بخشی از مقاله
خلاصه
هوشمند سازی ساختمانها بهگونهای که سازه بهطور لحظهای میزان آسیب را شناسایی و با اتخاذ تصمیماتی در جهت جبران و یا مهار آن برآید، یکی از مباحث جدید در مهندسی کنترل سازهها میباشد. یکی از چالشهای مهم در ساختمانهای بلند مساله پیچش، ناشی از ایجاد خرابی تحت اثر عوامل محیطی شدید مانند باد و زلزله، در سازه است.
هدف از انجام این تحقیق هوشمند سازی سازه به منظور کنترل پیچش با استفاده از تلفیق مباحث پایش سلامت سازهای و کنترل سازهها میباشد. در این مقاله یک کنترلگر خاص به گونهای طراحی میگردد که سختی تجهیزات نیمهفعال با سختی متغیر را بر اساس آسیبهای شناسایی شده و تغییرات خروج از مرکزیت سازه تنظیم مینماید.
همچنین برای ساخت یک سازه هوشمند الگوریتمی برای ترکیب پایش سلامت سازهای و استراتژی کنترل نیمهفعال پیشنهاد میگردد. عملکرد و کارایی روش پیشنهادی با استفاده از یک مثال عددی ساختمان 20 طبقه فولادی تحت اثر رکوردهای مختلف زلزله مورد بررسی قرار میگیرد. نتایج به دست آمده حاکی از آن است که الگوریتم پیشنهادی با تطبیق سازه با شرایط خرابی میتواند زیادشدن پاسخ پیچشی سازه در حین خرابی را به طور موثری کاهش دهد.
1. مقدمه
ساخت یک سازه هوشمند که بتواند هر لحظه خود را شناسایی کند، نتایج را پردازش کرده و در صورت آسیب درصدد جبران و یا خنثی کردن اثر آن برآید مستلزم ترکیب روشهای شناسایی آسیب و کنترل در سازه است. تحقیقات فراوانی در زمینههای، کنترل پیچش در سازههای مختلف با تجهیزات کنترلی مختلف و شناسایی آسیب در سازهها بهصورت مجزا انجام شده است.
تحقیقات انجام شده در زمینه کنترل پیچش سازه، با فرض سالم بودن سازه در طول عمر آن و تحریک سازه به بررسی عملکرد تجهیزات کنترلی پرداختهاند؛ تغییر عملکرد این تجهیزات در صورت خرابی سازه هنوز بهعنوان یک چالش در مهندسی کنترل سازه باقی مانده است. در این تحقیق برای اولین بار از شناسایی آسیب برای بهبود عملکرد تجهیزات کنترلی در کاهش پاسخ پیچشی سازه استفاده شده است. برای این منظور از روش شناسایی آسیب ارائه شده توسط نویسندگان این تحقیق که مولفههای پنجگانه ماتریس سختی را با فرض سه درجه آزادی برای هر طبقه نتیجه میدهد استفاده میشود
لی [2] در سال 1980 عملکرد سیستم جداگر لرزهای هیسترتیک غیرخطی برای کاهش پاسخ پیچشی سازه را مورد بررسی قرار داد. لین و همکاران [3] در سال 2000 خصوصیات بهینه میراگرهای جرمی تنظیم شده و بهترین محل قرارگیری آنها را برای کاهش پاسخ پیچشی تعیین کردند. سوفوکلیوس [4] در سال 2001 عملکرد میراگرهای غیرفعال ویسکوالاستیک در کنترل پیچش ساختمانهای منظم و نامنظم را مورد بررسی قرار داد.
فوجینامی و همکاران [5] در سال 2001 یک میراگر جرمی ترکیبی را برای کاهش ارتعاش پیچشی سازه پیشنهاد دادند و یک ساختمان 23 طبقه در شهر توکیو را به دو میراگر ترکیبی برای کاهش پاسخ پیچشی و انتقالی سازه مجهز کردند.
سینگ و همکاران [6] در سال 2002 با بهرهگیری از 4 عدد میراگر جرمی تنظیم شده با خصوصیات مجزا به کنترل پیچش سازه پرداختند.
یوشیدا و همکاران [7] در سال 2003 با استفاده از یک مدل تحلیلی و مدل آزمایشگاهی آن، از میراگر MR برای کاهش شتاب پیچشی سازه استفاده نمودند. لی و همکاران [8] در سال 2005 یک الگوریتم هوشمند ترکیبی جهت کاهش پاسخ پیچشی سازه دارای خروج از مرکزیت مجهز به میراگرهای نیمهفعال MR را پیشنهاد دادند.
لی و همکاران [9] در سال 2005 از میراگر ستونی حاوی مایع تنظیم شده نیمهفعال جهت کنترل پاسخ پیچشی ساز استفاده کرده و عملکرد آن را نسبت نوع غیرفعال آن مورد مقایسه قرار دادند.
دسو و همکاران [10] در سال 2006 نوع جدیدی از میراگر جرمی با نام میراگر جرمی کوپله را برای کاهش همزمان اثر نیروهای پیچشی و انتقالی وارد بر سازه ارائه کردند.
لی و خو [11] در سال 2006 نشان دادند که میزان تاثیر میراگرهای جرمی بر پاسخ پیچشی و انتقالی سازه به طور قابل توجهی به خروج از مرکزیت سازه کنترل شده و نسبت میزان فرکانس پیچشی به انتقالی سازه بستگی دارد.
شوک و همکاران [12] در سال 2009 مطالعه مشابهی را برای بهبود عملکرد میراگرهای MR در کاهش پیچش سازه انجام دادند. ساهین [13] در سال 2012 یک الگوریتمی هندسی برای کاهش اثرات پیچش در سازههای دارای مودهای پیچشی غالب را ارائه داد.
المازان و همکاران [14] در سال 2012 بیشترین پارامترهای تاثیرگذار بر عملکرد بهینه میراگرهای جرمی را در کنترل پیچش بررسی کردند. مودا و جنگید [15] در سال 2012 پاسخ پیچشی ساختمانهای نامنظم را با استفاده از میراگرهای ویسکوز خطی و غیرخطی کنترل کردند.
نیگدلی [16] در سال 2013 از تاندون فعال برای کاهش توام حرکت جانبی و پیچشی در زلزلههای حوضه نزدیک استفاده نمود. در این تحقیق با استفاده از خروجیهای روش تشخیص آسیب یک الگوریتم ترکیبی نوین برای کاهش اثرات آسیب در سازه ارائه میگردد.
این الگوریتم ترکیبی که به ساخت یک سازه هوشمند منجر میشود، از ترکیب روش تشخیص آسیب و استراتژی کنترل نیمه فعال سازهها با استفاده از دستگاه کنترل نیمه فعال با سختی متغیر 1 SAIVS تشکیل شده است. برای این منظور یک کنترلگر پیشنهادی برای تنظیم سختی دستگاه SAIVS به گونهای طراحی میگردد تا اثرات آسیب بر پاسخ پیچشی سازه را به حداقل برساند.
.2 طراحی کنترلگر
در یک قاب سهبعدی n طبقه با فرض سه درجه آزادی برای هر طبقه، ابعاد ماتریس سختی برابر با 3n 3n میباشد. هر یک از درایههای ماتریس سختی شامل یکی از پارامترهای kxi ، k yi ، k x i ، k y i و k i است؛ که این پارامترها به ترتیب متناظر با سختی جانبی در جهت x، سختی جانبی در جهت y، معیاری از خروج از مرکزیت در جهت x، معیاری از خروج از مرکزیت در جهت y و سختی پیچشی طبقهاُمi میباشند. با معلوم بودن این پنج مولفه برای هر طبقه میتوان ماتریس سختی کل سازه را تشکیل داد.
بنابراین به کمک مولفههای پنجگانه ماتریس سختی میتوان خروج از مرکزیت را به صورت لحظهای برای هر طبقه به دست آورد. با در دست داشتن مقدار مولفههای پنجگانه ماتریس سختی و مقدار خروج از مرکزیت طبقات به صورت لحظهای و مقایسه آنها با سختیهای اولیه و خروج از مرکزیت اولیه مقدار خرابی و تغییر در خروج از مرکزیت در هر لحظه به دست میآید. کنترل سازه در این تحقیق برای کاهش اثرات خرابی و جبران تغییر خروج از مرکزیت به منظور کاهش پاسخها مورد استفاده قرار میگیرد.
ناگاراجا [17] در سال 2000 دستگاه کنترل نیمهفعال با سختی متغیر SAIVS را بهعنوان اختراع به ثبت رساند. کارایی این دستگاه در سالهای اخیر توسط ناگاراجا و همکاران بهصورت عددی و عملی در مطالعههای مختلف به اثبات رسیده است
دستگاه SAIVS با اعمال تغییر در پیکربندی و زاویهی اجزای تشکیل دهندهی خود میتواند مقدار سختی تامین شده را به طور پیوسته، مستقل و به صورت منحنی صاف بین ماکزیمم و مینیمم خود تغییر دهد. دستگاه SAIVS از چهار جزء تامین کننده سختی تشکیل شده است که مطابق شکل a-1 در یک پیکره لوزی شکل چیده شدهاند.
در شکل a-1 گره 1 فقط در جهت y میتواند جابهجا شود و جابهجایی آن را میتوان بهوسیله یک محرک الکترومکانیکی خطی متصل به کامپیوتر به طور دلخواه تنظیم کرد. گره 2 به سازه متصل است و در دو جهت x و y در صفحه میتواند جابهجایی داشته باشد. گرههای 3 و 4 نیز بر روی یک میله افقی متصل به پایهی دستگاه قرار دارند و در جهت x میتوانند جابهجا شوند.
محرک الکترومکانیکی خطی متصل به گره 1 که به پایه دستگاه متصل است میتواند گره 1 را به هر مکان دلخواه در جهت y حرکت دهد؛ بنابراین محرک الکترومکانیکی میتواند با تغییر در مکان گره 1 پیکربندی دستگاه را بنا به نیاز تغییر دهد.
در این تحقیق مقدار سختی هر کدام از فنرهای دستگاه SAIVS برابر با top ke در نظر گرفته شده است که در این رابطه top بیشترین سختی طبقه بام در دو جهت x و y میباشد. دستگاه SAIVS برای هر زاویه خاص سختی مشخصی تولید میکند برای مثال در این تحقیق در 20.27 سختی دستگاه SAIVS ماکزیمم ks max و برابر با 25 درصد top K و در 65.20 سختی دستگاه SAIVS مینیمم ks min و برابر با 5 درصد Kmax میباشد. سختی دستگاه SAIVS در حین خرابی در سازه به طور پیوسته بین ماکزیمم و مینیمم متغیر است. مقدار سختی مورد نیاز دستگاههای SAIVS در هر طبقه بر اساس سختی شناسایی شده طبقه تنظیم میگردد، به عبارتی سختی مورد نیاز دستگاههای SAIVS در هر طبقه تابعی از میزان تغییر سختی طبقات یا خسارت در طبقات است.
در طول زلزلههای شدید در حین آسیب، سختی سازه بهصورت آنی تغییر میکند؛ بنابراین اگر سختی دستگاه SAIVS نیز بهصورت آنی پس از وقوع آسیب تغییر یابد، منحنی رفتار دستگاههای SAIVS - منحنی نیرو - جابهجایی - دارای تغییرات ناصاف خواهد شد. این امر موجب ایجاد اثر معکوس در پاسخ شتاب سازه اصلی میگردد. از اینرو در این مطالعه، تغییرات سختی SAIVS بر اساس روابط پیشنهادی توسط ناراسیمهان و ناگاراجا [19] انجام میپذیرد.
در صورتی که خروج از مرکزیت طبقه در دو جهت نزدیک صفر باشد با اعمال نیروی زلزله، سازه دارای پاسخ پیچشی بسیار کمی میباشد ؛ اما این پاسخ با افزایش فاصله خروج از مرکزیت به دلیل خرابی در سازه افزایش مییابد. در اینجا سعی بر آن است که فاصله خروج از مرکزیت طبقات ثابت نگه داشته شود و در عین حال سختی سازه در جهتهای انتقالی و پیچشی از سختی اولیه طبقه کمتر نگردد. در این مطالعه فرض بر آن است که در هر طبقهی سازه چهار دستگاه کنترلی کاملا مشابه نصب میشود. همانطور که شکل b-1 نشان میدهد برای ایجاد عملکرد بهتر در متعادل نمودن رفتار پیچشی سازه، دستگاههای SAIVS در مرز خارجی پلان طبقه قرار میگیرد.
شکل - a - -1مدل مکانیکی دستگاه - b - SAIVS نحوه قرارگیری چهار دستگاه SAIVS در پلان طبقه - c - دیاگرام بلوکی الگوریتم پیشنهادی ترکیب روش لحظهای بررسی سلامت سازهای و استراتژی کنترل نیمه فعال
سختی هر طبقه پس از نصب دستگاهها در هر جهت به اندازه 2ksmin افزوده میشود. از طرفی باید به این نکته دقت شود که در سازه علاوه بر کنترل پیچش باید پاسخ انتقالی سازه نیز کنترل گردد. بنابراین اگر مقدار خرابی در هر طبقه از 2ksmin در هر جهت بیشتر شود کنترل انتقالی سازه نیز باید وارد معادلات گردد. پس دو حالت در آسیب سازه وجود دارد: - 1 اگر خرابی سازه در جهت مورد بررسی از 2ksmin کمتر باشد در این صورت هدف فقط کنترل پیچش در سازه خواهد بود و دستگاههای کنترلی صرفا برای رساندن خروج از مرکزیت طبقه به حالت قبل از آسیب تنظیم میشوند.
پس از نصب دستگاهها در سازه مقدار ex با توجه به اینکه مقدار سختی دستگاهها در هنگام نصب بر روی حداقل خود تنظیم است، بهصورت رابطه - 3 - محاسبه میگردد.
