بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه استفاده از روشهای هوشمند سازی ساختمان به منظور مقابله با اثرات زیانبار زلزله امری ضروری است. میراگر جرمی تنظیم شده - 1TMD - یکی از تجهیزات کنترلی میباشد؛ که تاثیر آن در کاهش پاسخ دینامیکی سازه به اثبات رسیده است.
از آنجایی که تنظیم پارامترهای بهینه این میراگرها وابسته به فرکانس اصلی سازه میباشد؛ در هنگام وقوع زلزله و ایجاد آسیب در سازه فرکانس سازه تغییر یافته و عملکرد میراگرهای غیرفعال را با چالش مواجه میکند. در این کار با استفاده ازترکیب مباحث پایش سلامت سازهای وکنترل نیمه فعال سازهها، روشی برای مقابله با این چالش پیشنهاد شده است.
در الگوریتم پیشنهادی فرکانس و میرایی TMD نیمه فعال براساس آسیبهای شناسایی شده در سازه به گونهای تنظیم میگردد که با شرایط فرکانسی جدید در سازه منطبق شود. عملکرد و کارایی روش پیشنهادی با استفاده از یک مثال عددی تحت اثر رکوردهای مختلف زلزله مورد ارزیابی قرار میگیرد. نتایج نشان میدهد که الگوریتم پیشنهادی در مقایسه با کنترل غیرفعال پاسخ جابجایی سازه را تحت اثر سه زلزله کوبه، نیوهال و سیلمار به ترتیب تا 30 ،16 و7 درصد بیشتر کاهش میدهد و در مقابل تغییرات ناگهانی فرکانس سیستم نیز پایدار است.
1. مقدمه
سازههای مهندسی در طول عمر خود ممکن است تحت تاثیر عوامل خارجی دچار آسیب شوند. ایجاد آسیبهای شدید در سازهها میتواند منجر به خرابی شود. ارتعاشات به وجود آمده ناشی از عواملی چون زلزله، باد، انفجار و ... میتواند آسیبهای جدی در سازه ایجاد کند. سازههایی که با روشهای معمول طراحی میگردند؛ با تکیه بر رفتار شکل پذیری، انتظار میرود که در آنها آسیبهای جدی به وجود نیاید.
در صورتی که این رفتار در سازه به وجود نیاید؛ سازه دچار آسیبهای جدی میگردد. که میتواند منجر به خسارات فراوانی در پدیدهای چون زلزله شود. از اینرو استفاده از روشهایی که در حین وقوع زلزله بتواند پاسخ سازه را کاهش داده و از شدت آسیب به وجود آمده در سازه بکاهد ضروری به نظر میرسد. هوشمند سازی ساختمانها به این معنی که سازه بتواند در هرلحظه وضعیت خود را شناسایی کرده و خود را با آن تطبیق دهد، از راهکارهایی است که امروزه به طور موثر جهت نیل به این هدف استفاده میشود.
میراگرها از جمله ابزارهای رایج در هوشمند سازی سازهها هستند که انواع مختلف آنها در کارهای کنترل سازه استفاده میگردد. TMD یکی از میراگرهایی است که تاثیر آن در کاهش پاسخ سازه به اثبات رسیده است. یک TMD مجموعهای است شامل یک جرم، یک فنر و یک میراگر که به منظور کاهش پاسخ دینامیکی سازه به آن وصل میشود
تجهیزات TMD معمولا در بالاترین ارتفاع ساختمانها برای کاهش ارتعاشات ناشی از نیروی باد یا زلزله نصب میگردند. تحقیقات زیادی در زمینه این نوع میراگر در ادبیات مهندسی انجام شده است. ارموندروید و دن هارتوگ [2] عملکرد TMD برای یک سازه تک درجه آزادی تحت بار هارمونیکی را بررسی کردند.
سادک و همکاران [3] روشی را برای یافتن پارامترهای بهینه میراگر جرمی تنظیم شده ارائه دادند. این پارامترها از محاسبه پاسخ چندین سازه یک درجه و چند درجه آزادی با نسبت جرم ثابت و مقادیر مختلف نسبت فرکانس و نسبت میرایی TMD تحت اثر چندین رکورد زلزله محاسبه شدند.
سلوی و ریزی [4] با اعمال رکوردهای مشخص به یک قاب نمونه و اعمال الگوریتم حداقل کردن حداکثرها روشی جدید برای تنظیم پارامترهای بهینه TMD غیرفعال ارائه نمودند. لیو وهمکاران [5] روشی عددی برای کنترل ساختمانهای بلند مرتبه تحت اثر باد شامل در نظر گرفتن اندرکنش خاک-سازه ارائه دادند. فرشیدیفر و سهیلی [6] با استفاده از روش بهینهسازی کلونی مورچگان الگوریتمی را برای طراحی بهینه پارامترهای TMD به منظور کاهش پاسخهای لرزهای ساختمانهای بلند با در نظر گرفتن اثرات اندرکنش خاک و سازه پیشنهاد دادند.
واراداراجان وناگاراجا [7] عملکرد میراگر TMD مجهز به دستگاه کنترل نیمهفعال با سختی متغیر را به منظور کنترل پاسخهای دینامیکی یک ساختمان مبنا مورد بررسی قرار دادند. مدل پیشنهادی در مقایسه با TMD غیرفعال، که فقط در یک فرکانس ثابت تنظیم میشود، در مقابل تغییرات فرکانس اصلی سازه ناشی از آسیب وارده به آن مقاومتر است.
ناگاراجا و واراداراجان [8] در مورد این میراگر نشان دادند که TMD مجهز به دستگاه کنترل نیمهفعال با سختی متغیر قادر است تا به طور پیوسته سختی خود را تغییر داده و فرکانس خود را براساس فرکانس غالب سازه به صورت لحظهای دوباره تنظیم نماید. در حالی که TMD معمولی تنها در یک فرکانس ثابت که آن هم فرکانس اصلی سازه است تنظیم میشود. ناگاراجا و سونمز [9] کاربرد میراگرهای جرمی تنظیم شده منفرد و چندگانه مجهز به دستگاه کنترل نیمهفعال دارای سختی متغیر را به منظور کنترل پاسخ دینامیکی سازههای چند طبقه تحت اثر بارهای دینامیکی مورد بررسی قرار دادند.
میراندا [10] با ارائه یک مدل تئوری بر مبنای انرژی توانست روشی تازه برای تنظیم TMD در حالت غیرفعال ارائه دهد. وی در تحقیق دیگری [11] روشی برای تنظیم میراگرهای جرمی جهت کاربردهای لرزهای ارائه داد. در این روش یک نقطه از چندین نقطه پیچیده مقادیر ویژه و بردارهای ویژه سیستم شناسایی شده و در نتیجه پارامترهای لازم برای طراحی TMD براساس موقعیت قرارگیری باتوجه به شرایط آن تعیین میگردد.
چانگ و همکاران [12] یک کنترلگر جدید را که اساس آن بر مبنای کنترل حالت سیستم است برای تنظیم میراگرهای TMD نیمه فعال ارائه دادند. سون و ناگاراجا [13] یک میراگر TMD نیمه فعال - 1 STMD - با نسبت میرایی و سختی متغیر را تحت بار لرزهای مورد مطالعه قرار دادند. تغییرات نسبت میرایی STMD براساس مقدار جابجایی آن تنظیم میشود. اگر دامنه STMD افزایش یابد نسبت میرایی آن روی صفر تنظیم میگردد؛ در غیر این صورت یک مقدار غیرصفر را اختیار خواهد کرد.
سختی STMD براساس جابجایی سازه اصلی تنظیم میشود که تحلیل آن از یک الگوریتم کنترل بر پایهی تبدیل فوریه کوتاه مدت استفاده میکند. نتایج به دست آمده حاکی از آن است که میراگر STMD با نسبت میرایی و فرکانس متغیر به صورت قابل توجهی ارتعاش سازه را، حتی با وجود آسیب ناشی از زلزله، به سرعت میرا کرده و با سازه اصلی هماهنگ باقی میماند. این در حالی است که TMD بهینه شده وقتی که آسیب به وجود میآید از حالت تنظیم شده خارج میشود.
در مطالعه حاضر عملکرد یک میراگر جرمی تنظیم شده نیمه فعال که دارای سختی و میرایی متغییر جهت تطبیق با شرایط سازه است؛ تحت ارتعاشات ناشی از زلزله و شرایطی که در سازه آسیب ایجاد میشود بررسی میگردد. با انجام آنالیز مودال یک سیستم یک درجه آزادی دارای STMD تاثیر پارامترهای میراگر بر پاسخ سازه بررسی میشود. در این مطالعه یک کنترلگر پیشنهادی به گونهای طراحی میگردد تا براساس آسیبهای شناسایی شده در سازه، فرکانس STMD تنظیم شده و بتواند شرایط بهینه خود را در هر لحظه حفظ نماید.
