بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله به کنترل فعال ارتعاش از قابهای برشی چند درجه آزادی - - MDOF تجهیز شده با محرک میلهای کششی فعال1 پرداخته شده است. محرک میلهای کششی فعال یک نوع از سیستمهای نیرویی کنترل فعال میباشد که با استفاده از المانهای کششی و دستگاه هیدرولیکی به کنترل پاسخ سازه میپردازد. مدل سازی سازه هوشمند و طراحی کنترل با استفاده از نرمافزار MATLAB به فرم فضای حالت صورت گرفته است. جزییات طراحی کنترل بازخورد ارائه گردیده است.
روش کنترل کننده جایدهی قطبها - PPC - 2 و روش کنترل کننده بهینه مرتبه دو - LQR - 3 در الگوریتم کنترلی به کار گرفته شده و عملکرد آنها مورد ارزیابی قرار گرفته است. مقایسه نتایج هر دو روش نشان داده است که کنترل سازه با محرک میلهای کششی فعال یک رویکرد مناسب برای بهینه سازی طراحی سازه هوشمند است به طوری که تحت تحریکات شتاب نگاشتهای لرزهای موثر حدود 30 تا 80 درصد پاسخ سازه را نسبت به حالت کنترل نشده کاهش مییابد. همچنین نتایج نشانگر آن است که محل دستگاه محرک میلهای کششی فعال به طور قابل توجهی بهرهوری سیستم کنترل را تحت تاثیر قرار میدهد.
-1 مقدمه:
یکی از کاربردهای مهم مهندسی زلزله حذف یا کاهش ارتعاش سازهها در برابر تحریکات میباشد. انواع تکنیکهای کنترلی از قبیل سیستمهای غیر فعال، فعال و هایبرید برای کاهش ارتعاشات سازهها به کار میرود. در روش کنترل غیر فعال با استفاده از دستگاههای مکانیکی به اتلاف بخشی از انرژی ورودی به سازه، کاهش پاسخ و خسارت محتمل سازهای پرداخته میگردد.
برای مثال میتوان به استفاده از میراگرهای جرمی تنظیم شونده، جداگرهای لرزهای، میراگرهای اصطکاکی و میراگرهای ویسکوز در سازهها اشاره کرد.[1] با این حال، نمیتوان عملکرد سیستمهای غیر فعال را در برابر منابع ارتعاش مانند زلزلههای دارای محتوای فرکانسی غالب متفاوت تضمین نمود. این سیستمها غیر فعال دارای ظرفیت ذاتی محدود اند و توانایی سازگاری و تطبیق پذیری با تغییرات تحریک خارجی و پاسخ سازه ندارند. همچنین دستگاههای غیر فعال معمولا وزن زیادی دارند، در حالی که در بسیاری از برنامههای بهسازی لرزهای به کاهش یا نگه داشتن وزن به میزان امکانپذیر مورد نظر است.
بنابراین برای محافظت از سازه در برابر ارتعاشات شدید و زلزلههای قوی احتیاج به سیستمهایی است که تطبیقپذیری کامل با تحریکات حرکت زمین و پاسخ سازه داشته و به اهداف کنترلی مورد نظر دست یابد. به منظور تصحیح پاسخ سیستم به شیوه دلخواه، میتوان ورودی ثانویهای به سازه اضافه کرد. این امر به وسیله کنترل فعال ارتعاش که توانایی تحریک سیستم به شیوه کنترل شده دارد، انجام میشود. بسیاری از محققان در دهه گذشته به مدل سازی سازه فعال جذب شدهاند
سازه فعال یا سازه هوشمند شامل سه بخش اصلی حسگرها، کنترل کنندهها و محرکها میباشند. حسگرها که در طبقات سازه نصب گردیدهاند، پاسخ سازه را اندازهگیری نموده و خروجی آنها تغذیه کننده واحد کنترل کننده سازه است که از طریق الگوریتم کنترلی مسئول کنترل ورودی به محرک به منظور کاهش ارتعاش سازه میباشد.[5] واضح است که تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی و بالعکس نیازمند یک سیستم کنترل است. سیستم نیروی کنترلی مجموعهای از محرک هیدرولیکی و المانهای کششی است.
-2 سیستم میلهای کششی فعال:
سیستم کنترل میلهای کششی فعال شامل یک مجموعه از المانهای پیش تنیده تحت کشش که به وسیله مکانیسم فرمانبر الکتروهیدرولیکی کنترل میگردند، میباشد. پیکربندی سیستم کنترل فعال با استفاده از میله کششی فعال در شکل 1 نشان داده شده است. میلههای کششی فعال بین دو طبقه سازه ساختمانی نصب میگردد. سیلندر محرک به طبقه زیرین متصل میشود. یک انتهای میله به طبقه بالایی و انتهای دیگر آن به پیستون محرک متصل است. تحت تحریک زلزله، ارتعاش سازه باعث گریز4 طبقه شده که با حرکت نسبی پیستون از سیلندر محرک باعث میگردد که کشش در میلههای کششی پیش تنیده را تغییر کرده و منجر به اعمال نیروی کنترل دینامیکی به سازه جهت کاهش پاسخ لرزهای شود
کنترل به طریق میله کششی فعال به طور تحلیلی7]، [8 و آزمایشگاهی[9] مورد مطالعه قرار گرفته است. یک سازه 6 طبقه با مقیاس کامل به وزن 600 تن با سیستم میله کششی فعال در توکیو، ژاپن، اجرا و مورد آزمایش قرار گرفته است.[10] هر دو نتایج آزمایشگاهی و شبیهسازی نشان دهنده کاهش قابل توجه در پاسخ لرزهای سازه هوشمند با استفاده از سیستم میله کششی فعال است.
میلهها کششی فعال میتواند در هر دو مد پالسدار و مد زمانی پیوسته عمل کنند. بنابراین کنترل به وسیله میله کششی فعال میتواند هم در بارگذاری پیوسته زمانی و هم در بارگذاری پالسی با طریق الگوریتم کنترل تطابق یابد. یکی دیگر از مزیتهای میلهها کششی استفاده از این سیستمها در سازههای موجود است، که در آن نیاز به تغییرات در سازه را به حداقل میرساند.
شکل 1 طرح شماتیک از سیستم میله کششی فعال در سازه یک درجه آزادی
-3 مدل دینامیکی قابهای سازهای:
برای تحلیل و طراحی سازه فعال، مهم است که درک صحیحی از ویژگیهای سیستم ارتعاشی مورد نظر داشت. بنابراین تشکیل مدل دقیق از سیستم سازه واقعی یک امر مهم است. رایجترین روش مدل سازی، استفاده از روابط فیزیکی برای بدست آوردن یک مدل ریاضی که سیستم را توصیف میکند، است.
برای سازههای قابی، تحلیل دینامیکی سازه معمولا بر مبنای مدل پارامتری جرم متمرکز صورت میگیرد. در این سیستم فرض بر این است که جرم و سختی سازه به ترتیب در کفها و ستونها متمرکز شدهاند. ماتریس میرایی نیز با فرض ترکیب خطی از ماتریس جرم و سختی، میرایی رایلی، ایجاد شده است.بنابراین معادله حرکت سازه قاب ساختمانی خطی با n درجه آزادی و تجهیز شده با سیستم محرک میلهای کششی فعال که در معرض تحریک لرزهای است به صورت زیر ارائه می گردد
-4 طراحی کنترل کنندهها:
در این مطالعه، روش بهینه درجه دو - LQR - و روش کنترل کننده جایدهی قطبها - PPC - به عنوان کنترل کننده فعال ارتعاش برای قاب سازهای در نظر گرفته شده است. تئوری کنترل بهینه خطی برای سیستم های دینامیکی مرتبه اول توسعه داده شده است. به منظور اعمال این تئوری برای کنترل پاسخ لرزهای،معادله حرکت مرتبه دوم - 1 - با استفاده از تعریف بردار حالت - Z - t به فرم فضای حالت مرتبه اول بیان میگردد
