دانلود مقاله کنترل الحاقی سازه

بخشی از مقاله

انواع كنترل الحاقي سازه ها
به طوركلي سيستم هاي كنترل الحاقي به چهاردسته كنترل غيرفعال ، نيمه فعال ، فعال ومركب تقسيم مي گردند.

1-1- كنترل غيرفعال
درسيستمهاي غيرفعال اثر ميرايي بدون اعمال انرژي خارجي بر روي سيستم گيرا حاصل مي گردد و عملكرد اين وسايل بواسطه حركت ناشي اززلزله صورت مي گيرد كه رفتاري درجهت استهلاك انرژي ازخود نشان مي دهند . اين سيستم ها نياز به استهلاك انرژي سازه اوليه را با انعكاس يا جذ بخشي از انرژي ورودي كاهش مي دهند و به موجب آن امكان تخريب سازه اي كاهش مي يابد ( هاوزنر 1997) .

ولي استفاده ازاين سيستمها به اين دليل كه نمي توانند تعاملي با هرشرايط بارگذاري خارجي يا الگوهاي معمول داشته باشند محدود مي شود. يكي ازگونه هاي سيستمهاي كنترل غيرفعال جدا سازي لرزه اي است (اغلب به نام جدا ساز پايه خوانده مي شود ). يك سيستم جدا ساز لرزه اي ، نظير آن چه كه

درشكل (1-1) نشان داده شده ، عمدتا درپي يك سازه قرارمي گيرد. سيستم جدا ساز قابليت انعطاف پذيري وجذب انرژي را نشان مي دهد ، درنتيجه ترازانرژي را كه مي تواند به سازه منتقل شود كاهش مي دهد. مهمترين نيازمنديها براي يك سيستم جدا ساز انعطاف پذيري آن جهت تطويل پريود طبيعي و توليد اثر جداسازي ، صلبيت كافي اش درمقابل ارتعاشات محيطي تحت بارهاي سرويس وقابليت استهلاك انرژي ان است.

تصوير (1- 1) سيستم هاي جداساز لرزه اي

تجهيزات جداسازي لرزه اي عبارتند از تكيه گاههاي الاستوهريك ، تكيه گاههاي سربي لاستيكي ، تكيه گاههاي لاستيكي با ميرايي بالا ، تكيه گاههاي اصطكاكي لغزشي آونگي ، وغيره .( soong and constantinou 1994) نمونه ديگري ازسيستم كنترل غيرفعال تجهيزات سيراكننده غيرفعال اضافي به كارگرفته اند ؛ اين ابزار يك سازه را به دليل افزايش ظرفيت استهلاك انرژي اش محافظت

مي كنند. سيستم گيرا الحاقي با جذب بخشي از انرژي وارده برسازه عمل مي كند . درنتيجه خواسته هاي استهلاك انرژي كاهش يافته ازخرابي ساده اوليه جلوگيري مي شود. اين اثر به وسيله تبديل انرژي جنبشي به گرما يا پخش انرژي درميان مودهاي ارتعاشي قابل دستيابي است.
روش اول ازابزاري كه براساس اصولي چون ، لغزش اصطحكاكي ، جاري شدن ماده ، تبديل ماهيت درماده ، وتغيير ويسكوالاستيك اجسام يا مايعات عمل مي كنند ، استفاده مي نمايد .

روش دوم استهلاك انرژي يكپارچه كردن جاذبهاي ارتعاش ديناميكي است ، نظير ميراگرهاي جرمي تنظيمي ، ميراگردهاي مايع تنظيمي ، وغيره .
ازمزاياي روش كنترل غيرفعال امكان بهره برداري هميشگي وعدم نياز جدي به تعميرونگهداري واستقلال ازانرژي خارجي وآغاز عمل خودكار آنهاست .

1-2- كنترل فعال
درسيستمهاي فعال با اعمال انرژي خارجي سعي بركنترل رفتار ساختمان درهنگام بروز بارگذاري جانبي ازقبيل زلزله مي گردد . اين انرژي مي تواند به صورت ايجاد نيروي خارجي درخلاف جهت نيروي وارد بر ساختمان وخلاف جهت حركت ساختمان عمل نمايد. دراين صورت نياز به استفاده از سيستمهاي پيچيده وكنترل هوشمند نيروها مي باشد. سيستم كنترل فعال توانايي هماهنگي با شرايط گوناگون .... سيستمهاي كنترل فعال توانايي هماهنگي با شرايط گوناگون بارگذاري

وكنترل مودهاي ارتعاشي مختلف سازه را دارند ( Housner etaI1997) . يك تصوير كلي ازيك سيستم كنترل فعال در تصوير ( 1-2) نشان داده شده است. دراين سيستم سيگنالهايي كه براي كنترل فعال كننده ها فرستاده مي شوند تابعي ازپاسخگويي تخمين زده شده به وسيله حسگرهاي فيزيكي هستند ( Houseer etaI. 1997) .
وظيفه اصلي يك طراح سيستم كنترل فعال تعيين يك تدبير كنترلي است كه ازيك پاسخهاي تخميني سازه براي محاسبه سيگنالهاي كنترل كننده متناسب جهت انتقال به فعال ساز استفاده كند. تدابير كنترلي گوناگوني پيشنهاد شده ومورد تحقيق قرارگرفته اند ؛ مثالهايي نظيركنترل توانمند ، كمترل سود لغزان ، كنترل انطباقي ، كنترل فازي ، كنترل شبكه عصبي ، كنترل غيرخطي ، كنترل مدل پيشگويانه ، وغيره .

شكل (1-2) : نماي شماتيك سيستمهاي كنترل فعال

لازم به ذكراست كه درروش طراحي « قانون طلايي » وجود ندارد زيرا هرروش كنترل ضعف وقوتهاي خودش را دارد. بكارگيري روش ارائه شده به ويژگيهايي هدف مورد كنترل واهداف عملكردي مطلوب وابسه است .

1-3- كنترل نيمه فعال
يك حالت متوازني بين سيستمهاي كنترل فعال وغيرفعال درقالب سيستمهاي كنترل نيمه فعال گسترش يافته است . كه مبتني برتجيهزات نيمه فعال هستند. يك ابزار كنترل نيمه فعال خواصي دارد كه دريك لحظه واقعي مي تواند تنظيم گردد ولي نمي تواند به سيستم كنترل شوند ، انرژي وارد سازد ( Housner et aI 1997) اغلب ، بعضي ابزار به صورت ميراگرهاي غيرفعال قابل كنترل ارجاع مي شوند .

به دليل اينكه اين سيستم ، ابزاركنترل غيرفعال سازگاري بدون نيازبه منبع نيروي بزرگي را ارائه مي كنند ، در سالهاي اخيرتوجه بسيارزيادي را به خود جلب نموده اند . بسياري ازاين سيستمها مي توانند به تنهايي فقط به نيروي باطري اصلي نيرو به سازه ممكن است ازبين برود. هم چنين ، به دليل اينكه تجهيزات غيرفعال نمي توانند به سيستم سازه اي انرژي وارد سازند ، استعداد بي ثبات كردن سيستم را ندارند . فعاليتهاي توسط چندي از محققين نشان داده است كه

سيستمهاي كنترل غيرفعال ، وقتي به طورمتناسبي بگارگرفته شوند ، به طرزقابل توجهي به جوابهاي بهتري از سيستمهاي كنترل غيرفعال نائل مي شوند ؛ درحقيقت ممكن است آنها حتي سيستمهاي كاملا فعال را بي اثر سازند. توانايي مهم آنها دركنترل پاسخهاي سازه اي درمحدوده وسيعي از شرايط بارگذاري ديناميكي اثبات شده است . هماهنگونه كه درشكل ( 1-3) نشان داده شده نمونه هايي ازبعضي وسايل مورد بحث ديده مي شود. ميراگر روزنه اي متغير ، ميگراگراصطحكاكي متغير،

شكل ( 1-3) : ميراگرهاي روزنه اي متغير: ميراگرهاي اصطكاكي متغير،

ميراگرهاي مايع تنظيمي ؛ و d ميراگرهاي مايع قابل كنترل .
ميراگرا تنظيم شوند ، وميگراهاي مايع قابل كنترل . سيستمهاي كنترل نيمه فعال مجموعه اي ازبهترين خصوصيات سيستمهاي كنترل فعال وغيرفعال هستند .
استراتژي كنترل يك سيستم كنترل نيمه فعال مبتني بر بازبرخورد ارتعاشات سازه است. الگوريتم هاي مختلف كنترل مي توانند مستقيما ازسيستمهاي كنترل فعال هماهنگ شوند. اما سيستمهاي كنترل نيمه فعال ماهيت ذاتي غيرخطي ابزار نيمه فعال ، عمدتا غيرخطي هستند .

1-4- كنترل مركب هيبريد
سيستم كنترل مركب هيبريد HYBRID تركيب كنترل فعال وغيرفعال براي محافظت سازه دربرابر زلزله هاي قوي وپرشدت پيشنهاد مي گردد. عمل يكپارچه اين درسيستم با هم موجب افزايش قدرتمندي سيستم غيرفعال وكاهش نيازمندي به انرژي سيستم فعال مي گردد. در روش اصلي جهت بكارگيري سيستمهاي هيبريد وجود دارد :

ميراگر جرمي هيبريد ( HMD) وسيستم جدا ساز لرزه اي هيبريد . يك ميراگر جرمي هيبريد متشكل است ازيك ميراگر جرمي تنظيمي ويك فعال كننده جهت افزايش توانمندي آن براي كاهش ارتعاشات سازه اي تحت شرايط بارگذاري مختلف . معمولا انرژي مورد نياز توسط يك HMD خيلي كمتر ازمقدار انرژي مورد نياز به وسيله يك AMD با همان عملكرد است .

HMA وي شكل نشان داده شده در يك سيستم HMD تيپ است .
كه توسط صنايع سنگين ساخته شده است ، ومركب است از ميراگر جرمي غيرفعال آونگي ويك سيستم هدايت كننده فعال يك موتور الكتريكي نسبتا كوچك ( 75KW).

برج 52 طبقه Shinsuku park Tower ازاين سيستم براي كاهش ارتعاش سازه اي تحت اثر زلزله اي متوسط وباد شديد استفاده مي كند .
DUOX ( Ohrui et aI 1994) نوع ديگري ازسيستم HMD .

فصل دوم
ميراگرهاي جرمي تنظيمي TMD

2-1- تعريف ميراگرجرمي تنظيمي
ميراگر جرمي تنظيمي ازجلمه ابزار كنترل غيرفعالي است كه ازيك جرم ، يك فنر ويك ميراگرتشكيل يافته وبراي كاهش ارتعاشات ديناميكي يك سازه برروي آن نصب مي شود . اين جرم به گونه اي برروي غلتك هاي تكيه گاهي قرارمي گيرد كه فقط امكان حركت دريك امتداد را خواهد داشت .
اساس كاراين ميراگر مبتني بر تنظيم فركانسي ارتعاشي اين سيستم جرم است مي باشد ، اما مي تواند با فركانس هرمود يا مودهايي ازسازه كه سعي بركنترل آنها است تنظيم گردد. بنابراين با شروع تحريك خارجي ، حركت ميراگر درفازي خارج از حركت سازه تشديد شده وانرژي ازطريق نيروي اينرسي كه ميراگر به سازه وارد مي كند ، مستهلك مي شود. مفهوم TMD اولين بار توسط فرام درسال 1909 ميلادي براي كاهش حركات قائم و نوسان بدنه كشتي ها مطرح شد

. مدتي بعد دن هارتوگ درمورد تنظيم بهينه پارامترهاي ميرايي دركتاب خود درزمينه ارتعاشات مكانيكي مطالبي ارائه نمود . تئوري اوليه فقط براي سيستم هاي ناميراي يك درجه آزادي كه تحت تاثير يك تحريك سينوسي قرارداشتند قابل كاربرد بود. محققين زيادي سعي كردند اين تئوري را به سيستم هاي ميرايي يك درجه آزادي . بسط دهند ، مهمترين اين تلاش ها توسط راندال وهمكارانش درپ1981 صورت گرفت . درادامه مطالعات گسترده اي براي تصميم كاربرد اين ميراگر درسيستم هاي چند درجه آزادي صورت گرفت و محققين زيادي به بررسي تاثير ميراگر جرمي تنظيمي بركاهش پاسخ ديناميكي سيستم هاي چند درجه آزادي پرداختند . همچنين برخي ديگرازمحققين تلاش خود را به يافتن پارامترهاي بهينه اين ميراگر براي اين سيستم ها معطوف ساختند. به علاوه مطالعات زيادي با موضوع بررسي تاثيرعملكرد ميراگر جرمي تنظيمي صورت گرفته است .

نتايج برخي ازاين تحقيقات نشان مي دهد كه عملكرد ميراگر جرمي تنظيمي دربرابر تحريك زلزله كه نسبت به باد داراي تغييرات بيشتري است ، وابستگي زيادي به مشخصات ركودهايي زلزله منجمله محتواي فركانسي آن دارد. تعدادي ازمحققين معتقدند كه اين ميراگر تنها زماني دركاهش پاسخ زلزله موثراست كه زلزله وارد برسازه داري محدوده فركانسي كوچك ومدت زمان طولاني باشد. درادامه انواع ميراگرهاي جرمي تنظيمي ونمونه هاي اجرا شده اين ميراگرها ارائه مي گردند .

2-2- انواع ميراگرهاي جرمي تنظيمي
2-2-1- ميراگرهاي جرمي تنظيمي انتقالي
شكل ( 2-1) نماي كلي يك ميراگر جرمي انتقالي كه دريك امتداد عمل مي كند را نشان مي دهد. جرم ساكن برتكيه گاههايي كه غلتكهايي هستند وبه جرم اجازه مي دهند نسبت به سقف به طورجانبي انتقال يابد قراردارد . فنرها وميراگرها بين و اعضاي تكيه گاه قائم مجاور طوري قرار داده مي شوند كه نيروي جانبي « خارج از فاز » را به سقف وسپس به قالب ساختماني منتقل كنند. ميراگرهاي انتقالي دو جهته ، ازفنرها وميراگرهاي دردو جهت متعامد تشكيل يافته اند واين توانايي را براي كنترل حركت سازه دردو جهت متعامد فراهم مي آورند. بعضي مثالها ازنمونه هاي قديمي اين نوع ميراگرها درذيل تشريح شده اند .

دوميراگر بربرج 60 طبقه جان هانكوك واقع درپوستون به منظوركاهش پاسخ نسبت به باد شديد باد قرارداده شده اند. اين ميراگرها دردو انتهاي متقابل در58 امين طبقه ، به فاصله 67 متر، قرارگرفته اند و براي خنثي كردن نوسان وبه همان اندازه پيچش ناشي از شكل ساختمان حركت مي كنند . وزن هرميراگر 2700 كيلو نيوتن ومركب است از يك جعبه فولادي هرازسرب با ابعاد تقريبي 2/5 مترمربع و 1متر عمق كه هرصفحه اي فولادي سوارشده است . وزنه هرازسرب بطور جانبي با فنرهاي سخت مهاري ،‌هرستونهاي داخلي ساختمان تكيه داده شده است وبا سيلندرهاي هيدروليكي هوشمند كنترل مي گردد، هريك تكيه گاه هيدرواتاتيكي متشكل ازلايه نازكي ازروغن نيروكه ازحفره هاي درصفحه فولادي تراوش مي كنند مي لغزد. هرگاه شتاب نيرو ازg 003/0 براي دو سيكل متوالي تجاوز نمايد ، سيستم بطورخودكار فعال مي شود. اين سيستم توسط مشاور Le Messurier با هزينه اي درحدود 3 ميليون دلار تهيه شد وانتظار اين است كه تغييرمكان ( نوسان اين سو آن سوي ساختمان ) را 40 تا 50 درصد كاهش دهد.

مركز سيتي كرپ Citicorp center
TMD سيتي كرپ منهتن نيزبه وسيله شركت Le Missurier وشركا طارحي واجرا شد. اين ساختمان 279 متري زمان تناوب اصلي حدود 5/6 ثانيه ونسبت ميرايي اصلي 1 درصد درامتداد هرمحور دارد . TMD سيتي كرپ برشصت وسومين طبقه درنوك سازه قراردارد ، جرم آن Mg366 ، حدود 2 درصد جرم مودال موثراولين مود و 250 باربزرگتر ازهرميراگري كه تا آن زمان نصب گرديده بود. دو محوره طراحي شده بود .تشديد سازه ساختمان با زمان تناوب عامل ميرايي خطي قابل تنظيم از 8 درصد تا 14 درصد ، وحداكثر تغييرمكان نسبي 4/1 + متر،‌انتظار مي رود دامنه نوسان جانبي ساختمان را حدود 50 درصد كاهش دهد . اين كاهش با افزايش

ميرايي اصلي سازه حدود 4 درصد مرتبط است . يك بلوك جرمي مبتني با حدود 6/2 مترارتفاع وبا مقطع عرضي پلاني 1/9 متر در 1/9 متر كه بريك مجموعه دوازده تايي تكيه گاههاي متوازن شده با فشار هيدروليكي وقطر60 سانتي مترتكيه داده شده است. هنگام عمل تكيه گاهها روغن را ازيك پمپ هيدروليكي جداگانه تغذيه مي شود وقادراست بلوك جرمي را حدود 2 سانتي متر به موقعيت عملكردي اش درحدود 3 ثانيه بالا ببرد تامين مي كنند. سيستم ميراگرهرگاه

شتاب افقي از 003/0 براي دو سيكل متوالي تجاوز كند به طورخودكار فعال مي گردد، وبه طور خودكار هردوقت شتاب ساختمان درهريك از محورها دربيش ازيك مهلت 30 دقيقه اي از g 0075/0 تجاوزنكند ، خاموش مي شود Le Messurier تخمين مي زند كه TMD سيتي كرپ ، با هزينه اي درحدود 5/1 ميليون دلار ، 5/3 تا 4 ميليون دلارصرفه جويي كند . مجموع اين هزينه مقداري حدود 2800 تن فولاد سازه اي كه براي ارضا گيرداري تغييرشكل مورد نياز بوده را نمايان مي سازد .

برج بين المللي كانادا Candind NationaI Tower
دكل فولادي مخابراتي 102 متري واقع برنوك برج بين المللي كانادا در نورنتو با درنظرگرفتن آنتن 553 متر به دو سيراگ هدايت شده به منظور جلوگيري ازانحراف بيش از اندازه آنتن هنگام وقوع باد مجهز است . سيستم ميراگر مركب است ازدو طبقه فولادي پنجره اي شكل ، به عرض 35 متر ، عمق 30 سانتي متر ، قطر 4/2 و 3 متر، واقع بر تراز 488 و 503 متري ، هرحلقه حدود 9 تن را نگاه مي دارد وبه وسيله سه شاهتيرفولادي نصب شده دراطراف دكل مخابراتي حمايت مي شود. چهارنقطه تكيه گاهي و نقطه اتكائي كه درتمام جهات مي چرخند حلقه ها را به تيرها متصل مي سازند. علاوه بر 4 ميراگر مايع هيدروليكي فعال ،

سوارشده براطراف دكل وپيوسته با مركز هرنقطه انرژي را مستهلك مي كنند. همانطور كه حلقه هاي وزين سربي به جلو وعقب حركت مي كنند ، سيستم ميراگر هيدروليكي انرژي وارده ار مستهلك مي كندو پاسخ برج را كاهش مي دهد. اين سيستم ميراگر توسط وشركا طراحي شد . ميراگرها براي دومين وچهارمين مودهاي ارتعاشي براساس حداقل سازي بارهاي خم كننده آنتن ، مودهاي اول وسوم خواصي مشابه بتن پيش تنيده سازه تكيه گاه آنتن را دارند وبه سياري اضافي احتياجي ندارند .

برج فرودگاه chiba
برج فرودگاه chiba ( تكميل شده در 1986 ) اولين برج درژاپن بود كه به TMD مجهز شد برج اين فرودگاه يك سازه فولادي با 125 متر ارتفاع است كه 1950 تن وزن و شكل پلاني لوزي وطول جانبي 15 متر دارد . زمان تناوب مودهاي اول ودوم به ترتيب 25/2 و 51/0 ثانيه درجهت x هستند ودر جهت y به ترتيب 7/2 و 57/0 ثانيه مي باشند . ميرايي براي مود اصلي 5/0 درصد تخمين زده شد . نسبت هاي سيراي متناسب با فركانسها براي مودهاي بالا تر درتحقيق فرض شد. هدف TMD افزايش سيرايي مود اول براي هردو جهت x و y است . شكل 202 اين ميراگر را نشان مي دهد كه به وسيله شركت توليدي ميتسو وبيشي توليد گرديد اين

ميراگر ويژگيهاي زيررا دارد. نسبت جرم به ترتيب به جرم مودال اولين مود حدود 0083/0 درجهت 0125/0 درجهت u؛ و يك نسبت تناوب درجهات x وy به ترتيب 24/2 و 72/2 ثانيه ؛ و يك نسبت سيرايي 15 درصدي . حداكثر تغييرمكان نسبي ميراگر نسبت به برج 1 متردرهرجهت است . كاهش حدود 30 تا 40 درصد درتغييرمكان سقف فوقاني و30 درصد دراوج لنگرخمشي مورد انتظار است .