[0 تا 100] روش های کنترل سازه فعال و غیرفعال سازه

منظور از روش های کنترل سازه فال و غیر فعال در واقع کنترل و کاهش پاسخ‌های سازه تحت اثر بارهای جانبی است که در طول عمر سازه به آن وارد می‌شود. علم کنترل سازه در مهندسی سازه علم نوپایی است و در چند دهه اخیر مور توجه محققین قرار گرفته است. در ادامه با پاوان همراه باشید.

کنترل سازه چیست؟

منظور از کنترل سازه در واقع کنترل و کاهش پاسخ‌های سازه تحت اثر بارهای جانبی ست که در طول عمر سازه به آن وارد می‌شود. علم کنترل سازه در مهندسی سازه علم نوپایی است و در چند دهه اخیر مور توجه محققین قرار گرفته است. ما در کل چهار نوع سیستم کنترل سازه داریم.

• کنترل غیرفعال سازه (passive control)
• کنترل فعال سازه (active control)
• کنترل نیمه فعال سازه (semi active)
• کنترل ترکیبی سازه یا  (hybrid structural control)

دیوارهای برشی و مهاربندها که با سوار شدن بر سازه پاسخ سازه را کاهش می‌دهند نوعی از سیستم کنترل غیرغیرفعال سازه هستند.

سیستم‌های کنترل فعال (Active)

یک سیستم کنترل فعال سیستمی است که در آن یک منبع خارجی به یک یا چند محرکِ سیستمِ کنترل انرژی می‌دهد و این محرک‌ها (Actuators) نیروهایی را مطابق با حالات از پیش تعریف شده به سازه وارد می‌سازند. این نیروها ممکن است جهت اضافه و یا مستهلک نمودن انرژی سازه بکار روند.

در یک سیستم کنترل فعال همواره جهت راه‌اندازی محرک‌های الکترومکانیکی یا الکتروهیدرولیکی سیستم که باعث اعمال نیروهای کنترل به سازه می‌شوند، به یک منبع بزرگ انرژی نیاز می‌باشد.

نیروهای کنترل بر اساس بازخوردهای حاصل از سنسورهایی که با اندازه گیری پاسخ سازه و یا تحریک اعمال شده به آن به دست می‌آیند، ایجاد می‌شوند. از آنجایی که سیستم‌های کنترل فعال جهت عملکرد به یک منبع انرژی خارجی نیاز دارند، لذا لازم است که این منبع انرژی در زمان وقوع رویدادهای شدید بدون تغییر و آسیب باقی بماند تا یکپارچگی سازه و عملکرد آن تحت الشعاع قرار نگیرد.

در کنار این مسئله احتمال اینکه سیستم‌های کنترل فعال با اعمال نیروی مکانیکی اضافی به سازه منجر به ناپایداری آن گردند نیز وجود دارد؛ بنابراین از سیستم‌های کنترل فعال اصولاً به‌عنوان مکمل برای سیستم‌های کنترل غیرفعال در سازه‌های مهندسی استفاده می‌شود. به‌عنوان نمونه‌ای از کاربرد این کنترل‌ها می‌توان به نقش میراگرهای جرم فعال در کاهش ارتعاشات ساختمان در بادهای پرقدرت و زلزله‌های متوسط و در نتیجه افزایش آسایش و راحتی ساکنین ساختمان‌ها اشاره نمود.

سیستم‌های کنترل غیرفعال (Passive)

یک سیستم کنترل غیرفعال سیستمی است که سختی یا میرایی سازه را به طور مقتضی و بدون نیاز به منبع انرژی خارجی جهت عملکرد و بارگذاری در سیستم تغییر می‌دهد.

در یک سیستم کنترل غیرفعال به منبع خارجی نیرو جهت عملکرد سیستم کنترل نیازی نمی‌باشد و سیستم با استفاده از حرکت سازه نیروهای کنترل را به وجود می‌آورد. نیروهای کنترل به‌صورت تابعی از پاسخ سازه در محل سیستم کنترل غیرفعال ایجاد می‌شوند.

در صورت نصب این سیستم در سازه، دیگر امکان ایجاد تغییرات دلخواه و آنی در آن وجود ندارد. برای مؤثر بودن این سیستم کنترل همواره نیاز به یک پیش‌بینی قابل اعتماد از بارهای طراحی و یک مدل عددی دقیق از سیستم فیزیکی می‌باشد. معمولاً در این سیستم کنترل امکان بهبود موضعی پاسخ میسر نمی‌باشد.

قابل ذکر است که استفاده از سیستم‌های کنترل غیرفعال به دلیل سادگی نصب و کم بودن هزینه‌های اجرا و نگهداری در سازه‌های مهندسی بسیار شایع می‌باشد. به‌عنوان نمونه‌ای از این سیستم‌های کنترل می‌توان به تکنیک‌های جداسازی پایه (Techniques of Base Isolation) که در آنها به علت انعطاف‌پذیر بودن پائین‌ترین طبقه ساختمان میزان انتقال انرژی به سایر طبقات به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد، اشاره نمود.
انواع سیستم‌های کنترل غیرفعال سازه

• جداگرها که شامل جداگرهای لرزه‌ای و جداگرهای آیرودینامیکی هستند. در جداگرهای لرزه‌ای با جدا کردن سازه از محل اعمال بار باعث کاهش پاسخ سازه می‌گردند و کاربرد آنها محدود به سازه‌هایی با ارتفاع متوسط می‌شود و جداگرهای آیرودینامیکی که با شکلی که دارند باعث می‌شود نیروی باد وارد به سازه کاهش پیدا کند.
• مستهلک کننده‌های انرژی که با افزایش دمپینگ و سختی سازه باعث کاهش پاسخ سازه می‌گردند و شامل میراگرهای اصطکاکی، میراگرهای ویسکوز و میراگرهای فلزی هستند.
• جذب کننده‌های ارتعاشات دینامیکی که با تغییر در مشخصات دینامیکی سازه مثل فرکانس طبیعی و میرایی باعث کاهش پاسخ سازه می‌گردند و شامل سه دسته میراگرهای تنظیم شونده جرمی TMD ، تنظیم شونده مایع TLD , TCLD ، تنظیم شونده غلتکی TRD هستند. این نوع میراگرها معمولاً در بالاترین تراز ساختمان به کار گرفته می‌شوند چراکه بیشترین کاهش را بر روی پاسخ سازه خواهد داشت.

مزایا کنترل غیرفعال سازه

• سادگی طراحی نسبت به سایر سیستم‌های کنترل سازه.
• عدم نیاز به انرژی خارجی مثل برق.
• هزینه پایین تعمیر و نگهداری.

معنی متداول کنترل پیوندی به صراحت این مفهوم را که این سیستم ترکیبی از سیستم‌های کنترل فعال و غیرفعال می‌باشد، می‌رساند. در یک سیستم کنترل پیوندی ممکن است از یک سیستم کنترل فعال به‌عنوان مکمل و بهبود بخش کارایی سیستم کنترل غیرفعال؛ و یا برعکس از یک سیستم کنترل غیرفعال جهت کاهش انرژی مورد نیاز در یک سیستم کنترل فعال استفاده شود.

به‌عنوان مثال می‌توان به ساختمانی اشاره کرد که با یک سری میراگرهای ویسکوالاستیک (Viscoelastic dampers) توزیع شده و یک میراگر جرم فعال که در طبقه بالای آن قرار دارد، تجهیز شده است. باید توجه شود که تنها تفاوت اصلی بین کنترل فعال و ترکیبی در اغلب موارد، میزان انرژی خارجی مورد نیاز سیستم می‌باشد.

بنابراین می‌توان گفت که سیستم‌های کنترل هیبریدی در واقع باعث کاهش برخی از محدودیت‌های موجود در هریک از سیستم‌های کنترل اصلی می‌شوند و درنتیجه این سیستم‌ها از سطح عملکرد بالاتری برخوردارند. علاوه بر این در صورتی که بعضآً منبع انرژی با مشکل مواجه شود، مؤلفه غیرفعال کنترل پیوندی همچنان به وظیفه خود عمل نموده و به حفاظت از سازه می‌پردازد.

 سیستم‌های کنترل نیمه فعال (Semi-Active)

سیستم‌های کنترل نیمه فعال دسته‌ای از سیستم‌های کنترل سازه می‌باشند که در آنها از انرژی خارجی جهت تغییر خصوصیات مکانیکی دستگاه استفاده می‌شود.

سیستم‌های کنترل نیمه فعال در اصل سیستم‌های کنترل غیرفعالی می‌باشند که قادر به تغییر و تنظیم خصوصیات مکانیکی سیستممی باشند و به همین دلیل اغلب به این سیستم‌های کنترل، اصطلاح دستگاه‌های غیرفعال قابل کنترل (Controllable Passive Devices) اطلاق می‌شود.

خصوصیات مکانیکی این سیستم‌ها بر اساس بازخوردهای اندازه گیری شده از پاسخ سازه تنظیم می‌شوند. در یک طرح کنترل نیمه فعال، یک سامانه کنترلگر (یک رایانه) به اندازه گیری بازخوردها می‌پردازد و بر اساس الگوریتم کنترل از پیش تعیین شده، سیگنالی مناسب جهت عملکرد دستگاه‌های نیمه فعال ارسال می‌کند.

نیروهای کنترل در نتیجه حرکت خودِ سازه و تنظیم مناسب خصوصیات مکانیکی سیستم کنترل نیمه فعال تولید می‌شوند. علاوه بر این، با توجه به اینکه نیروهای کنترل در اغلب سیستم‌های کنترل نیمه فعال در خلاف جهت حرکت سازه عمل می‌کنند، بنابراین باعث پایداری کلی سازه می‌شوند.

سیستم‌های کنترل نیمه فعال ذاتاً دارای رفتار غیرخطیمی باشند و بسیاری از مزایای سیستم‌های کنترل فعال را بدون نیاز به منبع انرژی بزرگ دارا می‌باشند. برخی از سیستم‌های کنترل نیمه فعال با اندازه گیری موضعی پارامترهای لازم جهت کنترل سازه، کاملاً غیر متمرکز (Non-Centralized) بوده و در نتیجه در برابر عدم اطمینان نهایی که غالباً در ارتباط با سیستم‌های سازه‌ای وجود دارد بسیار توانمند عمل می‌کنند.

دستگاه‌های کنترل نیمه فعال هیچ انرژی مکانیکی به سازه وارد نمی‌سازند و همچنین به انرژی بسیار اندکی (غالباً در حد چند باطری کوچک) جهت راه‌اندازی و تغییر سیستم‌های مکانیکی مربوط به کنترل رفتار دستگاه (مثلاً یک شیر کنترل الکتریکی) نیاز دارند. علاوه بر این نیروی کنترل تولید شده توسط یک دستگاه نیمه فعال همیشه به سرعت نسبی و تغییر مکان دستگاه بستگی دارد.