انواع کنترل الحاقی سازه ها
به طورکلی سیستم های کنترل الحاقی به چهاردسته کنترل غیرفعال ، نیمه فعال ، فعال ومرکب تقسیم می گردند.
1-1- کنترل غیرفعال
درسیستمهای غیرفعال اثر میرایی بدون اعمال انرژی خارجی بر روی سیستم گیرا حاصل می گردد و عملکرد این وسایل بواسطه حرکت ناشی اززلزله صورت می گیرد که رفتاری درجهت استهلاک انرژی ازخود نشان می دهند . این سیستم ها نیاز به استهلاک انرژی سازه اولیه را با انعکاس یا جذ بخشی از انرژی ورودی کاهش می دهند و به موجب آن امکان تخریب سازه ای کاهش می یابد ( هاوزنر 1997) .
ولی استفاده ازاین سیستمها به این دلیل که نمی توانند تعاملی با هرشرایط بارگذاری خارجی یا الگوهای معمول داشته باشند محدود می شود. یکی ازگونه های سیستمهای کنترل غیرفعال جدا سازی لرزه ای است (اغلب به نام جدا ساز پایه خوانده می شود ). یک سیستم جدا ساز لرزه ای ، نظیر آن چه که درشکل (1-1) نشان داده شده ، عمدتا درپی یک سازه قرارمی گیرد. سیستم جدا ساز قابلیت انعطاف پذیری وجذب انرژی را نشان می دهد ، درنتیجه ترازانرژی را که می تواند به سازه منتقل شود کاهش می دهد. مهمترین نیازمندیها برای یک سیستم جدا ساز انعطاف پذیری آن جهت تطویل پریود طبیعی و تولید اثر جداسازی ، صلبیت کافی اش درمقابل ارتعاشات محیطی تحت بارهای سرویس وقابلیت استهلاک انرژی ان است.
تصویر (1- 1) سیستم های جداساز لرزه ای
تجهیزات جداسازی لرزه ای عبارتند از تکیه گاههای الاستوهریک ، تکیه گاههای سربی لاستیکی ، تکیه گاههای لاستیکی با میرایی بالا ، تکیه گاههای اصطکاکی لغزشی آونگی ، وغیره .( soong and constantinou 1994) نمونه دیگری ازسیستم کنترل غیرفعال تجهیزات سیراکننده غیرفعال اضافی به کارگرفته اند ؛ این ابزار یک سازه را به دلیل افزایش ظرفیت استهلاک انرژی اش محافظت
می کنند. سیستم گیرا الحاقی با جذب بخشی از انرژی وارده برسازه عمل می کند . درنتیجه خواسته های استهلاک انرژی کاهش یافته ازخرابی ساده اولیه جلوگیری می شود. این اثر به وسیله تبدیل انرژی جنبشی به گرما یا پخش انرژی درمیان مودهای ارتعاشی قابل دستیابی است.
روش اول ازابزاری که براساس اصولی چون ، لغزش اصطحکاکی ، جاری شدن ماده ، تبدیل ماهیت درماده ، وتغییر ویسکوالاستیک اجسام یا مایعات عمل می کنند ، استفاده می نماید .
روش دوم استهلاک انرژی یکپارچه کردن جاذبهای ارتعاش دینامیکی است ، نظیر میراگرهای جرمی تنظیمی ، میراگردهای مایع تنظیمی ، وغیره .
ازمزایای روش کنترل غیرفعال امکان بهره برداری همیشگی وعدم نیاز جدی به تعمیرونگهداری واستقلال ازانرژی خارجی وآغاز عمل خودکار آنهاست .
1-2- کنترل فعال
درسیستمهای فعال با اعمال انرژی خارجی سعی برکنترل رفتار ساختمان درهنگام بروز بارگذاری جانبی ازقبیل زلزله می گردد . این انرژی می تواند به صورت ایجاد نیروی خارجی درخلاف جهت نیروی وارد بر ساختمان وخلاف جهت حرکت ساختمان عمل نماید. دراین صورت نیاز به استفاده از سیستمهای پیچیده وکنترل هوشمند نیروها می باشد. سیستم کنترل فعال توانایی هماهنگی با شرایط گوناگون .... سیستمهای کنترل فعال توانایی هماهنگی با شرایط گوناگون بارگذاری وکنترل مودهای ارتعاشی مختلف سازه را دارند ( Housner etaI1997) . یک تصویر کلی ازیک سیستم کنترل فعال در تصویر ( 1-2) نشان داده شده است. دراین سیستم سیگنالهایی که برای کنترل فعال کننده ها فرستاده می شوند تابعی ازپاسخگویی تخمین زده شده به وسیله حسگرهای فیزیکی هستند ( Houseer etaI. 1997) .
وظیفه اصلی یک طراح سیستم کنترل فعال تعیین یک تدبیر کنترلی است که ازیک پاسخهای تخمینی سازه برای محاسبه سیگنالهای کنترل کننده متناسب جهت انتقال به فعال ساز استفاده کند. تدابیر کنترلی گوناگونی پیشنهاد شده ومورد تحقیق قرارگرفته اند ؛ مثالهایی نظیرکنترل توانمند ، کمترل سود لغزان ، کنترل انطباقی ، کنترل فازی ، کنترل شبکه عصبی ، کنترل غیرخطی ، کنترل مدل پیشگویانه ، وغیره .
شکل (1-2) : نمای شماتیک سیستمهای کنترل فعال
لازم به ذکراست که درروش طراحی « قانون طلایی » وجود ندارد زیرا هرروش کنترل ضعف وقوتهای خودش را دارد. بکارگیری روش ارائه شده به ویژگیهایی هدف مورد کنترل واهداف عملکردی مطلوب وابسه است .
1-3- کنترل نیمه فعال
یک حالت متوازنی بین سیستمهای کنترل فعال وغیرفعال درقالب سیستمهای کنترل نیمه فعال گسترش یافته است . که مبتنی برتجیهزات نیمه فعال هستند. یک ابزار کنترل نیمه فعال خواصی دارد که دریک لحظه واقعی می تواند تنظیم گردد ولی نمی تواند به سیستم کنترل شوند ، انرژی وارد سازد ( Housner et aI 1997) اغلب ، بعضی ابزار به صورت میراگرهای غیرفعال قابل کنترل ارجاع می شوند .
به دلیل اینکه این سیستم ، ابزارکنترل غیرفعال سازگاری بدون نیازبه منبع نیروی بزرگی را ارائه می کنند ، در سالهای اخیرتوجه بسیارزیادی را به خود جلب نموده اند . بسیاری ازاین سیستمها می توانند به تنهایی فقط به نیروی باطری اصلی نیرو به سازه ممکن است ازبین برود. هم چنین ، به دلیل اینکه تجهیزات غیرفعال نمی توانند به سیستم سازه ای انرژی وارد سازند ، استعداد بی ثبات کردن سیستم را ندارند . فعالیتهای توسط چندی از محققین نشان داده است که سیستمهای کنترل غیرفعال ، وقتی به طورمتناسبی بگارگرفته شوند ، به طرزقابل توجهی به جوابهای بهتری از سیستمهای کنترل غیرفعال نائل می شوند ؛ درحقیقت ممکن است آنها حتی سیستمهای کاملا فعال را بی اثر سازند. توانایی مهم آنها درکنترل پاسخهای سازه ای درمحدوده وسیعی از شرایط بارگذاری دینامیکی اثبات شده است . هماهنگونه که درشکل ( 1-3) نشان داده شده نمونه هایی ازبعضی وسایل مورد بحث دیده می شود. میراگر روزنه ای متغیر ، میگراگراصطحکاکی متغیر،
شکل ( 1-3) : میراگرهای روزنه ای متغیر: میراگرهای اصطکاکی متغیر،
میراگرهای مایع تنظیمی ؛ و d میراگرهای مایع قابل کنترل .
میراگرا تنظیم شوند ، ومیگراهای مایع قابل کنترل . سیستمهای کنترل نیمه فعال مجموعه ای ازبهترین خصوصیات سیستمهای کنترل فعال وغیرفعال هستند .
استراتژی کنترل یک سیستم کنترل نیمه فعال مبتنی بر بازبرخورد ارتعاشات سازه است. الگوریتم های مختلف کنترل می توانند مستقیما ازسیستمهای کنترل فعال هماهنگ شوند. اما سیستمهای کنترل نیمه فعال ماهیت ذاتی غیرخطی ابزار نیمه فعال ، عمدتا غیرخطی هستند .
1-4- کنترل مرکب هیبرید
سیستم کنترل مرکب هیبرید HYBRID ترکیب کنترل فعال وغیرفعال برای محافظت سازه دربرابر زلزله های قوی وپرشدت پیشنهاد می گردد. عمل یکپارچه این درسیستم با هم موجب افزایش قدرتمندی سیستم غیرفعال وکاهش نیازمندی به انرژی سیستم فعال می گردد. در روش اصلی جهت بکارگیری سیستمهای هیبرید وجود دارد :
میراگر جرمی هیبرید ( HMD) وسیستم جدا ساز لرزه ای هیبرید . یک میراگر جرمی هیبرید متشکل است ازیک میراگر جرمی تنظیمی ویک فعال کننده جهت افزایش توانمندی آن برای کاهش ارتعاشات سازه ای تحت شرایط بارگذاری مختلف . معمولا انرژی مورد نیاز توسط یک HMD خیلی کمتر ازمقدار انرژی مورد نیاز به وسیله یک AMD با همان عملکرد است .
HMA وی شکل نشان داده شده در یک سیستم HMD تیپ است .
که توسط صنایع سنگین ساخته شده است ، ومرکب است از میراگر جرمی غیرفعال آونگی ویک سیستم هدایت کننده فعال یک موتور الکتریکی نسبتا کوچک ( 75KW).
برج 52 طبقه Shinsuku park Tower ازاین سیستم برای کاهش ارتعاش سازه ای تحت اثر زلزله ای متوسط وباد شدید استفاده می کند .
DUOX ( Ohrui et aI 1994) نوع دیگری ازسیستم HMD .
فصل دوم
میراگرهای جرمی تنظیمی TMD
2-1- تعریف میراگرجرمی تنظیمی
میراگر جرمی تنظیمی ازجلمه ابزار کنترل غیرفعالی است که ازیک جرم ، یک فنر ویک میراگرتشکیل یافته وبرای کاهش ارتعاشات دینامیکی یک سازه برروی آن نصب می شود . این جرم به گونه ای برروی غلتک های تکیه گاهی قرارمی گیرد که فقط امکان حرکت دریک امتداد را خواهد داشت .
اساس کاراین میراگر مبتنی بر تنظیم فرکانسی ارتعاشی این سیستم جرم است می باشد ، اما می تواند با فرکانس هرمود یا مودهایی ازسازه که سعی برکنترل آنها است تنظیم گردد. بنابراین با شروع تحریک خارجی ، حرکت میراگر درفازی خارج از حرکت سازه تشدید شده وانرژی ازطریق نیروی اینرسی که میراگر به سازه وارد می کند ، مستهلک می شود. مفهوم TMD اولین بار توسط فرام درسال 1909 میلادی برای کاهش حرکات قائم و نوسان بدنه کشتی ها مطرح شد . مدتی بعد دن هارتوگ درمورد تنظیم بهینه پارامترهای میرایی درکتاب خود درزمینه ارتعاشات مکانیکی مطالبی ارائه نمود . تئوری اولیه فقط برای سیستم های نامیرای یک درجه آزادی که تحت تاثیر یک تحریک سینوسی قرارداشتند قابل کاربرد بود. محققین زیادی سعی کردند این تئوری را به سیستم های میرایی یک درجه آزادی . بسط دهند ، مهمترین این تلاش ها توسط راندال وهمکارانش درپ1981 صورت گرفت . درادامه مطالعات گسترده ای برای تصمیم کاربرد این میراگر درسیستم های چند درجه آزادی صورت گرفت و محققین زیادی به بررسی تاثیر میراگر جرمی تنظیمی برکاهش پاسخ دینامیکی سیستم های چند درجه آزادی پرداختند . همچنین برخی دیگرازمحققین تلاش خود را به یافتن پارامترهای بهینه این میراگر برای این سیستم ها معطوف ساختند. به علاوه مطالعات زیادی با موضوع بررسی تاثیرعملکرد میراگر جرمی تنظیمی صورت گرفته است .
نتایج برخی ازاین تحقیقات نشان می دهد که عملکرد میراگر جرمی تنظیمی دربرابر تحریک زلزله که نسبت به باد دارای تغییرات بیشتری است ، وابستگی زیادی به مشخصات رکودهایی زلزله منجمله محتوای فرکانسی آن دارد. تعدادی ازمحققین معتقدند که این میراگر تنها زمانی درکاهش پاسخ زلزله موثراست که زلزله وارد برسازه داری محدوده فرکانسی کوچک ومدت زمان طولانی باشد. درادامه انواع میراگرهای جرمی تنظیمی ونمونه های اجرا شده این میراگرها ارائه می گردند .
2-2- انواع میراگرهای جرمی تنظیمی
2-2-1- میراگرهای جرمی تنظیمی انتقالی
شکل ( 2-1) نمای کلی یک میراگر جرمی انتقالی که دریک امتداد عمل می کند را نشان می دهد. جرم ساکن برتکیه گاههایی که غلتکهایی هستند وبه جرم اجازه می دهند نسبت به سقف به طورجانبی انتقال یابد قراردارد . فنرها ومیراگرها بین و اعضای تکیه گاه قائم مجاور طوری قرار داده می شوند که نیروی جانبی « خارج از فاز » را به سقف وسپس به قالب ساختمانی منتقل کنند. میراگرهای انتقالی دو جهته ، ازفنرها ومیراگرهای دردو جهت متعامد تشکیل یافته اند واین توانایی را برای کنترل حرکت سازه دردو جهت متعامد فراهم می آورند. بعضی مثالها ازنمونه های قدیمی این نوع میراگرها درذیل تشریح شده اند .
دومیراگر بربرج 60 طبقه جان هانکوک واقع درپوستون به منظورکاهش پاسخ نسبت به باد شدید باد قرارداده شده اند. این میراگرها دردو انتهای متقابل در58 امین طبقه ، به فاصله 67 متر، قرارگرفته اند و برای خنثی کردن نوسان وبه همان اندازه پیچش ناشی از شکل ساختمان حرکت می کنند . وزن هرمیراگر 2700 کیلو نیوتن ومرکب است از یک جعبه فولادی هرازسرب با ابعاد تقریبی 2/5 مترمربع و 1متر عمق که هرصفحه ای فولادی سوارشده است . وزنه هرازسرب بطور جانبی با فنرهای سخت مهاری ،هرستونهای داخلی ساختمان تکیه داده شده است وبا سیلندرهای هیدرولیکی هوشمند کنترل می گردد، هریک تکیه گاه هیدرواتاتیکی متشکل ازلایه نازکی ازروغن نیروکه ازحفره های درصفحه فولادی تراوش می کنند می لغزد. هرگاه شتاب نیرو ازg 003/0 برای دو سیکل متوالی تجاوز نماید ، سیستم بطورخودکار فعال می شود. این سیستم توسط مشاور Le Messurier با هزینه ای درحدود 3 میلیون دلار تهیه شد وانتظار این است که تغییرمکان ( نوسان این سو آن سوی ساختمان ) را 40 تا 50 درصد کاهش دهد.
مرکز سیتی کرپ Citicorp center
TMD سیتی کرپ منهتن نیزبه وسیله شرکت Le Missurier وشرکا طارحی واجرا شد. این ساختمان 279 متری زمان تناوب اصلی حدود 5/6 ثانیه ونسبت میرایی اصلی 1 درصد درامتداد هرمحور دارد . TMD سیتی کرپ برشصت وسومین طبقه درنوک سازه قراردارد ، جرم آن Mg366 ، حدود 2 درصد جرم مودال موثراولین مود و 250 باربزرگتر ازهرمیراگری که تا آن زمان نصب گردیده بود. دو محوره طراحی شده بود .تشدید سازه ساختمان با زمان تناوب عامل میرایی خطی قابل تنظیم از 8 درصد تا 14 درصد ، وحداکثر تغییرمکان نسبی 4/1 + متر،انتظار می رود دامنه نوسان جانبی ساختمان را حدود 50 درصد کاهش دهد . این کاهش با افزایش میرایی اصلی سازه حدود 4 درصد مرتبط است . یک بلوک جرمی مبتنی با حدود 6/2 مترارتفاع وبا مقطع عرضی پلانی 1/9 متر در 1/9 متر که بریک مجموعه دوازده تایی تکیه گاههای متوازن شده با فشار هیدرولیکی وقطر60 سانتی مترتکیه داده شده است. هنگام عمل تکیه گاهها روغن را ازیک پمپ هیدرولیکی جداگانه تغذیه می شود وقادراست بلوک جرمی را حدود 2 سانتی متر به موقعیت عملکردی اش درحدود 3 ثانیه بالا ببرد تامین می کنند. سیستم میراگرهرگاه شتاب افقی از 003/0 برای دو سیکل متوالی تجاوز کند به طورخودکار فعال می گردد، وبه طور خودکار هردوقت شتاب ساختمان درهریک از محورها دربیش ازیک مهلت 30 دقیقه ای از g 0075/0 تجاوزنکند ، خاموش می شود Le Messurier تخمین می زند که TMD سیتی کرپ ، با هزینه ای درحدود 5/1 میلیون دلار ، 5/3 تا 4 میلیون دلارصرفه جویی کند . مجموع این هزینه مقداری حدود 2800 تن فولاد سازه ای که برای ارضا گیرداری تغییرشکل مورد نیاز بوده را نمایان می سازد .
برج بین المللی کانادا Candind NationaI Tower
دکل فولادی مخابراتی 102 متری واقع برنوک برج بین المللی کانادا در نورنتو با درنظرگرفتن آنتن 553 متر به دو سیراگ هدایت شده به منظور جلوگیری ازانحراف بیش از اندازه آنتن هنگام وقوع باد مجهز است . سیستم میراگر مرکب است ازدو طبقه فولادی پنجره ای شکل ، به عرض 35 متر ، عمق 30 سانتی متر ، قطر 4/2 و 3 متر، واقع بر تراز 488 و 503 متری ، هرحلقه حدود 9 تن را نگاه می دارد وبه وسیله سه شاهتیرفولادی نصب شده دراطراف دکل مخابراتی حمایت می شود. چهارنقطه تکیه گاهی و نقطه اتکائی که درتمام جهات می چرخند حلقه ها را به تیرها متصل می سازند. علاوه بر 4 میراگر مایع هیدرولیکی فعال ، سوارشده براطراف دکل وپیوسته با مرکز هرنقطه انرژی را مستهلک می کنند. همانطور که حلقه های وزین سربی به جلو وعقب حرکت می کنند ، سیستم میراگر هیدرولیکی انرژی وارده ار مستهلک می کندو پاسخ برج را کاهش می دهد. این سیستم میراگر توسط وشرکا طراحی شد . میراگرها برای دومین وچهارمین مودهای ارتعاشی براساس حداقل سازی بارهای خم کننده آنتن ، مودهای اول وسوم خواصی مشابه بتن پیش تنیده سازه تکیه گاه آنتن را دارند وبه سیاری اضافی احتیاجی ندارند .
برج فرودگاه chiba
برج فرودگاه chiba ( تکمیل شده در 1986 ) اولین برج درژاپن بود که به TMD مجهز شد برج این فرودگاه یک سازه فولادی با 125 متر ارتفاع است که 1950 تن وزن و شکل پلانی لوزی وطول جانبی 15 متر دارد . زمان تناوب مودهای اول ودوم به ترتیب 25/2 و 51/0 ثانیه درجهت x هستند ودر جهت y به ترتیب 7/2 و 57/0 ثانیه می باشند . میرایی برای مود اصلی 5/0 درصد تخمین زده شد . نسبت های سیرای متناسب با فرکانسها برای مودهای بالا تر درتحقیق فرض شد. هدف TMD افزایش سیرایی مود اول برای هردو جهت x و y است . شکل 202 این میراگر را نشان می دهد که به وسیله شرکت تولیدی میتسو وبیشی تولید گردید این میراگر ویژگیهای زیررا دارد. نسبت جرم به ترتیب به جرم مودال اولین مود حدود 0083/0 درجهت 0125/0 درجهت u؛ و یک نسبت تناوب درجهات x وy به ترتیب 24/2 و 72/2 ثانیه ؛ و یک نسبت سیرایی 15 درصدی . حداکثر تغییرمکان نسبی میراگر نسبت به برج 1 متردرهرجهت است . کاهش حدود 30 تا 40 درصد درتغییرمکان سقف فوقانی و30 درصد دراوج لنگرخمشی مورد انتظار است .
شکل 2-1 میراگرجرمی تنظیم برج مراقبت فرودگاه
نمونه های قدیم تر TMD ها مکانیسمهای پیچیده ای برای تکیه گاهها و عناصر سیرایی بکارگرفته اند ، جرمهای نسبتا بزرگی دارند ، فضای اشغال شده نسبتا زیادی دارند و کلا گران هستند . نمونه های جدیدتر نظیرشکل ( 2-3) برای حداقل سازی این محدودیتها طراحی شده اند. این تصویر مجموعه ای ازتکیه گاهها لاستیکی الاسقو هریک ازبکارگرفته است که به صورت فنرهای برشی انجام وظیفه می کنند ، واجزایی قیربه لاستیکی ERC که توانایی سیرایی دیسکو الاستیک را فراهم می آورند.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 29 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله کنترل الحاقی سازه
