستون فولادی با تیرآهن بال پهن یکسان تشکیل شده است. HMD نشان داده شده در شکل 4، در طبقه پنجم و با منظور تحریک مدل سازه نصب شده است. شکل. 5 محل VED و شتاب سنج را نشان می دهد.
تخمین نسبت میرایی مورد نیاز
برای طراحی VED مورد نیاز آزمایش، در ابتدا نیاز به شناسایی مود اصلی ارتعاش و نسبت میرایی مودها است، لذا فرض کنید که پاسخ سازه امل مود پایه ای می شود. سپس لازم است که نسبت میرایی مورد نیاز سازه برای رسیدن به یک پاسخ مورد شده و با استفاده از مدل محدب، که یکی از روش های پیش بینی حداکثر پاسخ برای بارهای غیر ثابت زلزله است، محاسبه شود. مدل محدب، به خصوص برای زمانی که مقدار اطلاعات در مورد بار موجود محدود باشد، بسیار مفید است. همچنین باید در نظر داشت که راه حل مدل بسیار محافظه کارانه است. بسیاری از متغیرها را می توان برای نشان دادن عدم اطمینان از بارهای زلزله در مدل محدب مورد استفاده قرار داد، و در این مقاله، مدل محدب محدوده ی انرژی سیستم (GEB) که با بهره گیری از انرژی زلزله به عنوان متغیر اصلی [8] کار می کند، استفاده شد.
تخمین نسبت میرایی مورد نیاز
با توجه به نیاز به نسبت میرایی پیش رو، روش انرژی کرنشی مودی، در تعیین اندازه ی VED برای ایجاد سازه با مقدار مطلوب نسبت میرایی مودی به کار می رود. روش انرژی کرنشی مودی اولین بار توسط جانسون و کینهولز توسعه یافت، و با موفقیت برای ارزیابی نسبت میرایی معادل VED توسط چانگ و همکاران به کار برده شد.
نتایج آزمایشات
آزمایش با سه حالت مختلف از محل قرارگیری VED و درجه حرارت انجام شد: درحالت 1، VED در طبقه اول نصب شده و آزمایش در 30 درجه ی سلسیوس انجام شد. در حالت 2، میراگر در طبقات اول و دوم در همان دما، و درحالت 3، ، VED در طبقات اول و دوم و در دمای 24 درجه ی سلسیوس. سازه تحت ارتعاش 60 ثانیه ای هارمونیک توسط HMD و با همان طرح فرکانس که در آزمون شناسایی سیستم (همان گونه که قبلا مطرح شد)اعمال شده بود، تحت ارتعاش قرار گرفت.
این تفاوت را می توان به عدم دقت ذاتی روش انرژی کرنش مودها نسبت داد. روش انرژی کرنش مودها بر این فرض استوار است که سازه دارای VED با میرایی متناسب است. با این حال، سازه با VED دارای میرایی غیر متناسب است. بر این اساس، نقض این فرض، تفاوت بین نتایج تحلیلی و تجربی را به همراه دارد. منبع دیگری از خطای مدل سازی نادرست، ماتریس سختی است. روش انرژی کرنش مودها نشان می دهد که اثر VED بستگی به سختی طبقه دارد. بنابراین، شناخت درست از سختی طبقه برای برآورد دقیق اثرات VED ضروری است. در این مطالعه، ماتریس سختی به سادگی و متناسب با اولین فرکانس مود و بر اساس فرضیاتی که توسط ماتریس دقیق جرم داده می شود، بدست آمده است و از آنجایی که هر طبقه دارای سختی مشابه است، لذا تفاوت ها تشدید می شود.
خلاصه
در این مطالعه، VED، طراحی شده، آزمایش شده و در یک ساختمان پنج طبقه در مقیاس واقعی سازه، نصب شده است تا به بررسی اثر آن بر کاهش ارتعاش بپردازد. خواص مواد میراگرها از آزمون سیکلی به دست آمد و در فرایند طراحی استفاده شده است. یک طرح تحریک، با استفاده از میز لرزه ی دوگانه توسعه داده شده و به سازه ی مدل اعمال شده است. نسبت میرایی اضافی مورد نیاز به منظور کاهش حداکثر پاسخ سازه به سطح مطلوب، برای اولین بار توسط مدل محدب به دست آمد. اندازه میراگر با استفاده از روش انرژی کرنشی مودها و با مشاهده تغییر در نسبت میرایی مودها و با توجه به تغییر در سختی میراگر تعیین شد.
بر اساس نتایج تحلیلی و تجربی، VED، که به روشی ک ذکر شد، طراحی شده بود، برای کنترل ارتعاش سازه در مقیاس واقعی بسیار موثر بود. همانگونه که از آزمایش انتظار می رفت، نسبت میرایی مودها با افزایش تعداد VED ها افزایش یافت. در توابع انتقال، پاسخ شتاب به طور قابل توجهی به عنوان یک نتیجه از نصب و راه اندازی VED کاهش می یابد. تاثیر کاهش پاسخ VED در دمای 24 درجه ی سلسیوس بیشتر از دمای 30 درجه بود.
این مقاله ISI در سال 2004 در نشریه الزویر و در مجله سازه های مهندسی، توسط گروه مهندسی معماری منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله تست ارتعاش یک ساختمان 5 طبقه در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.
