بخشی از مقاله
چکیده
روشهای مختلفی برای کنترل سازه در برابر زلزله وجود دارد دراینبین میراگرهای جرمی تنظیمشده از پرکاربردترین سیستمهای کنترلی میباشند که با چیدمانهای مختلف در سازه به کار میروند. در این پژوهش در سازه فلزی 11 طبقه، سیستم جرم تنظیمشده فعال - - ATMD و یک سیستم جرم تنظیم شده ترکیبی که در اینجا - APTMD - نامیده شده است، برای کاهش پاسخ سازه تحت زلزله به کار رفتهاند.
سیستم APTMD شامل دو TMD فعال و غیر فعال است که به صورت سری به سازه متصل شدهاند. به جهت مقایسه عملکرد این دو میراگر هر دو سیستم روی بام سازه قرار دارند و جرم TMD ها %5 جرم کل سازه است که در APTMD با نسبتهای %80 و %20 جرمها توزیعشدهاند. به منظور تحلیل نتایج، کاهش پاسخ حداکثر تغییر مکان و شتاب مطلق و RMS پاسخهای تغییر مکان و شتاب سازه تحت زلزلههای میدان دور السنترو و هاچینوهه بررسیشده است. نتایج نشان میدهد سیستم ترکیبی عملکرد بهتری دارد.
-1 مقدمه
سازههای مهندسی عمران در طول عمر خود میتوانند تحت اثر تحریکات مختلفی از قبیل نیروی زلزله و باد قرار گیرند. اگر شدت بارهای وارده و نیز ارتفاع سازه افزایش یابد، دیگر سختی و میرایی سیستمهای مقاوم، قابلیت تحمل بارهای جانبی وارده را ندارد؛ بنابراین استفاده از روشهای کنترل سازه برای کاهش پاسخها و خسارت وارد بر سازه الزامی است.
روشهای کنترل سازه به دو دسته کلی فعال و غیرفعال تقسیمبندی میشوند. علی رغم اینکه روشهای کنترل غیر فعال به سبب کاربرد ساده و قابلیت اعتماد بالا، بسیار مورد استفاده قرار میگیرند، ولی دارای محدودیتهایی از قبیل محدود بودن ظرفیت نیروی کنترل و عدم تطبیق پذیری با تحریکات و بارگذاریهای مختلف میباشند. میراگر جرمی تنظیم شده - TMD - یکی از قدیمیترین و در عین حال، رایجترین ابزارهای کنترل غیر فعال است که نخستین بار توسط فرام [1] در سال 1909 برای کاهش حرکت متلاطم کشتیها استفاده شد.
بعد از وی تلاشهای فراوانی در زمینه تعیین پارامترهای بهینه TMD برای کاهش هر چه بیشتر پاسخ سازهها تحت بارگذاریهای مختلف انجام پذیرفت .[2-3] اکثر این پژوهشها، ظرفیت محدود TMD در کاهش پاسخ سازه، تحت بعضی از بارگذاریهای خاص را نشان دادند. با توجه به محدودیتهای مربوط به سیستمهای کنترل غیر فعال از جمله TMD، سیستمهای کنترل فعال در سازهها مطرح شدند.
یااو [4] نخستین فردی بود که روابط کنترل مدرن در مهندسی عمران را در سال 1972 مطرح نمود. مفهوم کنترل فعال سازهای در مهندسی عمران را مطرح کرد. سیستمهای کنترل فعال برای اعمال نیروی کنترل به یک منبع خارجی انرژی نیاز دارند. یکی از مزایای این نوع از سیستمهای کنترلی، ظرفیت بالای آنها در ایجاد نیروی کنترل است. در عین حال، سیستمهای کنترلی فعال دارای معایبی از قبیل قیمت بالای تجهیزات سیستم کنترل فعال، پدیده تأخیر زمانی و وابسته بودن به توان خارجی نیز میباشند.
میراگر جرمی تنظیم شده - ATMD - یکی از ابزارهای کنترل فعال سازهای است که مطالعات وسیعی تاکنون بر روی آن صورت پذیرفته است. بخش گستردهای از این مطالعات مربوط به الگوریتمهای کنترل فعال مورد استفاده در کنترلکننده در ATMD برای ایجاد نیروی کنترل است. در سالهای اخیر تلاشهای فراوانی در ارتباط با الگوریتمهای کنترل فعال بر پایه ریاضیات، از قبیل روش کنترل بهینه [5] LQR، روش اختصاص قطب [6] - Pole assignment - و روش بنگ - بنگ [7] - Bang-Bang - ، برای کاهش ارتعاشات سازهها صورت پذیرفته است.
ولی با این وجود، کاربرد سیستمهای کنترلی هوشمند نظیر فازی در سالهای اخیر، بسیار مورد توجه بوده و کماکان رو به گسترش است. علت این امر، ویژگیهای منحصر به فرد کنترلکننده فازی از قبیل عدم نیاز به مدل ریاضی برای طرح سیستم کنترلی، استفاده از تجربه انسانی برای اعمال نیروی کنترل و قابلیت درک بهتر رفتار غیرخطی سازه در تغییر شکلهای بزرگ است. یکی از نخستین موارد استفاده از کنترلکننده منطق فازی برای ایجاد نیروی کنترل در ATMD، پژوهشی است که توسط باتاینی و همکاران [8] در سال 1998 انجام شد.
در این پژوهش از یک سازه معیار 3 طبقه به همراه ATMD با کنترلکننده منطق فازی استفاده شد و این سازه تحت شتاب پایه زلزله قرار گرفت و معیارهای عملکردی سیستم کنترلی از قبیل توانایی آن در کاهش RMS شتاب طبقه بام، کاهش تغییرمکان طبقه بام و غیره - معیارهای J1 تا - J10 در آن بررسی شد. بعد از آن، آل - داوود و همکاران [9-10] در چند پژوهش مختلف از دو سازه معیار 5 و 76 طبقه استفاده نمودند و این سازهها را تحت زلزلههای مختلف، باد طولی و باد عرضی قرار دادند و برای کنترل سازه از ATMD با کنترلکننده منطق فازی استفاده نمودند.
کنترلکننده پیشنهادی توسط آنها با کنترل کنندههای LQR و LQG مقایسه شد. نتایج نشان داد که کنترلکننده منطق فازی، دارای عملکرد بهتری نسبت به کنترلکنندههای یاد شده است. احلاوات و همکاران [11] نیز از سازه معیار 76 طبقه استفاده نمودند و ATMD با کنترلکننده منطق فازی با خواص بهینه شده توسط الگوریتم ژنتیک را بر روی آن قرار دادند. آنها شاخصهای شتاب و تغییرمکان را حداقل نمودند. نمونه دیگری از کاربرد الگوریتم ژنتیک در کنترلکننده منطق فازی، توسط پورزینلی و همکاران [12] انجام شد.
آنها ATMD با کنترلکننده منطق فازی را بر روی یک سازه برشی 11 طبقه قرار دادند و از الگوریتم ژنتیک برای تنظیم ضرایب وزنی پایگاه قواعد فازی و تعیین مشخصات بهینه میراگرجرمی استفاده کردند. آنها سازه مذکور را تحت 4 زلزله النسترو، کوبه، هاچینوهه و نورثریج قرار دادند و پاسخ سازه را با پاسخهای حاصل از سازه کنترل شده با TMD و سازه کنترل شده با ATMD با کنترلکننده LQR مقایسه کردند. آنها نشان دادند که کنترلکننده فازی- ژنتیک، دارای عملکرد بهتری در کاهش پاسخ سازه نسبت به روش کنترل بهینه LQR است.
همچنین، الگوریتم فازی به همراه الگوریتم کنترلی لغزشی نیز به کار رفته است. ونگ و همکاران [13] از کنترلکننده فازی لغزشی برای ایجاد نیروی کنترل در ATMD استفاده نمودند و نشان دادند که کنترلکننده پیشنهادی، در کاهش پاسخ سازه مؤثر است. در یکی از آخرین پژوهشهای انجام گرفته در زمینه کاربرد کنترلکننده منطق فازی برای ایجاد نیروی کنترل در ATMD، گوکلو و همکاران [14]، ATMD با کنترلکننده منطق فازی را روی یک سازه برشی 15 طبقه قرار دادند. نتایج به دست آمده، بیانگر کارایی خوب کنترلکننده منطق فازی، تحت بارها و زلزلههای مختلف بود.
یکی از انواع سیستمهای کنترل ترکیبی سیستمهای میراگر جرمی هیبرید HMD - - میباشند و ترکیبی از TMD و یک محرک کنترل فعال. قابلیت این دستگاه در کاستن پاسخهای سازهاساساً متکی بر حرکت طبیعی TMD میباشد. نیروها به وسیله محرک کنترل جهت افزایش کارایی TMD اعمال میشود. انرژی و نیروهای مورد نیاز برای فعال کردن HMDمعمولاً بسیار کمتر از یک سیستم جرم فعال مشابه است. محققین زیادی در پیشرفتهای HMD نقش داشتهاند.
یامازاکی و همکاران [15] در 1995 از دو HMD پاندولی چندمرحلهای استفاده کردند و در برج یوکاهامو که بلندترین برج ژاپن در آن زمان بود نصب کردند. سامانتا و بانرجی [16] در سال 2011 میراگر ترکیبی جرمی مایع را در کنترل ارتعاش لرزهای سازهها کار کردند. برای بدست آوردن بهترین حالت کارایی میراگر ترکیبی مایع، مقدار بهینه سختی فنر دوم مورد توجه قرار گرفت. نتایج کار نشان داد میراگر ترکیبی نسبت به سیستم تک میراگر مایع، بیشینه شتاب را بیشتر کم میکند و کارایی سیستم ترکیبی تحت زلزلههای مختلف متفاوت است.
زهرائی و بیگلریان [17] درسال 2014 عملکرد سیستمهای ترکیبی سری میراگر جرمی با سیستم تک میراگر ستون مایع مقایسه کردند. نتایج حاکی از آن بود که عملکرد سیستم ترکیبی سری بسته به مشخصات زلزلههای مختلف، فرق میکند و با افزایش نسبت جرمی جرم دوم و نیز با انتخاب نسبت فرکانسی بهینه براساس پاسخها، کارایی میراگر ترکیبی سری افزایش مییابد. نوع خاصی از این میراگرهای ترکیبی که از یک TMD و یک ATMD بر روی آن میباشد توسط Nishimura و همکارانش [18] در 1992 پیشنهاد شد که کنترل کننده فعال-غیر فعال ترکیبی - Active-Passive composite TMD - نامیده میشود. این سیستم در بعضی مراجع [15] با نام - DUOX HMD - نیز معرفی شده است.
