بخشی از مقاله
چکیده
میراگر نیمه فعال جرمی خود تنظیم با سختی متغیر - RVS-TMD - به کمک تغییر سختی و جلوگیری از جابجایی بیش از حد میراگر جرمی تنظیم شده، عملکردی شبیه به میراگر فعال دارد. در این پژوهش، رفتار لرزهای ساختمان 18 طبقه فولادی با قاب خمشی ویژه و مهاربند همگرا در حضور هر کدام از میراگرهای RVS-TMD و نوع غیرفعال آن ارزیابی شده است.
همچنین به منظور بهینه یابی مکان میراگر، موقعیت هرکدام از میراگرها در طبقات مختلف مورد بررسی قرار گرفته تا موقعیت بهینه حاصل گردد. تحلیل به روش تاریخچه زمانی خطی و تحت اثر هفت زوج شتابنگاشت بوده که به کمک نرم افزارهای MATLAB و OpenSees مدل سازی و تحلیل گردیده است. نتایج نشان میدهد که مقدار کاهش بهینه پاسخ سازه با قرارگیری میراگر در طبقات فوقانی رخ داده و میانگین کاهش جابجایی با قرارگیری میراگر در طبقات فوقانی توسط میراگر غیرفعال 33,01 درصد بوده و توسط میراگر نیمه فعال پیشنهادی 53,11 درصد میباشد.
-1 مقدمه
سازهها در هنگام قرارگیری تحت اثر ارتعاشات با شدت زیاد مانند زمین لرزه، وارد ناحیه رفتار غیرخطی میشوند که منجر به استهلاک بخش عمدهای از انرژی ورودی از طریق میرایی ذاتی سازه و مکانیزم غیرخطی میشود. در زلزلههای شدیدتر، انرژی ورودی به سازه افزایش یافته و سهم بیشتری از انرژی توسط تغییر شکلهای پلاستیک تلف میشود. تغییر شکلهای ناشی از بوجود آمدن مفاصل پلاستیک، خود موجب افزایش استهلاک انرژی در سیستم میگردد که به واسطه تخریبهای موضعی حاصل از استهلاک انرژی و در صورت عدم اتخاذ تمهیدات لازم، این امر میتواند به تلاشی سازه بیانجامد.
در سالیان اخیر، روشهای ابداعی جهت افزایش کارایی و ایمنی سازهها در برابر ارتعاشات از جمله زمین لرزه و انفجار در دست تحقیق میباشد. از دید انرژی، به منظور طراحی مناسب، بایستی مقدار انرژی هیسترتیک مستهلک شده توسط سازه کاهش یابد.
این عمل توسط سیستمهای کنترلی در سازهها به دو روش زیر صورت میپذیرد:
-1 کاهش مقدار انرژی ورودی به سازه، -2 معرفی مکانیزمهای اضافی اتلاف انرژی در سازه، به گونهای که سهم عمدهای از انرژی ورودی را مستهلک کنند و در نتیجه خسارات وارد شده به سازه اصلی در اثر استهلاک انرژی هیسترتیک را کاهش دهند.
میراگر نیمه فعال جرمی خودتنظیم با سختی متغیر - RVS-TMD - به کمک تغییر سختی و جلوگیری از جابجایی بیش از حد میراگر جرمی تنظیم شده، عملکردی شبیه به میراگر فعال دارد. در این مقاله به بررسی رفتار لرزهای ساختمان هجده طبقه فولادی در حضور میراگرهای RVS-TMD و نوع غیرفعال آن پرداخته شده است.
-2 پیشینه تحقیق
در سالهای اخیر تحقیقات زیادی در مورد کنترل سازهها انجام شده است. سیستمهای کنترل برحسب میزان انرژی مورد نیاز و نیز نحوه عملکرد، به چهار گروه کلی زیر تقسیم میشوند:
· سیستمهای کنترل فعال
· سیستمهای کنترل نیمهفعال
· سیستمهای کنترل ترکیبی
· سیستمهای کنترل غیرفعال
سیستمهای کنترل فعال با اعمال نیروی خارجی در خلاف جهت نیروی ارتعاشی وارد بر ساختمان، سعی بر کنترل رفتار آن در هنگام مرتعش شدن دارند. از مشکلات عمده سیستمهای کنترل فعال، نیاز به میزان انرژی خارجی زیاد جهت عملکرد مناسب میباشد و از آنجا که این سیستمها انرژی خارجی قابل توجهی جهت کنترل سازه به آن وارد میکنند، امکان ناپایدار شدن سازه بر اثر سیستمهای مذکور وجود دارد. سیستمهای میراگر با جرم فعال ، تاندونهای فعال و ... نمونه هایی از سیستم های فعال هستند.
سیستمهای کنترل نیمهفعال که میتوان آنها را سیستمهای کنترل غیرفعال قابل تنظیم نیز نامید، مجهز به میراگرهایی هستند که در هر لحظه قابل کنترل بوده ولی قادر به اعمال انرژی به سازه نمیباشند. آنها برخلاف سیستمهای کنترل فعال، نیازمند انرژی خارجی قابل توجهی نمیباشند. این مسأله به خصوص هنگام وقوع ارتعاش، نقش تعیین کنندهای دارد.
از ویژگیهای سیستم کنترلی مذکور این است که میتواند در هر لحظه عملکرد خود را براساس نیروی وارده تطبیق دهد - ویژگی سیستمهای فعال - و تنها انرژی را جذب یا مستهلک کند - ویژگی سیستمهای غیرفعال - ، لذا پایداری سیستم را تأمین میکند. از طرفی این نوع سیستمهای کنترل، در مقایسه با سیستمهای کنترل فعال، انرژی بسیار کمتری مصرف کرده و نسبت به سیستمهای کنترل غیرفعال در کاهش پاسخهای سازهای مؤثرترند. بعلاوه، در صورت آسیب دیدن منبع انرژی، مانند سیستمهای کنترل غیرفعال عمل می کنند.
در سیستم کنترل ترکیبی به صورت همزمان از میراگرهای کنترل فعال و غیرفعال استفاده میشود. این گونه سیستم ها معمولاً به صورتی تنظیم میشوند که در ارتعاشهای ضعیف و متوسط که کارآیی سیستم کنترل غیرفعال کم بوده و سیستم کنترل فعال احتیاج به اعمال انرژی کمتری دارد، مشابه سیستم کنترل فعال و در ارتعاشهای شدید که کارآیی سیستم کنترل غیرفعال بسیار مناسب بوده و سیستم کنترل فعال به دلیل وجود حد اشباع در تولید نیروی کنترل مورد نظر دچار مشکل میباشد، مانند سیستم کنترل غیرفعال عمل مینمایند.
سیستمهای کنترل غیرفعال با استفاده از جذب یا انعکاس قسمتی از انرژی ورودی ناشی از ارتعاش به سازه، از آنها محافظت میکنند و جهت کارکرد به منبع انرژی خارجی نیاز ندارند. سیستمهای جداسازی پایه، میراگر با جرم متوازن و ... نمونههایی از سیستمهای غیرفعال هستند.
• میراگرهای سختی متغیّر نیمه فعال
این سیستم نیمهفعال قابلیت آن را دارد که سختی سازه و در نتیجه فرکانس طبیعی آن را اصلاح کند و بدین طریق از بروز شرایط رزونانس جلوگیری به عمل آورد. این ابزارها در سیستم مهاربندی سازه نصب شده و در هنگام لزوم، درگیر و یا آزاد شده تا سختی سازه را تغییر دهند. مصرف انرژی آنها بسیار پایین بوده - حدود 20 وات - و خرابی آنها در هنگام زلزله، به ندرت رخ میدهد.
میراگرهای سختی نیمه فعال از یک سیلندر پر از مایع، یک پیستون و یک سوپاپ کنترل موتور تشکیل شدهاند. موتور سوپاپ باز را تنظیم میکند، بنابراین کنترل جریان مایع ویسکوز - عموما روغن - و تنظیم ضریب میرایی در زمان حقیقی صورت میپذیرد.
پتن و همکارانش - Patten, 1998 - برای اولین بار میراگرهای سختی نیمه فعال - همچنین به عنوان جذب کننده ارتعاش نیمه فعال بر میگردد - را معرفی نمودند.
جباری و بابروف - Jabbari, 2002 - از راهاندازی مجدد میراگرهای سختی نیمه فعال - RSASD - برای کنترل یک قاب سه دهانه سه طبقه دو بعدی تحت تحریک تصادفی استفاده نمودند. این سیستم با اضافه کردن سختی به سیستم زمانی که سوپاپ بسته است و رها سازی انرژی جذب شده زمانیکه سوپاپ باز است - به صورت دورهای موقعیت پیستون را تنظیم مجدد میکند، در حالیکه هیچ نیرویی بروی سیستم اعمال نمیشود - عمل میکند. نویسندگان دریافتند که سیستم RSASD با استفاده از یک الگوریتم کنترل غیر متمرکز، کنترل مناسب سازهای را فراهم میکند.
آگراوال و همکارانش - Agrawal, 2003 - از تعویض میراگرهای سختی نیمه فعال - SSASD - ، RSASD با فنرهای خطی و میراگرهای مایع ویسکوز خطی و غیر خطی برای کنترل ارتعاش پلهای کابلی با معیار ASCE ذکر شده، استفاده نمودند. همانند RSASD ، یک سیستم SSASD توسط باز و بسته شدن دورهای سوپاپ در سیلندر کار میکند.
زمانیکه سوپاپ کاملا باز است، میرایی فراهم نمیشود، اما هنگامیکه سوپاپ بسته است، SSASD به صورت میراگرهای سختی نیمه فعال عادی رفتار میکند. نویسندگان از یک کنترل کننده اصطکاکی نیمه فعال لایه مرزی خطی برای انواع میراگرهای سختی نیمه فعال استفاده کردند.
نویسندگان گزارش کردند که سیستم RSASD با فنرهای خطی در کاهش جابجایی عرشه پل و برش و لنگر در پایه برج، از میراگرهای اصطکاکی نیمه فعال و میراگرهای ویسکوز غیر فعال غیر خطی عملکرد بهتری دارد.
کورینو و همکارانش - Kurino, 2003 - همچنین از سیستم کنترلی نیمه فعال شبیه میراگرهای سختی نیمه فعال، و یک الگوریتم کنترلی غیر متمرکز که اجازه میدهد هر میراگر بصورت مستقل عمل کند، برای کنترل یک قاب 20 طبقه دو بعدی تحت زلزلههای 1940 ال سنترو و 1968 هاچینوه استفاده نمودند.
نیشیتانی و همکارانش - Nishitani, 2003 - در مورد استفاده از میراگرهای سختی نیمه فعال با نیروی لغزش متغیر، جایی که برگشت پذیری دو خطی در میراگرها یک فاکتور شکلپذیری مستقل از میزان بار تحریک لرزهای فراهم میکند، بحث نمودند. برگشت پذیری دو خطی از طریق استفاده از میراگرهای لغزشی نگهداری میشود.
هنگامی که به یک سطح معینی از نیروی میرایی رسید، بازوی محرک میراگر، لغزش و همچنان جابجایی ادامه مییابد، اما به همان میزان نیروی میرایی اعمال میشود. هنگامی که یک سطح معینی از جابجایی رخ داد، نیروی میرایی اعمالی و جابجایی شروع به کاهش تا یک سطح معینی از نیروی منفی یا مثبت میکند، و همان لغزش ذکر شده در بالا رخ میدهد.
این الگوی رفتاری با تشکیل یک حلقه، تا زمانیکه تحریک فروکش کند، خود تکرار میشود. یک الگوریتم کنترل غیر متمرکز به منظور حفظ فاکتور شکل پذیری و تعیین سطح نیروی لغزش استفاده شده است. نویسندگان این روش را برای مدل سازهای یک ساختمان حقیقی در ژاپن با 20 درجه آزادی، 20 طبقه و دو بعدی تحت زلزله 1940 ال سنترو، با یک میراگر سختی نیمه فعال در هر طبقه و رفتار خطی در سازه، اعمال نمودند.
فوکوکیتا و همکارانش - Fukukita, 2004 - اثر سیستم میراگرهای سختی نیمه فعال با استفاده از کنترل کننده خطی درجه دوم گاوسی را با دیوارهای میرای ویسکوز - دیوار متشکل از دو صفحه که خلا بین آنها با یک مایع ویسکوز پر شده است، میباشد - برای کنترل یک مدل معیار 20 طبقه دو بعدی تحت زلزلههای 1940 ال سنترو، 1968 هاچینوه، 1994 نورثریج و 1995 کوبه، مقایسه کردند. آنها دریافتند که دیوارهای میرای ویسکوز غیر فعال، کنترل بهتری تحت شرایط داده شده، با کاهش 8 و %24 بیشتر در اوج شتاب و جابجایی فراهم میکند.
بهاردواج و داتا - Bhardwaj, 2006 - در مورد کنترل ارتعاش یک مدل قاب دو بعدی فولادی 5 طبقه معرفی شده توسط کوراتا و همکارانش - Kurata, 1999 - ، با میراگرهای سختی نیمه فعال نصب شده در هر طبقه در بادبندهای ضربدری با استفاده از الگوریتم کنترل کننده منطق فازی، بحث نمودند. آنها با انجام یک مطالعه پارامتری با استفاده از زلزله 1940 ال سنترو به عنوان ورودی، به این نتیجه رسیدند که ضرایب میرایی میراگرها، حداکثر ضرایب میرایی و ظرفیت میراگر، فاکتورهایی هستند که بیشترین اثر را در پاسخ کنترل شده دارا میباشند. نویسندگان، ترکیب بهینه این سه پارامتر را برای پاسخ کنترلی سازه به علت حرکات ناشی از زلزله 1940 ال سنترو مطالعه نمودند و دریافتند که کنترل کننده منطق فازی در شتاب طبقه تحتانی و برش پایه از کنترل کننده خطی درجه دوم تنظیم کننده، کنترل بهتری را فراهم میکند.
یانگ و همکارانش - Yang, 2007 - از RSASD گاز تحت فشار برای کنترل یک سازه فولادی سه طبقه با مقیاس 0,5 و پلان 2 در 3 متر و 9 متر ارتفاع تحت زلزلههای 1995 کوبه، 1999 چی چی و 1940 ال سنترو استفاده نمودند. نویسندگان از تعداد، محل و سطح فشار متنوعیRSASD و استراتژی کنترل غیر متمرکز بر پایه لیاپانف استفاده نمودند. آنان دریافتند که RSASD گاز تحت فشار، نقطه اوج RMS دریفت درون طبقه و RMS شتاب کف طبقه را کاهش داده، اما در کاهش نقطه اوج شتاب کف طبقه بی اثر بوده است.
