09121001763

02188259793

ساعت مشاوره ۱۰ الی ۱۶

جستجو

کنترل ارتعاشات لرزه‌ای سازه‌ها

کنترل ارتعاشات لرزه‌ای سازه‌ها

تلاش های تحقیقاتی قابل توجهی در زمینه کنترل ارتعاشات لرزه ای سازه ها در چند دهه گذشته انجام شده است. توسعه تکنیک های جدید و مواد جدید که به طور سنتی در سازه های مهندسی عمران استفاده نمی شود، نوید قابل توجهی در کاهش خطر لرزه ای ارائه می دهد. مواد هوشمند ممکن است به عنوان موادی توصیف شوند که می توانند یک محرک خارجی را حس کنند (به عنوان مثال: استرس، فشار، تغییر دما، میدان مغناطیسی و غیره) و شروع یک پاسخ. آنها ممکن است به یکی از چهار کلاس یعنی فلزات یا آلیاژها، پلیمرها، سرامیک ها یا کامپوزیت ها تعلق داشته باشند. فلزات و آلیاژهای فلزات مختلف به عنوان مواد کلاسیک با فعالیت‌های تحقیقاتی فراوان در سراسر جهان در نظر گرفته می‌شوند. آلیاژهای  (SMA) متعلق به دسته ای از مواد هوشمند هستند که به دلیل ویژگی های خاص خود که ناشی از تنش یا دما است، به خوبی شناخته شده است.


آلیاژهای نیکل تیتانیوم  (NiTi) به دلیل خواص فوق الاستیک و حافظه شکلی آن به خوبی شناخته شده اند و به کلاس  Shape Memory Alloys (SMA) تعلق دارند. در حال حاضر SMA ها عمدتاً در علوم پزشکی، برق، هوافضا و مهندسی مکانیک کاربرد دارند و همچنین می توانند کاربردهای جدیدی را در مهندسی عمران به ویژه در حفاظت لرزه ای ساختمان ها باز کنند. نیتینول فوق الاستیک برای کنترل ارتعاش غیرفعال بسیار مؤثر است، زیرا می تواند مقادیر زیادی تغییر شکل غیرالاستیک را حفظ کند و آن تغییر شکل را در پایان فرآیند با اتلاف انرژی خوب در مقایسه با مواد فلزی معمولی بازیابی کند.


در کنترل ارتعاشات لرزه ای سازه ها آزمایش ‌های مختلفی بر روی سیم ‌های NiTi در CSIR-SERC انجام می ‌شود تا امکان استفاده از SMA به‌ عنوان ماده اتلاف‌ کننده انرژی با قابلیت مرکزی ‌سازی مجدد ارزیابی شود. توانایی، حفظ و بازیابی مقادیر زیادی از تغییر شکل غیرالاستیک این مواد در طول بارگذاری چرخه ای معکوس، NiTi فوق الاستیک را کاندید مناسبی برای کاهش خطر لرزه ای می کند. آزمایشات شبه استاتیکی و دینامیکی انجام شده با پارامترهای مختلف مانند پیش کرنش، دامنه و فرکانس برای تعدادی سیکل و رفتار مناسب برای کاربردهای لرزه ای ایجاد شده است. جالب است که دریابیم که از رفتار شبه استاتیکی یک ماده، یک مقدار بهینه پیش کرنش، که وابسته به ماده است، می‌تواند انتخاب و در کاربردهای کنترل ارتعاش اتخاذ شود.


نکات قابل توجه در بررسی و کنترل ارتعاشات لرزه ای سازه ها


در کنترل ارتعاشات لرزه ای سازه ها مدل ‌های ریاضی برای پیش ‌بینی حداکثر قابلیت اتلاف انرژی ماده مورد مطالعه و توسعه داده شده است. آزمایش ‌ها پتانسیل سیم‌ های NiTi از پیش تنیده شده را به عنوان اجزای هسته در دستگاه‌ های حفاظت لرزه‌ای تأیید می ‌کنند. همچنین اثرات دوچرخه ‌سواری مکرر روی سیم‌ های از پیش کرنش ‌شده را برجسته می ‌کند، زیرا دستگاه‌ های ویژه برای حفاظت غیرفعال در هنگام زلزله برای دوچرخه ‌سواری مکرر در نظر گرفته شده‌اند. انواع مختلفی از دستگاه های کنترل ارتعاش را می توان با مواد مورد استفاده ساخت.


فناوری هایی که از مواد هوشمند استفاده می کنند هم برای ساخت و سازهای جدید و هم برای ساخت و سازهای موجود مفید هستند. در اینجا کاربردهای ساختاری این دسته از مواد هوشمند را برای کاربردهای کنترل ارتعاش مورد بررسی قرار داده اند. حفاظت از سازه ها در برابر آسیب در هنگام زلزله را می توان با استفاده از دستگاه های حفاظت غیرفعال طراحی کرد که حداکثر ظرفیت اتلاف انرژی را با قابلیت تمرکز مجدد دارند. ابزارهای نوآورانه طرح کنترل سازه را می توان از طریق سیستم های غیرفعال، متشکل از مواد و وسایل مفید در زمینه طراحی لرزه ای و مقاوم سازی سازه ها توسعه داد.


برای کنترل ارتعاشات لرزه ای سازه ها، یک مدل غیر خطی جدید در نظر گرفته شده است. علاوه بر غیرخطی بودن هندسی، غیرخطی بودن مواد نیز با الگوریتم آموزشی کنترل کننده عصبی در نظر گرفته می شود که برای ساختاری با درجه آزادی چندگانه اعمال می شود. برای مدل کنترل، یک مجموعه دینامیکی از دو حرکت مختلف مانند جفت شدن بین پاسخ ‌های پیچشی و جانبی سازه و برهمکنش بین سیستم سازه و محرک در نظر گرفته می‌شود. الگوریتم آموزشی و سیستم کنترل پیشنهادی سازه با شبیه سازی پاسخ سازه تحت برانگیختگی زلزله ال-سنترو 1940 ارزیابی می شود. با بررسی نمودار خطی و غیرخطی، یک ساختار سه طبقه و سه بعدی به عنوان مثال توسط یک شبکه عصبی کنترل می شود.

نکات قابل توجه در بررسی و کنترل ارتعاشات لرزه ای سازه ها

به عنوان پارامترهای اضافی برای تاخیر زمانی کنترل شبیه سازی، زاویه برخورد زلزله در نظر گرفته شده است. نتایج نشان می دهد که الگوریتم کنترل پیشنهادی در کنترل ارتعاش سازه کارآمد است.ارتعاشات نامطلوب ترین اتفاقاتی هستند که برای هر سیستم مهندسی مانند سازه اتفاق می افتد. این ارتعاشات ممکن است به دلایل زیادی مانند نیروی باد، نیروی زلزله، نیروی انفجار و بسیاری موارد دیگر رخ دهد. آسیب های ناشی از ارتعاش بسیار شدیدتر است. در حقیقت، جلوگیری از آسیب های ناشی از ارتعاش سازه عمرانی یکی از چالش های اصلی در مهندسی سازه است. زلزله نقش مهمی در ایجاد ارتعاشات سنگین سازه ایفا می کند.

کنترل ارتعاشات لرزه ای سازه ها را می توان به عنوان مجموعه ای از ابزارهای فنی تعریف کرد که برای کاهش ضربه های ناشی از نیروهای ناشی از زلزله بهینه شده است. سیستم کنترل ارتعاش را می توان به کنترل فعال، غیرفعال و هیبریدی تقسیم کرد. دستگاه های کنترل غیرفعال را می توان به عنوان دستگاه هایی طبقه بندی کرد که هیچ ظرفیت بازخوردی بین عناصر سازه ای و خود دستگاه ندارند. با ادغام بلادرنگ، دستگاه ‌های کنترل فعال با تجهیزات پردازش ورودی و محرک‌ ها کار می‌کنند. ترکیب ویژگی های دستگاه های کنترل هیبریدی کنترل کننده فعال و غیرفعال به روشی کارآمدتر عمل می کند.


نقش و عملکرد کنترل ارتعاشات لرزه ای سازه ها


در کنترل ارتعاشات لرزه ای سازه ها را می توان به دمپر جرمی تنظیم شده TMD، دمپر مایع تنظیم شده  TLD و دمپر ستون مایع تنظیم شده  TLCD و غیره اشاره کرد. میراگر ستون مایع تنظیم شده، پیشنهاد شده توسط Sakai و همکاران، جرم مایع و اثر میرایی دهانه را برای به حداقل رساندن ارتعاش ترکیب می کند. استفاده از مفهوم مشابه دمپر مایع تنظیم شده  TLD نیز به خوبی کار می کند. مزایای اصلی TLCD و TLD این است که می توان از آنها به عنوان کنترل کننده و مخزن برای تامین آب روزانه استفاده کرد. اما چیز خطرناک‌تری که احتمالاً می‌توان با TLCD و TLD رخ داد این است که بارگذاری جانبی در حالت خالی دستگاه اتفاق بیفتد. علاوه بر این، تنظیم سطح آب برای کنترل موثر ارتعاش بسیار دشوارتر است. دمپر جرم تنظیم شده ((TMD یک راه حل قابل اعتماد در چنین شرایطی است. یک توده کمکی که توسط یک فنر و یک گلدان به بالای سازه متصل شده است. سیستم TMD از سال 1971 در سراسر جهان بسیار محبوب شد.


سازه ای که تحت بارگذاری دینامیکی سنگین قرار می گیرد، ممکن است به دلیل آسیب های موجود در طول سازه با تغییر سختی شدید مواجه شود. اما در بیشتر موارد مدل ‌سازی عددی با فرض رفتار خطی سیستم سازه انجام می ‌شود. بنابراین، این مدل ‌های عددی قادر به پیش‌ بینی پاسخ نهایی دقیق سیستم نیستند. برای به دست آوردن رفتار نسبتا خطی از یک ساختار بزرگتر، نیاز به نصب محرک ها در مقیاس بزرگ غیر منطقی است. بسیاری از محققین نیز در این مورد اتفاق نظر داشتند که در کنترل پاسخ سازه سیستم کنترل خطی موثر نخواهد بود (بانی هانی و قابوسی 1998).


بنابراین در کنترل ارتعاشات لرزه ای سازه ها الگوریتم های کنترل خطی در کنترل سازه های بلند در معرض حرکت شدید زمین چندان مؤثر نیستند. به دلیل بادهای شدید یا زلزله، سازه های بلند ممکن است با اعمال فرایند و بررسی نمودار غیرخطی هم بر روی هندسه و هم رفتار مواد با توجه به تغییر مکان و پاسخ های پیچشی مواجه شوند. در چنین مواردی، سیستم کنترلی که به صورت خطی رفتار می کند، برای پی بردن به ویژگی های دینامیکی واقعی سازه کافی نخواهد بود، زیرا سختی های سازه به دلیل آسیب های ناشی از بارگذاری دینامیکی، می توانند به طرز فوق العاده ای تغییر کنند. در چنین مواردی سیستم کنترلی که تغییرات رفتار هندسی و مادی را در نظر بگیرد بسیار مؤثر خواهد بود.

این مبحث بیشتر به یک سیستم کنترل شبکه عصبی می پردازد که به عنوان یک کنترل کننده ارتعاش غیرخطی بهینه شده است. در چنین مواردی، سیستم کنترلی که به صورت خطی رفتار می کند، برای پی بردن به ویژگی های دینامیکی واقعی سازه کافی نخواهد بود، زیرا سختی های سازه به دلیل آسیب های ناشی از بارگذاری دینامیکی، می توانند به طرز فوق العاده ای تغییر کنند. کاهش پاسخ سازه یکی از روش های رایج برای کاهش آسیب است. اما مسئله مهم این است که پاسخ کوپل شده پیچشی سازه های سه بعدی (3 بعدی) نامنظم در مقیاس کامل با در نظر گرفتن جهت دلخواه زلزله به ندرت مورد مطالعه قرار گرفته است. برای توسعه و اجرای کنترل فعال، نیمه فعال، غیرفعال و ترکیبی، تحقیقات زیادی در طول سال‌ها انجام شد و مقالات زیادی منتشر شد.

نقش و عملکرد کنترل ارتعاشات لرزه ای سازه ها


اصطلاحات کلیدی در کنترل ارتعاشات لرزه ای سازه ها


محرک : موتوری که در سیستم کنترل مکانیزم ارتعاشی برای تنظیم پاسخ نصب می شود. یک محرک در واقع انرژی تحمیلی را به حرکت تبدیل می کند.
شبیه ساز : نوعی دستگاه کپی، متشکل از یک سخت افزار یا نرم افزار که ممکن است ترکیبی از هر دو باشد که داده ها را از یک سیستم به سیستم دیگر تکرار می کند. می ‌تواند داده ‌ها را از یک سیستم جمع ‌آوری کند و بعداً یا فوراً می ‌تواند کل داده‌ ها را به همان شکل از نمایش یا شکلی دیگر تکرار کند.
کنترل ارتعاش فعال : یک سیستم کنترل ارتعاشات لرزه ای سازه ها، که در آن کنترل کننده نیرو و مقاومت مخالف لازم را بر اساس نیروی تحمیلی تنظیم می کند.
سیستم کنترل بهینه : یک سیستم پویا که مسیرهای متغیرهای کنترلی را برای به حداقل رساندن تابع هزینه توصیف می کند. به طور کلی مجموعه ای از معادلات دیفرانسیل است.
الگوریتم آموزشی: یک الگوریتم هوشمند که می تواند حساسیت را از مجموعه داده های آموزشی ارائه شده به دست آورد.
شبکه عصبی: یک مدل محاسباتی که برای پیش بینی نتایج بسته به تعداد زیادی از داده های ورودی ناشناخته استفاده می شود. این مدل، روز به روز محبوب می شود. زیرا شبکه عصبی می تواند از داده های ورودی یاد بگیرد و بر اساس تقاضا واکنش نشان دهد.
سازه نامنظم : سازه ای که بین مرکز جرم و مرکز مقاومت تفاوت دارد. از نظر فنی تمام سازه ها نامنظم هستند.


نتیجه گیری


در کنترل ارتعاشات لرزه ای سازه ها بیشتر برنامه‌ های کاربردی موفق تجاری مانند کوپلینگ ‌ها، اتصالات الکتریکی، استنت ‌های قلبی عروقی و فریم ‌های عینک فقط چند بار از اثر حافظه کامل یا چرخه فوق الاستیک کامل استفاده می‌کنند. این نشان می دهد که اجزای SMA را می توان با موفقیت برای چندین برنامه غیر محرک نیز استفاده کرد. یکی از این زمینه ها استفاده از قطعات SMA برای کنترل آسیب در سازه ها است. جزء SMA می تواند تغییر شکل های محدودی را به دلیل خاصیت ارتجاعی فوق العاده یا به دلیل بازآرایی انواع مارتنزیت در تنش های نسبتاً کوچک متحمل شود. این می تواند برای جلوگیری از تغییر شکل دائمی پلاستیک در اثر بارهای غیرمنتظره در بقیه سازه مورد استفاده قرار گیرد.

انصراف از نظر
فیلترها
Sort
display