بخشی از مقاله
چکیده
پژوهشگران همواره به دنبال راهکارهای نوین برای مقابله با بلایای طبیعی مانند زلزله بوده اند .یکی از این روشها کنترل نیمه فعال سازه ها می باشد. میراگرهای - Magnetorheological damper - MR یکی از ابزارهای کنترل نیمه فعال می باشند که در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته است.میراگرهای MR میراگرهایی هستند که نسبت به اعمال میدان مغناطیسی حساس می باشند و به دلیل عدم نیاز به منبع انرژی خارجی پر قدرت از اهمیت بالایی برخوردار می باشند.
در این مقاله، میراگر MRشرح داده شده است و همچنین سازه ای با استفاده از ضوابط آیین نامه ایران طراحی شده و با استفاده از برنامه MATLABنیروهای مورد نیاز جهت کاهش پاسخ های سازه ای محاسبه شده و در نهایت این کاهش پاسخها در حالت کنترل نشده و کنترل شده با هم مقایسه شده اند.و پاسخ های کنترل شده به سه صورت passive-off،passive-onو semi-active با هم مقایسه شده است.الگوریتم مورد استفاده در این تحقیق الگوریتم clipped optimalمی باشد.
-1 مقدمه
هر سازه ای که ساخته می شود در طول عمر خود با احتمال وقوع بارگذاری های بحرانی از جمله تحریکات جانبی ناشی از زلزله ،باد و ... مواجه می باشد که در صورت وقوع می بایست مقاومت کند.اکثر سازه هایی که تا کنون ساخته شده اند ،نظیر ساختمانها ،پلها و ...به صورت غیر فعال بوده و در مقابل تحریکات خارجی با استفاده از جرم و سختی خود ایجاد مقاومت می کنند و به عبارتی این سازه ها توانایی تطبیق خود با خصوصیات متغیر دینامیکی محیط را ندارند .
در سالهای اخیر به دلیل نیاز روزافزون بشر، محدودیت های موجود در روش طراحی سنتی شامل میرایی اندک سیستم های سازه ای و مصالح جهت جذب انرژی بارهای دینامیکی و دارا بودن خواص دینامیکی ثابت و غیر قابل تطبیق با بارهای دینامیکی خارجی ،سبب ایجاد روش های نوین و مدرن به منظور طراحی سازه هایی مقاوم با هدف کاهش پاسخ های سازه ای و خسارات وارده شده است.
در طی این سالها ابزارهای کنترلی و الگوریتم های کنترلی مختلفی برای کنترل سازه هاارائه و مورد بررسی قرار گرفته اند که هر کدام روند محاسباتی و طراحی و مزایا و معایب خود را دارا هستند. در حالت کلی کنترل سازه ها به سه دسته کنترل غیر فعال،فعال و نیمه فعال تقسیم می شوند که در این میان سیستم کنترل نیمه فعال به دلیل آنکه عمدتا" از ترکیب دو سیستم غیر فعال و فعال تشکیل شده است مورد توجه قرار گرفته شده است از آنجایی که بخشی از کنترل توسط سیستم غیر فعال انجام می شود ،نیروی کنترل کمترو انرژی خارجی کمتری مورد نیاز خواهد بود.
از طرفی این سیستمها مانند سیستمهای کنترل فعال هوشمندند و بر تغییرات بارهای دینامیکی وارده قابل انطباق هستندو ویژگی مهم دیگر اینکه مانند سیستم های کنترل فعال به منبع انرژی خارجی بزرگ نیاز ندارند.این سیستمها دارای خواص مکانیکی متغیر و قابل کنترلی هستند که در هر لحظه با مطالعه اطلاعات پیشخور یا پسخور یا هر دو تغییر داده می شوند تا عملکرد مناسبتری نسبت به حالت غیر فعال در کاهش پاسخهای سازه از خود نشان دهند.
-2 میراگر MR
این میراگر یکی از انواع میراگرهای مایع کنترل پذیر می باشد که به طور معمول از ذرات کوچک دو قطبی شونده در میدان مغناطیسی ،که در یک مایع معدنی مانند روغن سیلیکون پراکنده شده اند تشکیل می یابند.هنگامی که این مایع در معرض میدان مغناطیسی قرار می گیرد ،در مدت چند میلی ثانیه ذرات داخل آن قطبش یافته و به شکل زنجیر در می آیند.سپس مایع به حالت نیمه جامد تبدیل شده و رفتار ویسکو پلاستیک از خود نشان می دهد.
نیروی میراگر MR با تغییر بزرگی میدان مغناطیسی اعمال شونده ،بر طبق یک الوریتم مشخص در هر لحظه تنظیم می شود.این میراگرها بر خلاف بعضی از میراگرهای مایع کنترل پذیر نسبت به آلودگی ها حساس نیستند و می توان از افزودنی های متنوعی جهت ارتقای پایداری آنها استفاده نمود.همچنین کنترل تنش تسلیم میراگرهای MR با اعمال ولتاژ بسیار پایینی میسر است .
شکل-1 ساختار یک میراگر MR به صورت شماتیک
-3 روش تحلیل سازه های کنترل شده با استفاده از میراگر MR
معادله حرکت حاکم بر سازه Nدرجه آزادی که تحت تاثیر تحریکافقی زمین می باشد،در صورتی که توسط n میراگر MRکنترل شود و با فرض اینکه نیروی تولید شده توسط این میراگر هاجهت نگه داشتن سازه در منطقه خطی کافی باشد ،به صورت زیر ارائه شده است:
از آنجا که در سازه های تقویت شده توسط میراگر MRتنها از پاسخهای سازه ای اندازه گیری شده در هر لحظه جهت تعیین نیروی کنترل میراگر در آن گام استفاده می گردد،تمام الگوریتم های کنترل هدایت کننده این سیستم ها ، از نوع کنترل پسخور می باشد.در سالهای اخیر،الگوریتم های کنترل نیمه فعال مختلفی برای ابزارهای کنترل و به طور خاص برای میراگرهای MR مورد استفاده قرار گرفته است.
در بین این الگوریتم ها ،الگوریتم کنترل clipped optimal با توجه به نتایج تحقیقات انجام شده توسط dykeوjansen عملکرد بهتری نسبت به سایر الگوریتم های کنترل داشته و تقریبا" در همه تحقیقات جدیدانجام شده بر روی میراگر MRاین الگوریتم استفاده شده است.روش clipped optimal،طراحی یک کنترل کننده بهینه خطی kc - s - است که بردار نیروی کنترل مطلوب T fopt را بر اساس پاسخهای سازه ای اندازه گیری شده - y - وبردار نیروی کنترلی اندازه گیری شدهاعمالی به سازه - - f و طبق رابطه زیر حساب می کند:
از آنجا که نیروی تولید شده توسط میراگر MRبه پاسخهای موضعی سیستم بستگی دارد ،همواره نمی توان نیروی کنترلی بهینه مطلوب را - fopt - i را توسط میراگر تولید کرد .فقط ولتاژکنترل Vi جهت تغییر نیروی تولید شده توسط میراگر کنترل می گردد.برای این کار ،سیگنالهای پیشنهادی طبق الگوریتم clipped optimalبه شکل زیر انتخاب می شوند:
زمانی i امین میراگر MRنیروی بهینه مطلوب را تولید می کند - fopt - i fi ولتاژ اعمالی به آن ثابت می ماند.اگر fi - fopt - iو هر دو نیرو هم علامت باشند ولتاژاعمالی یه تراز خداثر خود می رسد تا نیروی تولید شده توسط میراگر به نیروی کنترل مطلوب برسددر غیر اینصورت ولتاژ اعمالی صفر می گردد. با استفاده از این الگوریتم،جریان با مقدار حداکثر یا حداقل،قطع و وصل می شود.الگوریتم انتخاب سیگنال پیشنهادی با رابطه زیر بیان می شود:
-Vmaxحداکثر ولتاژ اعمالی به میراگر
کنترل کننده بهینه خطی kc - s - به روشهای متفاوتی تعیین می شود که با توجه به موفقیت آمیز بودن روش
H 2 / LQG در تحقیقات گذشته این روش توصیه می شود
