انواع سیستم‌های کنترل سازه
منظور از کنترل سازه در واقع کنترل و کاهش پاسخ های سازه تحت اثر بارهایی (علی الخصوص بارهای جانبی نظیر بار زلزله و باد) است که در طول عمر سازه به آن وارد می شود. علم کنترل سازه در مهندسی سازه، علم نوپایی است و در چند دهه اخیر مور توجه محققین قرار گرفته است.
مفهوم کنترل سازه
۱- به علت محدودیت‌های موجود در روش طراحی معمول، جامعه مهندسان به سمت مفهوم کنترل سازه گرایش پیدا کرده است.
۲- کنترل سازه به این معنی است که با در نظر گرفتن سازه به عنوان یک سیستم دینامیکی برخی از خصوصیات آن نظیر سختی و میرایی را بتوان طوری تنظیم کرد که اثر دینامیکی نیرو روی سازه تا سطح قابل قبولی کاهش پیدا کند.
۳- با اینکار فرکانس طبیعی سازه، شکل طبیعی و همچنین مقادیر میرایی متناظر آن طوری تغییر می‌یابد که نیروهای دینامیکی ناشی از بارهای محیطی کاهش یابند.
۴- به بیان ساده‌تر کنترل سازه عبارت است از بکارگیری ابزار یا اعضایی در سازه که باعث بهبود رفتار آن شوند.
۵- این مهم با بکارگیری تکنیک‌های متنوعی که به طور کلی می‌توان در چهار گروه دسته بندیشان نمود، قابل حصول است.
- غیر فعال (Passive)
- فعال (Active)
- ترکیبی یا پیوندی (Hybrid)
- نیمه فعال (Semi-Active)
سیستم‌های کنترل فعال (Active)
یک سیستم کنترل فعال، سیستمی است که در آن یک منبع خارجی به یک یا چند محرک سیستم 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 یا مستهلک نمودن انرژی سازه بکار روند.
در یک سیستم کنترل فعال همواره جهت راه اندازی محرک‌های الکترومکانیکی یا الکتروهیدرولیکی سیستم، که باعث اعمال نیروهای کنترل به سازه می‌شوند، به یک منبع بزرگ انرژی نیاز است. نیروهای کنترل بر اساس بازخوردهای حاصل از سنسورهایی که با اندازه گیری پاسخ سازه و یا تحریک اعمال شده به آن بدست 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 شوند، نیز وجود دارد. بنابراین از سیستم‌های کنترل فعال اصولاً به عنوان مکمل برای سیستم‌های کنترل غیر فعال در سازه‌های مهندسی استفاده می‌شود. به عنوان 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 غیر فعال (Passive)
یک سیستم کنترل غیر فعال 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 می‌هد.
در یک سیستم کنترل غیر فعال به منبع خارجی نیرو جهت عملکرد سیستم کنترل نیازی نیست. سیستم با استفاده از حرکت سازه، نیروهای کنترل را بوجود می‌آورد. نیروهای کنترل به صورت تابعی از پاسخ سازه در محل سیستم کنترل غیر فعال ایجاد می‌شوند. در صورت نصب این سیستم در سازه، دیگر امکان ایجاد تغییرات دلخواه و آنی در آن وجود ندارد. برای موثر بودن این سیستم کنترل، همواره نیاز به یک پیش بینی قابل اعتماد از بارهای طراحی و یک مدل عددی دقیق از سیستم فیزیکی است. معمولاً در این سیستم کنترل، امکان بهبود موضعی پاسخ میسر نیست. قابل ذکر است که استفاده از سیستم‌های کنترل غیر فعال به دلیل سادگی نصب و کم بودن هزینه‌های اجرا و نگهداری در سازه‌های مهندسی بسیار شایع است.
به عنوان نمونه‌ای از این سیستم‌های کنترل می‌توان به تکنیک‌های جداسازی پایه (Techniques of Base Isolation) که در آنها به علت انعطاف پذیر 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 جداگردن سازه از محل اعمال بار باعث کاهش پاسخ سازه می‌شوند 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 می‌شوند 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 می‌شوند و شامل سه دسته میراگرهای تنظیم شونده جرمی TMD، تنظیم شونده مایع TLD ,TCLD، تنظیم شونده غلطکی 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
معایب کنترل غیرفعال سازه
- وابسته بودن به تحریک خارجی (توضیحات بیشتر در ویدئو)
- عدم تطبیق با شرایط محیطی
کنترل غیرفعال سازه مشکلاتی نظیر وابستگی به محتوای فرکانسی نیروی خارجی اعمالی و شرایط محیطی را دارد و کنترل فعال سازه هم با وجود موثر بودن مشکلاتی نظیر نیاز داشتن به نیروی خارجی زیاد مانند برق دارد. علاوه بر این، در هنگام زلزله، شاید نتوان این نیرو را تامین کرد. همچنین هزینه‌های بالای تعمیر و نگهداری باعث شد که این سیستم هم زیاد کاربردی نباشد. به خاطر همین مشکلات دو سیستم کنترل نیمه فعال سازه و ترکیبی سازه مطرح شدند.
سیستم‌های کنترل پیوندی (Hybrid)
معنی متداول کلمه (کنترل پیوندی) به صراحت این مفهوم را که این سیستم ترکیبی از سیستم‌های کنترل فعال و غیر فعال است، می‌رساند. در یک سیستم کنترل پیوندی، ممکن است از یک سیستم کنترل فعال به عنوان مکمل و بهبود بخش کارایی سیستم کنترل غیر فعال یا برعکس از یک سیستم کنترل غیر فعال جهت کاهش انرژی مورد نیاز در یک سیستم کنترل فعال استفاده شود. به عنوان 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 است. بنابراین می‌توان گفت که سیستم‌های کنترل هیبریدی در واقع باعث کاهش برخی از محدودیت‌های موجود در هریک از سیستم‌های کنترل اصلی می‌شوند. در نتیجه این سیستم‌ها از سطح عملکرد بالاتری برخوردارند. علاوه بر این در صورتی که بعضآً منبع انرژی با مشکل مواجه شود، مولفه غیر فعال 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 هستند که در آنها از انرژی خارجی جهت تغییر خصوصیات مکانیکی دستگاه استفاده می‌شود.
سیستم‌های کنترل نیمه فعال در اصل سیستم‌های کنترل غیر فعالی هستند که قادر به تغییر و تنظیم خصوصیات مکانیکی سیستم هستند و به همین دلیل اغلب به این سیستم‌های کنترل، اصطلاح دستگاه‌های غیر فعال قابل کنترل (Controllable Passive Devices) اتلاق 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 خود 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 غیرخطی هستند و بسیاری از مزایای سیستم‌های کنترل فعال را بدون نیاز به منبع انرژی بزرگ دارا هستند. 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 اطمینان‌هایی 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 راه اندازی 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.
انواع سیستم‌های کنترل نیمه فعال سازه
- میراگرهای با سیال کنترل شونده توسط میدان مغناطیسی
- میراگرهای سختی نیمه فعال
- میراگرهای پیزوالکتریک
- میراگرهای ستون مایع تنظیم شونده نیمه فعال
- میراگر جرمی تنظیم شونده نیمه فعال
