مقاله کنترل نیمه فعال سازه های نیمه مرتفع در برابر زلزله به کمک میراگرهای سیال مغناطیسی

بخشی از مقاله

کنترل نیمه فعال سازه هاي نیمه مرتفع در برابر زلزله به کمک میراگرهاي

سیال مغناطیسی

چکیده

کنترل نیمه فعال روشی موثر درکاهش بازتاب سازه ها بدون نیاز به منبع عظیم انرژي است، بدین صورت که وسیله کنترل کننده با صرف مقادیر ناچیزي از انرژي، مشخصات فیزیکی خود را بنحوي تغییر میدهد که بیشترین میزان انرژي را جذب کرده و مانع از جذب این انرژي توسط المان هاي سازه اي و در نتیجه خرابی و خسارت میگردد.

در تحقیق پیش رو به بررسی عملکرد کنترل نیمه فعال سازه ها با استفاده از میراگرهاي سیال هوشمند پرداخته شده است. مشخصات مکانیکی این میراگر بر اثر قرار گرفتن در میدان مغناطیسی تغییر میکند به گونه اي که با صرف مقادیر ناچیزي از انرژي و افزایش شدت میدان مغناطیسی، نیروي میرایی تولیدي توسط آن افزایش مییابد.

در این تحقیق جهت انجام مطالعات موردي، دو سازه سه و نه طبقه در نظر گرفته شد. سپس سازه هاي مربوطه توسط کدنویسی در محیط نرم افزار متلب و سیمولینک، شبیه سازي گردیدند. از روش کنترل بهینه کلاسیک براي تعیین نیروي بهینه و از الگوریتم کنترل Clipped Optimal براي سیستم کنترلی استفاده گردید. بدین ترتیب پردازشگر تعیین نیروي بهینه، سیستم کنترلی و نیز میراگر MR در محیط نرم افزار مدل شده و بر روي سیستم سازه اي نصب گردیدند. در نهایت نیز نتایج حاصله از سازه هایی که در آن میراگر نصب شده با سازه هاي فاقد میراگر مقایسه گردیده است.

با توجه به نتایج بدست آمده مشخص میگردد که استفاده از این روش کنترلی در خصوص میراگر سیال مغناطیسی، به بهبود و کاهش پاسخ سازه کمک شایانی میکند. این میراگر ها با استفاده از کنترل مربوطه قادرند تا حدود 50 درصد در کاهش حداکثر تغییرمکان و نیز تا حدود 48 درصد در کاهش حداکثر شتاب مطلق سازدگاهدیموثر باشند. از RMS و یا ریشه دوم میانگین مربعات، که در واقع به عنوان شاخصی جهت ارزیابی بهبود پاسخ ها مورد استفاده قرار میگیرد نیز مقایساتی انجام گردیده و نتایج مطلوبی حاصل شده است.

کلمات کلیدي: میراگرهاي سیال هوشمند، سازه هاي نیمه مرتفع ، کنترل نیمه فعال

1

.1 مقدمه

پتانسیل لرزه خیزي در اکثر نقاط دنیا سبب وقوع زمین لرزه و به بار آمدن خسارت فراوان میشود. محاسبه دقیق بارهاي ثقلی به علت ماهیت رفتاري ساده آن ها، با صرف هزینه کم ممکن است، اما دستیابی به این امر در مورد بارهاي ناشی از زلزله براثر وجود عدم قطعیت ها چندان ساده نیست ساختمان هاي مرتفع بدلیل داشتن خصوصیات سازه اي خاص، به مراتب تأثیر پذیري بیشتري از تحریکات زلزله داشته و از طرفی پذیراي جمعیت انسانی زیادي می باشند، بنابراین از اهمیت ویژه اي برخوردار هستند، به این مفهوم که در حین و پس از وقوع زلزله باید همچنان به کاربري خود ادامه دهند و هرگونه آسیبی در آنها جان انسان هاي بسیاري را تهدید می نماید.

میراگرهاي سیال مغناطیسی با صرف مقادیر ناچیزي از انرژي، میزان پاسخ سازه را تا حد چشمگیري کاهش می دهند. از آنجایی که در حین وقوع زلزله، قطع سیستم برق شهري امري طبیعی بوده و تامین انرژي این میراگر توسط باتري می تواند باعث عدم خروج این میراگر از سیستم مقاوم سازه در برابر زلزله شود، بنابراین در این مقاله به مطالعه استفاده از میراگرهاي سیال هوشمند مغناطیسی براي کنترل لرزه اي سازه هاي نیمه مرتفع پرداخته شده است.

اما از آنجایی که مطالعات صورت گرفته بر روي کنترل لرزه اي سازه هاي نیمه مرتفع و مرتفع با استفاده از میراگرهاي سیال هوشمند مغناطیسی((MR هنوز داراي نواقصی می باشد و انتحاب الگوریتم هاي کنترل مناسب می تواند تا حد زیادي عملکرد این نوع میراگرها را تحت تاثیر قرار دهد، بنابراین در این مقاله با نصب میراگرهاي سیال هوشمند مغناطیسی در طبقات تحتانی سازه، به مطالعه استفاده از آنها در کنترل لرزه اي سازه هاي نیمه مرتفع پرداخته شده است.

یکی از انواع دستگاه هاي کنترل نیمه فعال، سیستم هاي میراگر با سیال هوشمند است(شکل.(1 این دسته از دستگاه ها، شامل میراگرهایی می باشند که ویسکوزیته سیال درون آنها قابل تغییر است. این تغییر در ویسکوزیته باعث تغییر سختی و تنش تسلیم این میراگرها شده و میزان جذب انرژي آنها را در هر لحظه کم یا زیاد می کند.[1]

این میراگرها شامل ذرات پلاریزه شده مغناطیسی معلق در روغن بوده و داراي قابلیت تغییر از حالت سیال ویسکوز روان به ماده نیمه جامد با مقاومت تسلیم قابل کنترل در چند میلی ثانیه یا برعکس می باشند. این تغییر که با افزایش یا کاهش در شدت میدان مغناطیسی صورت می گیرد، آنها را تبدیل به میراگرهایی قابل کنترل نموده است.

شکل . 1 میراگر 20 MR تنی(راست) و میراگر 20 MR تنی(چپ) [1]

یکی از مزایاي این نوع از میراگرها در مقابل سایر کاهنده هاي ارتعاشی نیمه فعال در این است که هیچ قسمت متحرکی به جز پیستون ها نداشته و به همین علت بسیار ساده و قابل اعتماد می باشند. در ادامه دو نمونه عملی کاربرد این نوع میراگر در سازه ها ارائه می گردد : در سال 2001 جهت مقاوم سازي موزه ملی علوم و نوآوري در توکیو بین طبقات سوم و چهارم از دو میراگر حاوي سیال مغناطیسی 30 تنی استفاده شد، همچنین اولین کاربرد میراگرهاي حاوي سیال مغناطیسی در پل ها نیز، در پل معلق کابلی روي دریاچه دونگتینگ در هونان چین انجام شد.[2]

2

.2 مدلسازي سیستم کنترل نیمه فعال

.1,2 الگوریتم کنترل Clipped Optimal

در حالتی که سازه اولیه توسط n میراگر فعال کنترل شود، در اثر اعمال نیروهاي کنترل بر سازه خطی، معادلات حرکت سیستم به صورت زیر نوشته می شوند:[3]

(1)

در رابطه فوق داریم:

: بردار نیروهاي کنترل

: ماتریس صفر و یک نشان دهنده محل قرار گیري میراگرهاي فعال در درجات آزادي سازه

موثرترین الگوریتم براي استفاده در سازه با میراگر MR روش کنترل Clipped Optimal می باشد که توسط دایک در سال

1996 پیشنهاد شده است.[4] زمانی که i امین میراگر ، نیروي برابر با نیروي بهینه مطلوب تولید کند، ، ولتاژ
اعمالی به آن ثابت می ماند. اگر و هر دو نیرو هم علامت باشند، ولتاژ اعمالی به تراز حداکثر خود می رسد تا نیروي
تولید شده توسط میراگر به نیروي کنترل مطلوب افزایش یابد.

شکل.2 بیان شماتیک الگوریتم کنترلی Clipped Optimal

یکی از ویژگی هاي خاص استراتژي کنترل مربوطه این است که پس خور مورد نیاز براي کنترل کننده، شتاب لحظه اي اندازه گیري شده توسط تجهیزات است، بنابراین یک سیستم کاملاً کارآمد است. همچنین هرچند که وجود مدل میراگر MR براي تحلیل سیستم ضروري است اما در الگوریتم کنترل پیشنهادي، براي تعیین نیروي بهینه نیاز به مدلسازي میراگر MR نیست. براي تعیین نیروي کنترل بهینه نیز از الگوریتم هاي کنترل فعال استفاده می نماییم.[5]

.2,2 معرفی سازه

در این مقاله از دو سازه سه و نه طبقه که به عنوان سازه هاي مرجع براي SAC1 مورد استفاده قرار می گیرند استفاده شده است. بنابراین قابلیت مقایسه با نتایج سایرین را بصورت گسترده براي ما فراهم می کند. خصوصیات هر کدام از سازه ها در ادامه مورد بررسی قرار گرفته است: اولین سازه مورد بررسی، یک ساختمان سه طبقه است که جزئیات آن در جدول((1 لیست شده است.[6]

جدول . 1 جزئیات سازه سه طبقه مورد مطالعه

جرم طبقات 345600 کیلوگرم
سختی طبقات kN/m
نسبت میرایی 0/05

3

ماتریس هاي جرم، سختی و میرایی با استفاده از کدهاي نوشته شده در نرم افزار متلب محاسبه گردیدند.

سازه دوم یک ساختمان نه طبقه می باشد که داراي طول و عر ضی برابر 45/73 متر و ارتفاع آن نیز 37/19 متر می باشد. طول دهانه هاي آن در هر دو جهت 9/15 متر می باشد. تعداد دهانه ها در جهت شمال- جنوب و در جهت شرق- غرب پنج عدد می باشد. ستون هاي قاب خمشی از نوع بال پهنشکلمی باشند. در (3) سازه مورد نظر نشان داده شده است.[7]

شکل.3 سازه نه طبقه با قاب مقاوم خمشی در جهت شمال-جنوب

با توجه به اینکه میراگرهاي MR استفاده شده در این مطالعه از نوع میراگرهاي یکصد تنی می باشند، بنابراین با توجه به جرم و ابعاد سازه ها در آنها از تعداد متفاوتی میراگرMR استفاده شده است که تعداد و محل قرارگیري آنها به این صورت می باشد:

در سازه سه طبقه فقط یک میراگر سیال هوشمند مغناطیسی در طبقه اول قرار گرفته است.

در سازه نه طبقه از دو میراگر سیال هوشمند مغناطیسی در طبقات اول و پنجم استفاده شده است.

براي بررسی اثر میراگر MR روي این سازه ها از نرم افزار سیمولینک در محیط متلب [8]و [9] استفاده شده است. در شکل (4) نماي کلی کد نوشته شده در سیمولینک نشان داده شده است.

شکل .4 نماي کلی مدل تهیه شده در سیمولینک

مطالع در این ه به عنوان تحریک لرزه اي ورودي به سازه از رکورد دو زلزله معروف دنیا یعنی زلزله هاي کوبه و نورتریج استفاده

شده است. که براي تعیین شتابنگاشت زلزله و مقیاس نمودن آن از قوانین و دستورالعمل آیین نامه زلزله استفاده شده است.

.3 بررسی عددي پاسخ ها

.1,3 مقایسه پاسخ هاي جابجایی

در این بخش از دیدگاه حداکثر تغییر مکان ( تغییر مکان طبقه فوقانی در سازه هاي سه و نه طبقه) به مقایسه عملکرد سازه کنترل شده در کاهش پاسخ در مقابل سازه کنترل نشده می پردازیم.

4

یکی از مهمترین پارامتر هاي لازم براي کنترل سازه ها، میزان حداکثر جابجایی سازه است. جابجایی سازه باید در محدوده مجاز قرار داشته باشد تا ایمنی سازه و آسایش ساکنین آن فراهم شود. با توجه به شکل هاي (5) و (6 ) متوجه می شویم که بازتاب سازه کنترل شده توسط میراگر MR بسیار کمتر از بازتاب سازه کنترل نشده می باشد. این میزان کاهش در بازتاب سازه با توجه به نمودارهاي ارائه شده براي سازه هاي مختلف و براي زلزله هاي مختلف متفاوت می باشند.

شکل . 5 بازتاب جابجایی طبقه سوم سازه سه طبقه تحت تحریک زلزله کوبه(راست) و نورتریج(چپ) در حالت کنترل شده و نشده

شکل . 6 بازتاب جابجایی طبقه نهم سازه نه طبقه تحت تحریک زلزله کوبه (راست) و نورتریج(چپ) در حالت کنترل شده و نشده

.2,3 مقایسه پاسخ هاي شتاب مطلق

یکی دیگر از پارامتر هاي لازم براي کنترل سازه ها، میزان حداکثر شتاب مطلق سازه است. در این بخش از دیدگاه حداکثر شتاب مطلق به مقایسه عملکرد سازه کنترل شده در کاهش پاسخ، در مقابل سازه کنترل نشده می پردازیم.

با توجه به شکل هاي (7) و (8) متوجه می شویم که بازتاب سازه کنترل شده توسط میراگر MR بسیار کمتر از بازتاب سازه کنترل نشده می باشد. این میزان کاهش در بازتاب سازه با توجه به نمودارهاي ارائه شده، براي سازه هاي مختلف و براي زلزله هاي مختلف متفاوت می باشند.

شکل. 7 بازتاب شتاب طبقه سوم سازه سه طبقه تحت تحریک زلزله کوبه(راست) و نورتریج(چپ) در حالت کنترل شده و نشده

5