بخشی از مقاله
چکیده
میرایی و شکلپذیري کم سازههاي بلند سبب افزایش احتمال خرابی این سازهها در برابر بارهاي خارجی مانند زلزله و باد می-شود. استفاده از سیستمهاي کنترلی در طراحی سازهها از راهکارهاي کاهش اثر این نیروهاي دینامیکی بر سازه میباشد. یکی از ابزارهاي مورد استفاده در کنترل نیمهفعال، میراگرهاي 1MR هستند که با سیال کنترل شونده توسط میدان مغناطیسی کار میکنند.
به دلیل اهمیت بالاي کنترل ارتعاشات ساختمانهاي بلند در مقابل نیروهاي دینامیکی باد، در این مقاله، یک قاب 20 طبقه فولادي در حالت کنترل نیمه فعال با وجود میراگر MR و با حضور مدل وارون مورد بررسی قرار میگیرد. هدف از این تحقیق، بررسی عملکرد میراگر MR بزرگ مقیاس و الگوریتم میرایی تنظیم شده در ساختمانهاي بلند تحت اثر نیروي دینامیکی باد میباشد. مقایسه پاسخهاي سازه در حالت کنترل نیمهفعال با الگوریتم کنترلی LQR نسبت به حالت کنترل نشده بیانگر کارایی مناسب میراگرهاي MR در کاهش پاسخهاي سازههاي بلند در برابر نیروي باد است.
1. مقدمه
مهندسی باد طی دهههاي اخیر براساس کوشش هدفداري در گسترش ابزاري به عنوان تخمین آثار باد برروي سازههاي حساس، مدرن و با ظرافت بالا، حاصل گردیده است. وظیفه مهندس طراح است که از مقاومت اجزاي سازه تحت اثر نیروي باد در طی عمر پیش بینی شده براي آن، هم از نظر ایمنی ساز هاي و هم از نظر سرویسپذیري اطمینان حاصل کند.
در ساختمانهاي بلند به علت فراوانی طبقات و ثقیل بودن ساختمان، بارهاي طراحی ستونها و شالودهها زیادگردیده و این امر باعث افزایش سطح مقطع ستونها و شالودهها و بادبندها میشود، گذشته از مسئله صرفه جویی در زمان ساخت، بیشتر به لحاظ صرفه اقتصادي، طراحان سعی در استفاده از مصالح با وزن کم و با مقاومت زیاد دارند که این امر به نوبه خود باعث افزایش انعطاف پذیري وکاهش میرایی سازه میشود. به همین دلیل در ساختمانهاي بلند برخلاف ساختمانهاي کوتاه، طراحی در مقابل بارهاي جانبی باد، اهمیت مییابد .[1]
امروزه در روشهاي مدرن طراحی، با استفاده از سیستمهاي کنترل سازه، مانند سیستمهاي کنترل فعال، غیرفعال و نیمه فعال سبب افزایش قدرت جذب انرژي و یا تغییر در فرکانس طبیعی سازه میشوند. به وسیله این روشهاي کنترلی پاسخهاي سازه از قبیل تغییرمکان، سرعت، شتاب و نیروي برشی طبقات به گونهایی کاهش می یابد که مقادیر پاسخ هاي سازه از مقادیر مجاز فراتر نروند و در نتیجه خسارات وارده بر سازه کاهش می یابد. بدین وسیله ارتعاشات سازه در مقابل نیروهاي جانبی تحت کنترل در می آید .[2]
نمونهاي از مطالعات در این زمینه توسط ژانک2 و ژو3 در سال 2001، با هدف کنترل فعال ارتعاشات سازهي بلندي تحت اثر تحریکات باد، با الگوریتم کنترلی LQG انجام شده است.[3] لیانگ٤ و همکارانش در سال 2002 ، مطالعات خود را روي نیروهاي باد عرضی در سازههاي بلند مستطیلی با نسبتهاي اضلاع مختلف که در تونل باد تحت زاویه نرمال باد قرار گرفتهاند متمرکز کردند.[4] هولمز5 و همکارانش در سال 2008، مطالعاتی روي محاسبه بار باد روي سازههایی با ارتفاعهاي متفاوت انجام دادند.[5] در سال 2011 پتیل٦ در مطالعهاي رفتار دینامیکی یک ساختمان بنچ مارك تحت تحریک باد را با استفاده از دمپر اصطکاکی نیمهفعال٧ - SAEMFD - مورد بررسی قرار داد.[6]
2. بررسی اثر نیروي باد در ساختمان هاي بلند
امروزه با توجه به کمبود زمین در شهرهاي بزرگ و افزایش روز افزون جمعیت، ساختمانهاي بلند جایگاه ویژهاي پیدا کرده اند. از طرفی شکل و نماي ساختمانهاي بلند با گذشته تفاوت دارد و اگر این تغییرات در آینده نیز ادامه یابد، دیري نمیپاید که بشر رؤیاي ساخت ساختمانهایی به ارتفاع یک مایل را تحقق بخشد. از نظر سازهاي، تعاریف متفاوتی براي ساختمانهاي بلند وجود دارد.
عدهاي ساختمانی را بلند میگویند که ارتفاع آن باعث شود، نیروهاي جانبی - باد و زلزله - بر طراحی آن اثر قابل توجهی گذارند و یا سازهاي را که پریود آن از 0/7 ثانیه بیشتر باشد؛ سازه بلند میدانند. برخی هم نسبت ارتفاع به بعد سازه را ملاك این طبقهبندي دانسته و نسبتهاي ارتفاع به بعد 1/5π، π، π /2و π /3 را به ترتیب مربوط به سازه بسیار بلند، بلند، متوسط و کوتاه میدانند.[7] در حالت کلی ساختمانهاي بلند در مقابل نیروهاي وارده از باد داراي سه نوع حرکت همزمان میباشند که عبارتند از: حرکت در امتداد وزش باد، حرکت در جهت عمود بر امتداد وزش باد و حرکت پیچشی. این نوسانات در شکل - 1 - نشان داده شده اند.
حرکت در امتداد باد از نوسانات فشار در وجوه رو به باد و پشت به باد حاصل میگردد که حداقل در دامنه فرکانسهاي پائینعموماً تابع نوسانات جریان نزدیک شونده میباشد. حرکت در جهت عمود بر امتداد وزش باد در اثر تغییرات فشار روي وجوه کناري که از نوسانات در لایه برشی جداکننده و جریان منطقه پشت بوجود میآید ایجاد میگردد. حرکات پیچشی ناشی از عدم انطباق مرکز سختی ساختمان و برآیند نیروهاي حاصل از فشار باد حاصل میگردد که بیشتر در ساختمانهاي غیرمتقارن آثار آن قابل توجه میباشد.[8]
3. معادلات حرکت حاکم
براي تعیین معادله ي دینامیکی حرکت یک سیستم در حالت کنترل شده، اثر نیروي کنترلی بصورت یک نیروي خارجی در سمت راست معادله اعمال می گردد. در این رابطه [M]، [C] و [K] به ترتیب ماتریسهاي جرم، میرایی و سختی سازه، بردارهاي{x - t - } ،{x - t - }و{x - t - }به ترتیب بردارهاي تغییر مکان، سرعت و شتاب سازه،{u - t - } بردار نیروهاي کنترل ،{F - t - } بردار نیروهاي باد،[D] ماتریسی است که نیروهاي ابزار کنترلی را به درجات آزادي متناظر آنها انتقال می دهد.[9]
4. روش تحلیل دینامیکی محاسبه بار باد
در هنگام وزش باد و اثر آن بر سازه، سرعت باد ثابت نبوده و به صورت لحظهاي تغییر می کند .این تغییرات در ترازهاي مختلف سازه از سطح زمین و نیز در مناطق مختلف که به لحاظ تراکم ساختمانها یا انبوه درختان فرق داشته باشند، متفاوت است. تغییرات لحظهاي سرعت باد، علاوه بر آنکه بار ناشی از باد بر سازهها را تغییر میدهد، موجب تحریک دینامیکی سازههاي نرم و انعطاف پذیر میگردد. این عامل خود متقابلأ بر بار ناشی از باد اثر میگذارد.
