بخشی از مقاله
چکیده
میراگرهای جرمی تنظیمشده از جمله ابزارهای کنترل ارتعاش سازهها هستند که با هماهمنگ شدن با خصوصیات سازه میتوانند انرژی ارتعاشی سازه را مستهلک کرده و پاسخ آن را کاهش دهند. به منظور بهبود عملکرد میراگرهای جرمی تنظیمشده و کاستن حساسیت آنها نسبت به فرکانس تنظیم، سازوکارهای فعال، نیمهفعال و وفقی متنوعی برای این سیستمها پیشنهاد شده است.
در این پایاننامه سازوکاری جدید برای تغییر مشخصات ارتعاشی یک سیستم میراگر جرمی ارائه میشود که اساس آن بر تغییر گشتاور اینرسی جرمی استوار است. طراحی این سیستم به صورت یک میراگر جرمی آونگی انجام میپذیرد. طرح این آونگ به گونهای است که جرمهای متصل به آن میتوانند به صورت محدود تغییرمکان داده و آرایشی جدید اتخاذ کنند. با ترکیببندی جدید آونگ، گشتاور اینرسی جرمی تغییر یافته و فرکانس ارتعاش آن بازتنظیم میشود
مدلسازی و شبیهسازی ابزار پیشنهادشده در قالب یک سیستم کنترل ارتعاش برای سازه یک درجه آزادی انجام میشود. پارامترهای طراحی سیستم کنترل با تشکیل جدولی از مقادیر مختلف پارامترها توسط روشهای جستجوی عددی بهینه میشود. نتایج به دست آمده از شبیهسازی سیستم کنترل پیشنهادی حاکی از عملکرد مؤثر و قابل اطمینان ابزار کنترل و کاهش 34 درصدی حداکثر پاسخ سازه نسبت به حالت کنترل با میراگر آونگی معمولی تنظیمشده است.
مقدمه
کاهش اثرات مخرب نیروهای شدید دینامیکی مانند زلزله و بادهای قوی بر سیستمهای سازهای از عمدهترین چالشها در مهندسی عمران است. یافتن راهکاری مؤثر به منظور حفاظت از سازهها در برابر این تهدیدها موضوعی است که توجه محققان بسیاری را به خود جلب نموده است. کنترل ارتعاشات سازهها دانشی است که به طور ویژه به تنظیم خصوصیات سازهای جهت کسب رفتار مطلوب سازه در اثر بارگذاری خارجی میپردازد. تنظیم خصوصیات سازه شامل مواردی مانند اصلاح جرم، میرایی و سختی سازه است به گونه ای که پاسخ سازه به رفتار مورد نظر طراح متقارب گردد.
علاوه بر این امکان کاهش سطح نیروهای خارجی که به سازه وارد میشود و یا اعمال نیروهایی که ارتعاش نامطلوب سازه را سرکوب کند نیز در کنترل ارتعاشات مورد بررسی قرار میگیرد. به منظور کاهش اثرات مخرب ارتعاشات، روشهایی بسیار متنوع در زمینه کنترل ارتعاشات سازهای ارائه شده است - اسپنسر و ناگاراجایا، . - 2003 یکی از این روشها استفاده از سیستم میراگر جرمی تنظیمشده - TMD - 1 میباشد.
TMDها به واسطه انتقال انرژی از سازه به جرم خود و مستهلک کردن آن، پاسخ سازه را کاهش میدهند. این سیستمها اقتصادی و بهصرفه هستند و حتی در سازههای موجود نیز قابل نصب میباشند. استفاده از این سیستمها به ویژه در سازههای بلندمرتبه اقتصادیتر از طراحی بر مبنای روشهای سنتی خواهد بود.
با وجود اینکه TMDها کاربردی گسترده در سیستمهای کنترل دارند، چندین نقطه ضعف نیز بر آنها مترتب است. عملکرد TMD به شدت به فرکانس انتخاب شده برای تنظیم بستگی دارد - کریم، - .2007این فرکانس معمولاً از دو روش به دست میآید. روش اول آن است که این فرکانس بر مبنای مدل ریاضی سازه تعیین میشود. مشکل عمده این روش این است که مدل ریاضی سازه، با آنچه که در واقعیت ساخته میشود تفاوتی بارز داشته و فرکانسی که از این روش به دست میآید، تنها یک تخمین از فرکانس سازه است و متفاوت است با آنچه در عمل وجود دارد.
روش دوم تعیین فرکانس تنظیم بر مبنای اندازهگیری و ثبت مشخصات ارتعاشی سازه واقعی استوار است. دقت این روش به طور قابل ملاحظهای نسبت به روش اول بیشتر است، اما پیچیدگیهای مربوط به تعبیه وسایل اندازهگیری پاسخ سازه و هزینههای آن از مشکلات آن محسوب میشود. همچنین با توجه به تغییرات احتمالی در عملکرد سازه، ممکن است این فرکانس تغییر کند. از جمله این تغییرات میتوان به تغییر سختی سازه درنتیجه تغییر مشخصات مصالح و یا اضافه شدن بارگذاریهای دینامیکی ناشی از ماشین آلات و دستگاههای مکانیکی اشاره کرد.
به منظور مرتفع نمودن این نقص TMD، انواع دیگری از آن از جمله میراگر جرمی آونگی پیشنهاد شده است. در این سیستمها به جای فنر و میراگر، از آونگی استفاده میشود که شامل یک جرم معلق متصل به کابل است. همانطور که در شکل 1 مشخص است، این کابل در انتهای فوقانی خود به سازه متصل شده و حول آن نقطه قادر به دوران است. این ترکیببندی آونگ ساده نامیده میشود. چنانچه زاویه دوران آونگ در بازهای کوچک نوسان داشته باشد، رفتار آن دقیقاً مانند یک TMD انتقالی با سختی معادل و نسبت میرایی معادل خواهد بود - کانر، . - 2003 از این رو قوانین حاکم بر سیستم و روابط تحلیلی و مبانی طراحی TMD آونگی، مشابه TMD انتقالی میباشد.
سیستمهای TMD آونگی نیازی به تکیهگاههای غلتکی برای تحمل وزن جرم و مقید ساختن حرکت آن ندارند. این گونه تکیهگاهها که در TMD انتقالی استفاده میشوند، معمولا پر هزینه و مستعد فرسودگی هستند. بنابراین با صرف هزینه کمتری میتوان به دوام بیشتر و طول عمر مطلوب دست پیدا کرد. این موضوع به عنوان انگیزهای مهم برای گسترش این سیستم ها بدل شده است - کانر، . - 2003 حدود 50 درصد از سازههایی که در ژاپن به سیستمهای TMD مجهز شدهاند، از ترکیببندی آونگی آن بهره بردهاند - کریم، . - 2007 از نمونههای شاخص TMD آونگی، میتوان به آنچه در برج تایپه 101 - شکل - 2 به کار رفته است، اشاره کرد.
میراگر جرمی آونگی وفقی
روشهایی متعدد برای تغییر مشخصات ارتعاشی سیستمهای TMD ارائه شده است. ستاره و همکاران - 2007 - با تغییر میرایی یک TMD آونگی به وسیله میراگر مغناطیسی - شکل - 3 ، یک سیستم کنترل نیمهفعال پیشنهاد کردهاند. محمدی قاضی و همکاران - 2012 - ابزاری برای کاهش ارتعاشات دورانی ارائه کردهاند که با تغییر فاصله مرکز جرم قطعات محرک تا مرکز دوران - شکل - 44، میتوان مشخصات ارتعاشی آن را تغییر داد.
