تعیین موقعیت بهینه مهار بازویی در ساختمان های بلند 11 w

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 11

تعیین موقعیت بهینه مهار بازویی در ساختمان های بلند

مرتضی کاظمی تربقان،دانشجوی کارشناسی ارشد سازه،دانشگاه علوم وفنون مازندران

چکیـده

سازه های بلند دارای فرم های سازه ای مختلفی می باشد.یکی‌ از‌ این‌ فرم‌های‌ سازه‌ای،‌ سازه‌های‌ با مهار‌ بازویی‌ می‌باشد‌ این فرم‌ سازه‌ای‌ دارای‌ یک‌ هسته مرکزی‌ که متشکل‌ از دیوارهای‌ برشی‌ و یا قاب‌‌های‌ مهار‌بندی‌ شده‌ می‌باشد، که هسته مرکزی‌ توسط‌ خرپاهای‌ باز‌و مانند‌ یا شاه‌ تیرها‌یی به نام مهار بازویی به ستون‌های‌ خارجی‌ متصل‌ می‌شود.این مهارها از چرخش هسته جلوگیری می کنند و باعث می شوند که تغییر مکان های جانبی و لنگر های هسته از حالتی که به تنهایی بارها را تحمل می کند کمتر گردد.از سازه‌هایی‌ که این فرم‌ سازه‌ای‌ را دارا بودند‌ می‌توان به ساختمان ‌WTC در آمریکا‌ اشاره نمود.

در این پژوهش موقعیت‌ بهینه‌ مهار‌ بازویی‌ با استفاده از روش‌های متعارف‌ موجود درحالت های استفاده از یک و دو مهار بازویی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است.همچنین تاثیر انواع بارگذاری جانبی بر این موقعیت بهینه نیز مورد ارزیابی واقع شده است.

پارامتری که مبنای تعیین این موقعیت بهینه قرارگرفته شده است،تغییر مکان جانبی بالای سازه می باشد.

کلمات کلیدی:مهار بازویی،قاب محیطی،هسته،موقعیت بهینه

مقدمـه

هنگامی که فرم سازه‌ای،شامل قاب محیطی و هسته می‌‌باشد، جهت انتقال نیروها از قاب محیطی به هسته بایستی از یک تیر عمیق به نام مهار بازویی استفاده نمود. هنگامی که ساختمان تحت اثر بار افقی قرار می‌گیرد، مهارهای بازویی از چرخش هسته جلوگیری می‌کنند و باعث می‌شوند که تغییر مکان‌های جانبی و لنگرهای هسته از حالتی که به تنهایی بارها را تحمل می‌کند کمتر گردد.یکی از مهم ترین مسا یل در این فرم سازه ای تعیین موقعیت بهینه مهار بازویی می باشد.در این پژوهش سعی شده است این موقعیت با استفاده از روش های متعارف موجود تعیین گردد.هم چنین اثر انواع بارگذاری بر موقعیت بهینه مهار بازویی مورد بررسی قرارگرفته شده است.نرم افزار استفاده شده جهت آنالیز ETABS می باشد.شایان ذکر است، پارامتری که مبنی تصمیم‌گیری در تعیین موقعیت بهینه مهار بازویی در این پژوهش قرار گرفته است، تغییر مکان افقی بالای سازه می‌باشد.

فرضیات آنالیـز

1ـ رفتار سازه الاستیک خطی در نظر گرفته شده است.

2ـ از سختی خمشی کف‌‌ها صرف‌نظر شده است.

3ـ مهارهای بازویی به صورت صلب، به هسته و هسته به صورت صلب، به پی متصل شده است.

4ـ خواص هندسی مقطع هسته، ستون‌ها و مهارهای بازویی، در راستای ارتفاع یک‌نواخت در نظر گرفته شده است.

5ـ مهار بازویی صلب در نظر گرفته شده است.

با فرض‌هایی انجام شده، مدل تحلیلی برای مثال مزبور، یک تیره طره مقید بوده، که می‌توان از روش‌های کلاسیک موقعیت بهینه مهار بازویی را تعیین نمود.

تعیین موقعیت‌ بهینه‌ مهار بازویی

در ابتدا، روابط کلی جهت تعیین موقعیت بهینه مهار بازویی ارائه شده است. و سپس این موقعیت بهینه در حالت‌های مختلف و براساس روابط ارائه شده تعیین می‌گردد.

تعیین لنگرگیرداری اعمالی از مهار بازویی به هسته

برای نشان دادن روش آنالیز، از یک سازه با دو مهار بازویی استفاده شده است (شکل1). آنالیز سازه‌هایی با کمتر یا بیشتر از دو مهار بازویی را نیز می‌توان براساس همین روش محاسبه نمود.

جهت بدست آوردن لنگر گیرداری اعمالی از مهار بازویی به هسته، از روابط سازگاری تعادل بین چرخش هسته و چرخش مهار بازویی در هر تراز مهار بازویی استفاده می‌شود. چرخش هسته برحسب تغییر شکل خمشی آن، و چرخش مهاربازویی برحسب تغییر شکل‌های محوری ستون‌ها و خمش مهار تعریف می‌گردد. [1]

میزان چرخش هسته را می‌توان با استفاده از روش لنگر ـ سطح در ترازهای مختلف تعیین نمود.

(1)

(2)

در روابط فوق:

EI = صلبیت خمشی کل هسته

H = ارتفاع کل هسته

= چرخش هسته در تراز 1

= چرخش هسته در تراز 2

= شدت بار افقی

و = فاصله مهارهای بازویی 1 و 2 از بالای هسته

و = لنگرهای گیرداری مهارهای بازویی 1 و 2 در اتصال به هسته.

چرخش مهارهای بازویی شامل دو مولفه می‌باشد: یک چرخش ناشی از تغییر شکل‌‌های محوری ستون‌ها و یک چرخش، ناشی از خمش مهار بازویی. با توجه به فرض صلبیت مهار بازویی، چرخش ناشی از خمش مهار بازویی صفر می‌باشد. [2]

در نتیجه چرخش انتهای داخلی مهار بازویی در ترازهای مختلف را می‌توان از روابط زیر تعیین نمود:

(3)

(4)

که در روابط فوق K عبارت است از

(5)

حال با مساوی قرار دادن چرخش هسته و مهارهای بازویی در ترازهای مختلف خواهیم داشت:

چرخش در تراز 1

چرخش در تراز 2

پس از ساده‌سازی روابط (6) و (7) و حل هم‌زمان آن‌ها می‌توان مقادیرM1 و M2 را نیز محاسبه نمود

پس از تعیین لنگرهای گیرداری، لنگر موجود در هسته به صورت زیر بدست می‌آید:

(8)

تعیین تغییر مکان افقی

تغییر مکان افقی سازه را می‌توان با استفاده از نمودار لنگر خمشی مربوط به هسته و از روش لنگر ـ سطح محاسبه نمود.

با توجه به این‌که محاسبه رابطه عمومی تغییر مکان در ارتفاع سازه بسیار پیچیده خواهد بود، لذا، تنها جابه‌جایی بالای سازه تعیین می‌شود. [3]

(9)

لازم به ذکر می‌باشد، جمله اول رابطه (9)، تغییر مکان بالای هسته ناشی از بار گسترده یکنواخت می‌باشد، و چنان‌چه نوع بارگذاری تغییر نماید، آن عبارت نیز تغییر خواهد نمود.

تعیین موقعیت بهینه مهار بازویی

برای تعیین موقعیت بهینه مهار بازویی بایستی محلی را پیدا نمود، که چنان‌چه مهار بازویی در آن محل قرار گیرد، تغییر مکان افقی بالای سازه کم‌ترین مقدار خود را داشته باشد. تعیین این محل با حداکثر نمودن میزان کاهش جابه‌جایی[ دومین جمله سمت راست رابطه (9)] صورت می‌گیرد. [4]

برای یک سازه با دو مهار بازویی، دومین جمله رابطه تغییر مکان(رابطه 9) با مشتق‌گیری، ابتدا نسبت به و سپس نسبت به به حداکثر مقدار خود می‌رسد، در نتیجه:

(10 الف)

(10 ب)

با حل هم‌زمان روابط(10) مقادیر و که مبین ترازهای بهینه مهارهای بازویی می‌باشند تعیین می‌شود.

تعیین موقعیت بهینه مهار بازویی دریک سازه تحت بار جانبی گسترده یک‌نواخت

بر طبق آنچه قبلاً توضیح داده شد می‌توان موقعیت بهینه‌ مهار بازویی در یک سازه تحت بار جانبی گسترده یک‌نواخت ( شکل2) را به صورت زیر تعیین نمود:

شکل 2 سازه‌ با یک‌ مهار‌بازو‌یی تحت بار‌ جانبی گسترده یکنواخت

با توجه به روابط ذکر شده تغییر مکان بالای سازه در این حالت برابر است با:

(11)

با مشتق گرفتن از رابطه (11) نسبت به x و برابر صفر قرار دادن آن، موقعیت بهینه مهار بازویی محاسبه می‌گردد.

(12)

حال جهت بررسی نتیجه بدست آمده از حالت تئوری و مدل واقعی، یک قاب صلب 50 طبقه، که در دهانه وسط آن یک دیوار برشی به عنوان هسته قرار دارد به وسیله نرم‌افزار مدل گردیده، و مهار بازویی در طبقات مختلف قرار داده شده و در هر یک از حالات تغییر مکان افقی بالای سازه اندازه‌گیری شده است. نتایج حاصل از این اندازه‌گیری‌ها را می‌توان در شکل (3) مشاهده نمود. جهت سهولت در مقایسه، نمودار برحسب تغییر مکان افقی بالای سازه هنگامی که مهار بازویی در آن تراز واقع شده باشد، مقیاس شده است در ادامه با توجه به این‌که از سختی خمشی کف صرف‌نظر شده است، یک مهار بازویی در بالای سازه قرار داده شده است، و مهار بازویی دیگر در ترازهای مختلف جابه جا شده است. که می‌توان نتایج حاصل از این آنالیز را نیز در شکل (3) مشاهده نمود.

شکل 3 موقعیت بهینه مهار بازویی در یک سازه تحت بار جانبی یکنواخت

تعیین موقعیت بهینه‌ مهار بازویی در سازه غیر یکنواخت

در مبحث قبل موقعیت بهینه مهار بازویی هنگامی‌که سطح مقطع اعضا ثابت بود مورد بررسی واقع شد، ولی با توجه به اینکه استفاده از سطح مقطع ثابت باعث غیراقتصادی شدن سازه می‌گردد. به منظور مقایسه و درک اثر تغییر در سطح مقطع ستون‌ها، در این قسمت همان سازه در نظر گرفته می شود،

بررسی تغییر مکان نسبی سازه های بلند فلزی با تغییر سیستم مها ربندی در ارتفاع 8 ص

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 8

بررسی تغییر مکان نسبی سازه های بلند فلزی با تغییر سیستم مهاربندی در ارتفاع

محسن گرامی، استادیار گروه عمران، دانشگاه سمنان، پژوهشگر فوق دکتری سازه، دانشگاه تربیت مدرس

[e-mail]

روزبه صدری، دانشجوی کارشناسی ارشد سازه، دانشگاه آزاد اسلامی واحد زاهدان

[e-mail]

چکیده:

دستورالعمل FEMA جهت کنترل خسارت در سازه های بلند مقادیر تغییر مکان نسبی سازه ها را محدود نموده است . سازه های فولادی بلند با سیستم مهاربندی، معمولا مهاربند ها به صورت مشخص و بدون تغییر در ارتفاع استفاده می شود و بیشتر تغییرات در پلان سازه می باشد.با توجه به اینکه تحقیقات جدید برروی انواع گوناگون مهاربندی و رفتار لرزه ای سیستمهای ترکیبی در پلان سازه متمرکز است لیکن تغییر نوع مهاربندی در ارتفاع سازه کمتر مورد بررسی قرار گرفته است.اگر بتوان با تغییر نوع مهاربند در ارتفاع ساختمان، رفتار لرزه ای آنرا بهبود بخشید می توان نسبت به عملکرد لرزه ای آن اطمینان بیشتری حاصل کرد. همچنین می توان نسبت به بهینه نمودن مصرف مصالح فولادی در ساختمانهای فلزی اقدامی جدی نمود . در این مطالعه تعدادی از قابهای خمشی فولادی با ارتفاع های مختلف، پس از بارگذاری و طراحی بر اساس استانداردهای ایران، تحت 3 زلزله طبس، ناغان و رودسر مورد تحلیل دینامیکی غیر خطی تاریخچه زمانی قرار گرفته و با تغییر نوع مهاربندی در ارتفاع این قابها و بررسی در حداکثر تغییر مکان نسبی سازه از تحلیل، تراز مناسب جهت تغییر نوع مهاربندی پیشنهاد گردیده است . در انتها نتیجه گردید که تغییر در نوع سیستم مهاربندی در تراز مشخصی از ارتفاع می تواند درکاهش حداکثر تغییر مکان نسبی سازه تحت زلزله موثر باشد .

کلمات کلیدی : قابهای مهاربندی شده فولادی ، تغییر نوع مهاربندی در ارتفاع، تحلیل دینامیکی غیر خطی

مقدمه و تاریخچه تحقیقات :

یکی از سیستمهای متداول سازه ای در سازه های بلند فولادی، سیستم دو گانه یا سیستم ترکیبی می باشد . هر یک سیستمهای مهاربندی رفتاری متفاوت در برابر زلزله دارند که به همین سبب این سیستمها دارای مزایا و معایبی می باشند . طراحی سازه های بلند و همچنین درک درست از رفتار مهاربندی ها جهت اطمینان حاصل کردن از رفتار و عملکرد مناسب دوگانه، بویژه در هنگام زلزله، از اهمیتی خاص برخوردار است . به همین دلیل می بایست در انتخاب نوع سیستم مهاربندی و همچنین چیدمان آن در سازه جهت برآوردن ملزومات آیین نامه ای دقتی خاص نمود . به طورکلی سیستمهای متداول جهت مقاوم نمودن سازه های فولادی در برابر نیروهای جانبی همانند زلزله عبارت است از : قاب خمشی، قاب مهاربندی شده و قاب خمشی مهاربندی شده .

هر یک از این سیستمها با توجه به ارتفاع سازه در برابر نیروهای جانبی دارای مزایا و معایبی می باشند .

در سیستم قاب خمشی، اتصالات خمشی می بایست سختی لازم جهت ثابت نگهداشتن زاویه میان اعضاء را تحت اثر بار داشته باشند . فواصل آزاد بین ستونها از نظر معماری و تحمل نیرو بلافاصله پس از اجرا از عمده مزایای این نوع قاب شمرده می شود . این سیستم دارای شکل پذیری مناسب ولی سختی محدود می باشد .

قاب مهاربندی شده به عنوان یک سیستم جهت بهبود عملکرد قاب خمشی می باشد به این ترتیب که با حذف عملکرد خمشی و افزودن یک سیستم خرپایی، برش وارد به سازه ناشی از زلزله، توسط اعضای قطری جذب می شوند و به صورت کشش و فشار به سیستم منتقل می گردد . از انواع این سیستم می توان مهاربند X شکل، مهاربند 7 و .... را نام برد . قابهای مهاربندی شده به دو صورت همگرا و واگرا می باشند . سختی مهاربندهای همگرا بیشتر از مهاربندهای واگرا می باشد ولی در عوض شکل پذیری مهاربندهای واگرا بیشتر و استهلاک انرژی آنها بیشتر می باشد . سیستم قاب خمشی مهاربندی شده با نامهای سیستم دوگانه یا ترکیبی نیز بکار برده می شود در این سیستم درصدی از نیروی زلزله به مهاربندها و درصدی دیگر به قاب خمشی منتقل می شود . در حقیقت قاب خمشی جهت تحمل نیروهای ثقلی و درصدی از نیروی زلزله تحلیل می شود . به دلیل سختی محدود قابهای خمشی و لزوم کنترل تغییر مکانهای جانبی، کاربرد سیستم مهاربندی همگرا که دارای سختی زیادی می باشد به همراه قاب خمشی دارای امتیازاتی است . اما شکل پذیری سیستم به دلیل کمانش مهاربند قطری محدود می شود .

اخیرا قاسمی و صفری و ماهری [ 1 ] مطالعاتی در رابطه با مکان یابی محل مهاربندها در قابهای فولادی و بهینه یابی محل مهاربندها انجام داده اند که در آن با جابه جا نمودن محل مهاربندها در ترازهای مختلف و بررسی رفتارهای قابهای متفاوت به نتایجی دست یافته اند . آنها مقدار تنش در المانها، مقدار جابه جایی طبقات، در کشش نیفتادن پی ها، تعداد مهاربند در هر طبقه و نیز از لحاظ معماری، وجود یا عدم وجود مهاربند در دهانه خاص را در نظر گرفتند . برای کنترل مقدار تنش در المانها آنها با کمک از آیین نامه AISC-ASD89 مقدار تنش در روی المانها را به مقادیر تنش مجاز آیین نامه محدود کردند .

برای کنترل اثرات P-Δ و کنترل جابه جایی نسبی در زلزله سطح بهره برداری، جابه جایی نسبی هر طبقه را به 015/0 متر محدود کردند .

از لحاظ معماری به جهت اینکه بعضا به دلیل وجود بازشو در یک دهانه خاص امکان قرار گیری مهاربند در آن دهانه وجود ندارد، وجود بازشو در بعضی دهانه های خاص در طبقه محدود شده است .

ریاحی و عبدلی [ 4 ] نیز اخیرا مطالعاتی راجع به بهینه سازی موقعیت مهاربندها در قابهای فولادی دو بعدی داشته اند در مطالعه صورت گرفته هدف، تاثیر بهره گیری از تئوری گرافها در تعیین موقعیت مهاربندها در رفتارسازه ای قاب ( مانند تغییر شکل جانبی و یا وزن ) نسبت به حالتهای مهاربندی متداول است . پارامترهای مورد بررسی آنها وزن، تغییر مکان طبقات و نیروی بر کنش یا Uplift، بوده است .

روند انجام پژوهش :

قابهای دو بعدی 4، 7، 10، 15، 20 و 25 طبقه در دو مرحله 3 و 7 دهانه مطابق شکل (1) مورد بررسی قرار گرفت .

m5/3

m 5×7 m 5×3

شکل (1) : مشخصات قابها

در بارگذاری ثقلی از مبحث 6 مقررات ملی و در بارگذاری لرزه ای از استاندارد 2800 ایران (ویرایش سوم) کمک گرفته شد . طول دهانه ها ثابت و برابر 5 متر، ارتفاع طبقات ثابت و برابر 5/3 متر و عرض بارگیر قابها 5/4 متر در نظر گرفته شده است . همچنین فرض گردیده است که قابها بر روی خاک نوع 2 قرار گرفته باشند و از نظر اهمیت در رده متوسط قرار دارند . کلیه قابها دارای خطر نسبی زیاد هستند و از سیستم دو گانه خمشی فولادی ویژه همراه با مهاربند هم محور با R=9 بکار گرفته شده است .

پس از تحلیل و طراحی قابها، مهارهای هفتی به ترتیب جایگزین مهارهای ضربدری در ارتفاع سازه شدند (جایگزینی از بالا به پایین صورت گرفت) و پس از جایگزینی مجددا قابها مورد تحلیل و طراحی قرار گرفتند . بدین ترتیب 174 قاب متفاوت مورد تحلیل و طراحی قرار گرفت تا نیاز دریفت طبقات آنها بر اساس تحلیلهای دینامیکی غیر خطی که در ادامه به آن پرداخته خواهد شد مورد ارزیابی قرار گیرند .

شاخص Drift :

نیاز Drift طبقه یکی از شاخصهای اصلی ارزیابی خسارت لرزه ای است و همچنین در طراحی قابها به دلایل مختلف حائز اهمیت می باشد . تخمین Drift برای تعیین درز انقطاع به منظور ممانعت از ضربه سازه ها به یکدیگر، لازم می باشد . Drift های طبقات سهم زیادی در ایجاد صدمه به اجزای سازه ای و غیر سازه ای دارند . توجه روز افزون به هزینه های ناشی از خسارت لرزه ای و مشکلات ناشی از آن ( در حوزه ورود سازه به رفتار غیرخطی ) به ضرورت کنترل میزان خسارات و قابلیت تعمیر سازه در مرحله طراحی تاکید می کنند .

Kumar and Kalyanaraman [ 2 ] و Qiang Xie [ 3 ] نیز در مطالعه خود جهت بررسی قابهای مهاربندی شده هم مرکز و همچنین ظرفیت اتلاف انرژی این نوع قابها، پارامتر Drift را جهت مقایسه قابهای متفاوت مورد مطالعه قرار داده است.

ارزیابی زاویه دریفت طبقات سازه های مورد بررسی با تحلیل دینامیکی غیرخطی :

پس از تحلیل و طراحی قابها، تمامی قابها به کمک نرم افزار DRAIN-2DX مورد تحلیل دینامیکی غیرخطی تاریخچه زمانی قرار گرفت . در تحلیل غیرخطی سازه ها از 3 شتابنگاشت طبس با بیشینه شتاب زمین 0.93g، زلزله ناغان با بیشینه شتاب زمین 0.72g و رودسر با بیشینه شتاب زمین 0.78g استفاده شده است .

با تحلیل قابها و ثبت نتایج مقدار جابه جایی طبقات در گامهای زمانی، مقدار دریفت در هر طبقه محاسبه گردید . این مقدار از تفاضل جابه جایی دو طبقه متوالی صورت میگیرد . با تقسیم مقدار دریفت بدست آمده بر ارتفاع هر طبقه، زاویه دریفت طبقات محاسبه می گردد . اما چون این مقدار در گامهای متفاوت زمانی محاسبه گردیده است، بیشینه مقدار آن در طول تاریخچه بارگذاری مورد استفاده قرار گرفته است.

نمودارهای مربوط به نیاز زاویه دریفت طبقات به عنوان نمونه و برای قاب 20 طبقه تحت 3 رکورد در ادامه نمایش داده شده است . در این نمودار ستون عمودی مربوط به ارتفاع نسبی و ستون افقی مربوط به بیشینه نیاز زاویه دریفت به درصد می باشد . منحنی های مختلف مربوط به تغییر در تراز تغییر نوع مهار از ضربدری به هفتی بوده و در هر شکل نتایج برای 3 زمینلرزه مورد بررسی به تفکیک ارائه شده است .

کنترل فعال نامتمرکز سازه‌های بلند با پسخور شتاب 11 ص

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 11

کنترل فعال نامتمرکز سازه‌های بلند با پسخور شتاب

چکیده:

پاسخ سازه‌های بزرگ مقیاس و بلند را می‌توان با بهره‌گیری از الگوریتم‌های کنترل فعال مناسب و بکار بردن عملگرها در طبقات کاهش داد و استفاده از روش‌های نوین کنترل جهت رسیدن به ترازهای ایمنی بالا در این راستا می‌باشد. در این مقاله روش کنترل نامتمرکز سازه‌های بلند با پسخور شتاب ارائه شده است. در روش کنترل نامتمرکز، یک سازه بزرگ به چند زیرسازه کوچکتر تقسیم شد و برای هر زیرسیستم، الگوریتم کنترل مخصوص آن استفاده می‌شود. زیرسیستم‌های مختلف با یکدیگر همپوشانی داشته و در نقاط مشترک با یکدیگر تبادل اطلاعات خواهند داشت. الگوریتم مورد استفاده جهت کنترل سازه، الگوریتم کنترل بهینه لحظه‌ای با بهره‌گیری از پسخور شتاب بوده و در انتها یک نمونه عددی جهت الگوریتم پیشنهاد شده در این مقاله و بررسی نتایج آن با حالت کنترل متمرکز ارائه گردیده است.

واژه‌های کلیدی: کنترل، نامتمرکز، سازه‌های بلند، پسخور.

1) مقدمه

سازه‌های بلند از انواع سیستم‌های سازه‌ای می‌باشند که ضرورتاً در کنترل لرزش‌های آن باید از کنترل غیرمتمرکز استفاده شود. این لرزش‌ها می‌توانند شامل دو دسته لرزش‌های کلی و لرزش‌های موضعی شوند. از طرفی با توجه به بزرگی این سازه‌ها، مطمئناً بهره‌گیری از یک مرکز کنترلی ارتعاشات برای این ساختمان‌ منطقی نبوده و باید از چند مرکز کنترل ارتعاشات استفاده شود.

در سازه‌های بلند از چندین نوع سیستم باربر گرانشی و زلزله استفاده می‌شود که غیرمتمرکز کردن کنترل سازه تا اندازه زیادی به سیستم باربر جانبی بستگی دارد. در واقع بحث نامتمرکز کردن کنترل در ترازها، در جهت بالا بردن ایمنی کنترل ارتعاشات سازه‌های بلند بوده و در این حالت در صورت از کار افتادن یکی از مغزهای کنترل با سری‌سازی خودکار سیستم می‌توان کنترل ارتعاشات سازه را به زیرسیستم سالم سپرد.

به طور کلی کنترل فعال (Active control) سازه‌ها شامل دو بخش الگوریتم‌های موردنیاز جهت بدست آوردن مقدار نیروی کنترل و مکانیزم‌های اعمال نیرو می‌باشد. در این نوع کنترل، از الگوریتم‌های گوناگونی که دارای دیدگاه‌های متفاوتی می‌باشند، استفاده می‌شود. الگوریتم‌هایی نظیر کنترل بهینه، کنترل بهینه لحظه‌ای (Instantaneous Optimal Control)، جایابی قطبی (Pole Assignment)، کنترل فضای مودی (IMSC)، پالس کنترل و الگوریتم‌های مقاوم (Robust) مانند H2، H∞، کنترل مود لغزشی (Sliding Mode Control) و غیره از جمله الگوریتم‌های بکار رفته در کنترل سازه می‌باشند.

کنترل غیرمتمرکز در آغاز در مورد سیستم‌های قدرت بکار رفته و سپس توسط افرادی مانند یانگ و سیلژاک (Yanng & Siljack) گسترش یافته است. در این کنترل، ونگ و دیویدسون (Wan g & Davidson) مساله پایداری سیستم را بررسی کردند. آنها یک شرط لازم و کافی را برای اینکه سیستم تحت قوانین کنترلی با پس‌خور محلی و جبران‌سازی دینامیکی پایدار باشد، بیان کردند. یانگ و همکاران (Yang et al) روش مود لغزشی را برای اینکه کنترل غیرمتمرکز سیستم‌های بزرگ مقیاس، زیر اثر ورودی خارجی و با وجود عامل تاخیر زمانی در متغیرهای حالت ارائه کردند. طرح کنترل شامل یک قانون کنترلی غیرمتمرکز و یک فوق صفحه سوئیچینگ از نوع انتگرالی است. آنها ابتدا قانون کنترل غیرمتمرکز را به گونه‌ای تعیین کردند تا شرایط رسیدن کلی (Global Reaching low) برقرار شود.

کنترل غیرمتمرکز در مهندسی عمران اولین بار توسط ویلیامز و ژو (Williams & Xu) در سازه‌های فضایی انعطاف‌پذیر بررسی شد. سپس ریاسیوتاکی و بوسالیس (Ryaciotaki & Boussalis) از روش کنترل تطبیقی مدل مرجع (Reference Adaptive Control Theory Model) برای تعیین قانون کنترلی غیرمتمرکز استفاده کردند. دیکس و همکاران (Dix et al) چندین روش غیرمتمرکز را برای سازه‌های فضایی بیان کردند. هینو و همکاران (Hino et al) در مورد مسئله کنترل یک سازه ساختمانی چند درجه آزادی مانند یک ساختمان بلندمرتبه با بهره‌گیری از کنترل تطبیقی ساده غیرمتمرکز بحث کرده‌اند. رفویی و منجمی‌نژاد (Rofooei & Monajeminejad) نسبت به کنترل نامتمرکز سازه‌های بلند با بهره‌گیری از کنترل بهینه لحظه‌ای اقدام نمودند. آنها ابتدا به بررسی دلایل ضرورت استفاده از کنترل غیرمتمرکز پرداخته شده و سپس با طراحی کنترل‌کننده‌ها و ماتریس بهره (Gain Matrix) به بررسی دو حالت کنترل یکی با بهره‌گیری از پس‌خور سرعت و دیگری کنترل با بهره‌گیری از پس‌خور سرعت و جابجایی پرداختند.

منجمی‌نژاد و رفویی در ارتباط با کنترل غیرمتمرکز در سازه‌های بلند، در ادامه به بررسی الگوریتم مود لغزشی (Sliding Mode) به صورت غیرمتمرکز پرداختند. مراحل طراحی کنترل‌کننده در روش مود لغزشی شامل دو مرحله است. مرحله اول شامل طراحی سطوح لغزش بوده و مرحله دوم طراحی رابطه کنترل یا قانون رسیدن (Reaching Law) را در بر می‌گیرد. باید توجه داشت که نامتمرکز بودن کنترل، قابلیت اعتماد به پایداری سیستم را افزایش داده و در صورت از کار افتادن کنترل یکی از زیرسیستم‌ها، سیستم کنترل دچار آسیب کلی نخواهد گردید. کنترل نامتمرکز می‌تواند در دو حالت با درنظر داشتن تاثیرات درجات آزادی مشترک بین زیرسیستم‌ها و یا بدون درنظر داشتن این تاثیرات انجام شود که البته در حالت با درنظر داشتن تاثیرات درجات آزادی به پایداری هر زیرسیستم و کل سیستم کنترل می‌توان اطمینان بیشتری داشت.

در مقاله حاضر کنترل متمرکز و نامتمرکز سازه‌های بلند در حالت سه بعدی با درنظر داشتن درجات آزادی مشترک بین زیرسازه‌ها و اثر دوگانه آنها بر یکدیگر بررسی گردیده است. الگوریتم مورد استفاده کنترل بهینه لحظه‌ای‌ (Instantaneous Optimal Control) می‌باشد که توسط آقایان یانگ و همکارانش بسط داده شده و از پس‌خور شتاب جهت محاسبه نیروهای کنترل استفاده گردیده است. روش نامتمرکز کردن کنترل در این مقاله بر اساس تعداد درجات آزادی بوده و نمونه‌های عددی نیز با بکارگیری الگوریتم کنترل نامتمرکز حل و نتایج آنها با حالت کنترل متمرکز مقایسه گردیده و ارائه شده‌اند.

2) روابط حاکم

1-2) کنترل نامتمرکز و روابط وابسته

مدل ساختمان برشی در حالت دو بعدی درنظر می‌باشد. در این مدل هر طبقه به صورت یک درجه آزادی مدل می‌شود که به دو تراز بالا و پایین بوسیله یک فنر برشی و یک میراگر متصل شده است. مقالات زیادی در حوزه کنترل سازه‌ها بر اساس این مدل نگاشته شده‌اند. منجمی‌نژاد و رفویی مدل سازه‌ای را به صورت ساختمان برشی درنظر گرفته است و روابط مربوطه را بدست آورده‌اند. در این حالت معادله دیفرانسیل حاکم بر رفتار دینامیکی یک مدل سازه‌ای دوبعدی به صورت زیر است:

(1)

که در آن M ماتریس جرم، K ماتریس سختی، C ماتریس میرایی، H ماتریس موقعیت کنترلر‌ها، U فرمان کنترلی، شتاب زلزله وارد بر ساختمان، بردار تغییر مکان‌های طبقات و {1} بردار ستونی است که تمام مولفه‌های آن عدد یک می‌باشد. ماتریس‌های رابطه به شرح زیر بوده و نحوه ریز کردن سیستم نیز مطابق شکل 1 می‌باشد.

شکل (1) مدل سازه‌ای یک ساختمان بلند

(2)

n: تعداد طبقات ساختمان؛

r: تعداد کنترل کننده‌ها؛

ki: سختی برشی طبقه iام؛

mi: وزن طبقه iام.

در این روابط، xi را می‌توان به دو صورت زیر تعریف کرد:

xire: جابجایی طبقه iام نسبت به یک دستگاه اینرسی (تغییر مکان اینرسی)

کنترل فعال متمرکز و نامتمرکز سازه‌های بلند در حالت سه بعدی با پسخورجابجایی و سرعت 21 ص

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 21

کنترل فعال متمرکز و نامتمرکز سازه‌های بلند در حالت سه بعدی با پسخورجابجایی و سرعت

*مهران فدوی، فیاض رحیم‌زاده رفویی2، سهیل منجمی‌نژاد3

1. دانشجوی دکتری و عضو هیات علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد گرگان

2. استاد دانشگاه صنعتی شریف تهران

3. استادیار دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران مرکز

*. [e-mail]

چکیده

نیاز به ترازهای ایمنی بالاتر در سازه‌های بااهمیت، تامین پایداری و ایجاد محدودیت‌هایی در خصوص میزان لرزش به لحاظ احساس ایمنی ساکنین در سازه‌های بلند از اهداف اصلی طراحان و مهندسان عمران می‌باشد. در این گونه سازه‌ها بکارگیری سیستم‌های کنترل ارتعاشات سازه‌ای به صورت فعال و غیرفعال مرسوم بوده و برخی از آنها نیز کاربردی شده‌اند. در این مقاله کنترل متمرکز سازه‌های بلند تشریح شده و در خصوص نامتمرکز کردن این کنترل به گونه‌ای که بر رفتار کلی سازه تاثیر مثبت داشته باشد، پژوهش گردیده است. در این پژوهش سازه به صورت سه بعدی مدل شده و الگوریتم کنترل فعال بهینه لحظه‌ای، با پسخور جابجایی و سرعت جهت حل معادلات کنترل استفاده شده است. روابط حاکم بر پایداری سازه در حالت نامتمرکز و نوشتن الگوریتم حل معادلات به گونه‌ای که پایداری سازه در کلیه حالت‌ها برقرار باشد، بحث و اثبات گردیده و در انتها نمونه‌های عددی از حل روابط و معادلات حاکم با توجه به حالت‌های گوناگون از نامتمرکزسازی کنترل در سازه‌‌های بلند ارائه شده است. یکی از حالت‌‌های نامتمرکزسازی کنترل به تقسیم سازه اصلی با تعداد 3n درجه آزادی به زیرسازه‌‌هایی با تعداد 3ni درجه آزادی گفته می‌شود که مجموع تعداد درجه آزادی زیر سازه‌ها برابر با تعداد درجه آزادی سازه اصلی می‌باشد.

واژه‌های کلیدی: سازه‌های بلند، متمرکز، نامتمرکز، سه بعدی، پسخور

1. مقدمه

کنترل فعال (Active Control) ‌سازه‌ها به طور کلی شامل دو بخش الگوریتم‌های مورد نیاز جهت بدست آوردن مقدار نیروی کنترل و مکانیزم‌های اعمال نیرو می‌باشد. در این نوع کنترل، از الگوریتم‌های گوناگونی که دارای دیدگاه‌های کنترلی متفاوتی می‌باشند، استفاده می‌شود. الگوریتم‌هایی نظیر کنترل بهینه، کنترل بهینه لحظه‌ای (Instantaneous Optimal Control)، جایابی قطبی (Pole Assignment)، کنترل فضای مودی (IMSC)، پالس کنترل و الگوریتم‌های مقاوم (Robust) مانند ، ، کنترل مود لغزش (Sliding Mode Control) و غیره از جمله الگوریتم‌های به کار رفته در کنترل سازه می‌باشند. با توجه به تعریف‌هایی که از کنترل فعال توسط آقای یائو (Yao) و سایر پژوهشگران شده است یک سیستم کنترل فعال شامل بخش‌های زیر می‌باشد (شکل 1):

شکل 1: الگوریتم کلی کنترل فعال سازه در حالت کنترل متمرکز

سیستم‌های کنترل را می‌توان در دو دسته سیستم‌های معمولی و سیستم‌های بزرگ مقیاس (Large Scale Systems) در نظر گرفت. در سیستم‌های معمولی، کنترل سازه به صورت متمرکز مناسب بوده و نیازی به تقسیم سیستم به سیستم‌های ریزتر نمی‌باشد ولی در سیستم‌های بزرگ مقیاس نظیر ساختمان‌های بلند و حجیم، اندازه سیستم کنترلی و حجم آن در انتقال و جابجایی اطلاعات و فرمان‌ها، به ویژه با توجه به اینکه نیروهای لرزه‌ای در مدت زمان کوتاهی (کمتر از دقیقه) بر سازه وارد می‌شوند، مشکل ایجاد کرده و تأخیر زمانی قابل توجهی در صدور فرمانها به وجود می‌آورد. بر این اساس تلاش می‌شود تا هر بخش از سیستم به صورت مستقل کنترل شود. به هر بخش زیرسیستم گفته شده و یک سیستم از تعداد معینی زیرسیستم (Subsystem) تشکیل می‌شود (شکل 2).

شکل 2: الگوریتم کلی کنترل فعال در حالت کنترل غیرمتمرکز با سه زیرسیستم

شیوه ریز کردن یک سیستم به چند زیر سیستم بستگی به طرح سیستم از نظر سازه‌ای، درجات آزادی آن و میزان گستردگی فیزیکی آن دارد. کنترل غیرمتمرکز در آغاز در مورد سیستم‌های قدرت بکار رفته و سپس توسط افرادی مانند یانگ و سیلژاک (Yanng & Siljack) گسترش یافته است. در این کنترل، آقایان ونگ و دیویدسون (Wang & Davidson) مساله پایداری سیستم را بررسی کردند. آنها یک شرط لازم و کافی را برای اینکه سیستم تحت قوانین کنترلی با پس‌خور محلی و جبران‌سازی دینامیکی پایدار باشد، بیان کردند.

کنترل غیرمتمرکز در مهندسی عمران اولین بار توسط ویلیامز و ژو (Williams & Xu) در سازه‌های فضایی انعطاف‌پذیر بررسی شد. سپس ریاسیوتاکی و بوسالیس (Ryaciotaki & Boussalis) از روش کنترل تطبیقی مدل مرجع (Reference Adaptive Control Theory Model) برای تعیین قانون

کنترل غیرمتمرکز مدل‌های دو بعدی سازه‌های بلند با پسخور شتاب و تعمیم آن به حالت سه بعدی 60 ص

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 61

گفتار نخست: کلیات

1-1) مقدمه

تامین پایداری سازه‌های عمرانی در برابر بارهای وارده بر آنها هدف اصلی طراحان و مهندسان عمران می‌باشد. هنوز هم ساختما‌ن‌ها، پل‌ها و دیگر سازه‌های ساخت بشر به عنوان سازه‌هایی غیرفعال به لحاظ پایداری تابع جرم و صلبیت خود در برابر بارهای خارجی بوده و توانایی مشخصی برای اینگونه بارها دارند. در چند دهه اخیر به دلایلی چون نرمی زیاد و اجتناب‌ناپذیر سازه‌های بلند، وجود محدودیت‌هایی در خصوص میزان لرزش حداکثر به لحاظ آسایش ساکنین، نیاز به ترازهای بالاتر ایمنی در سازه‌هایی با کاربردهای پراهمیت و همینطور ارزش بالای وسایل و تجهیزات داخلی و نصب شده در این سازه‌ها سبب شده‌اند که در نظر گرفتن ملاحظاتی ویژه برای سازه‌ها و محدود کردن دامنه لرزش آنها ضرورت یابد. بدین لحاظ روش‌های گوناگونی برای محدود کردن پاسخ سازه‌ها به تحریکات خارجی در قالب سیستم‌های کنترل غیرفعال (Passive Control) و کنترل‌ نیمه فعال (Semi-Active Control) و کنترل فعال (Active Control) در چند دهه اخیر ابداع و ارائه شده و برخی از آنها عملاً مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

در حوزه سیستم‌های کنترل غیرفعال روش‌هایی نظیر جدایش لرزه‌ای پی سازه (Base Isolated)، میراگرهای جرمی (TMD)، میراگرهای مایع (TLD) برای نیروی باد و میراگرهایی نظیر میراگرهای اصطکاکی، میراگرهای ویسکوالاستیک (FVD, SVD) و انواع گوناگون دیگر به کار گرفته شده‌اند.

در حوزه سیستم‌های فعال می‌توان به میراگرهای جرمی فعال (AMD)، سیستم کابل‌های فعال (AT)، القا کننده‌های پالسی (PIC)، سیستم‌های با سختی متغیر فعال و ....‌ اشاره نمود که با استفاده از انرژی خارجی قابل بهره‌برداری می‌باشند.

1-2) بیان موضوع و اهمیت آن

با توجه به محدود بودن میزان عملکرد سیستم‌های کنترل غیرفعال در سال‌های اخیر، کنترل فعال سازه‌ها به صورت شاخص‌تری نمود پیدا کرده و مورد توجه پژوهشگران و حتی طراحان قرار گرفته است. ایده کنترل و الگوریتم‌های مورد استفاده در آن پیش از آنکه در مهندسی عمران کاربردی شوند در سایر رشته‌های مهندسی نظیر برق، مکانیک، هوافضا و الکترونیک کاربرد گسترده‌ای داشته و دارند. هرچند در این رشته‌ها سیستم‌های موردنظر جهت کنترل مشابه موارد موجود در زمینه مهندسی عمران حجیم و با تعداد درجات آزادی بالا نبوده است.

کنترل فعال سازه‌های عمرانی، به طور کلی شامل دو بخش مکانیزم‌های اعمال نیرو و نیز الگوریتم‌های مورد نیاز جهت تعیین مقدار نیروی کنترل می‌باشند. در این راستا، از الگوریتم‌های کنترل نسبت به تعیین نیروهای مورد نیاز اقدام و سپس به کنترل‌کننده‌ها (Actuators) فرمان اعمال نیرو را می‌دهد. در کنترل فعال، از الگوریتم‌های گوناگونی که دارای دیدگاه‌های کنترلی متفاوتی می‌باشند، استفاده می‌شود. الگوریتم‌هایی نظیر کنترل بهینه، کنترل بهینه لحظه‌ای (Instantaneous Optimal Control)، جاگذاری قطبی (Pole Assignment)، کنترل فضای مودی (IMSC)، پالس کنترل و الگوریتم‌های مقاوم (Robust) مانند ، ، کنترل مود لغزش (Sliding Mode Control) و غیره از جمله الگوریتم‌های به کار رفته در کنترل سازه می‌باشند. هدف نهایی کلیه این روش‌، کاهش نیروی اعمال شده به سیستم با هدف حفظ عملکرد سیستم کنترل شده است.

با توجه به تعریف‌هایی که از کنترل فعال توسط آقای یائو (Yao) و سایر پژوهشگران [1] شده است یک سیستم کنترل فعال شامل بخش‌های زیر می‌باشد (شکل 1-1):

شکل (1-1): الگوریتم کلی کنترل فعال سازه

هنگامی که نیروهای کنترل صرفاً بر اساس پاسخ سازه‌ای محاسبه می‌شوند (حلقه 2) سیستم کنترل، حلقه بسته (Closed–Loop) و هنگامی که نیروهای کنترل صرفاً بر اساس انگیختگی بیرونی محاسبه شود (حلقه 1) سیستم کنترل حلقه باز (Open-Loop) نامیده شده و اگر هر دو حلقه محاسبه نیروهای کنترل به کار گرفته شوند سیستم کنترل حلقه بسته ـ باز (Closed–Open–Loop) نامیده می‌شود.

از نظر بزرگی، سیستم‌های کنترل را می‌توان در دو دسته سیستم‌های معمولی و سیستم‌های بزرگ مقیاس (Large Scale Systems) در نظر گرفت. در سیستم‌های معمولی، کنترل سازه به صورت متمرکز مناسب بوده و نیازی به تقسیم سیستم به سیستم‌های ریزتر نمی‌باشد ولی در سیستم‌های بزرگ مقیاس نظیر ساختمان‌های بلند و حجیم، اندازه سیستم کنترلی و حجم آن در انتقال و جابجایی اطلاعات و فرمان‌ها، به ویژه با توجه به اینکه نیروهای لرزه‌ای در مدت زمان کوتاهی (کمتر از دقیقه) بر سازه وارد می‌شوند، مشکل ایجاد کرده و تأخیر زمانی قابل توجهی در صدور فرمانها به وجود می‌آورد. بر این اساس تلاش می‌شود تا هر بخش از سیستم به صورت مستقل کنترل شود. به هر بخش زیرسیستم گفته شده و یک سیستم متشکل از تعدادمعینی زیرسیستم (Subsystem) خواهد بود.

شیوه ریز کردن یک سیستم به چند زیر سیستم بستگی به طرح سیستم از نظر سازه‌ای، درجات آزادی آن و میزان گستردگی فیزیکی آن دارد. در ادامه در خصوص شیوه‌های ریز کردن و الگوریتم‌های مورد استفاده جهت کنترل هر زیرسیستم بیشتر توضیح داده خواهد شد.

1-3) چارچوب پژوهش

سازه‌های بلند یکی از انواع سیستم‌های سازه‌ای حجیم می‌باشد که موضوع کنترل نامتمرکز در آن قابل بررسی می‌باشد. پژوهش حاضر پیرامون امکان نامتمرکز کردن نحوه عمل سیستم کنترل در این نوع سازه‌ها و بررسی پایداری سیستم سازه‌ای و نیز کارایی روش کنترل مورد استفاده تحت اثر تحریک‌های مختلف وارده بر سازه بوده و با حالت کنترل متمرکز مقایسه می‌شود.

1-4) موضوعات بررسی شده در هر گفتار

پیشنهاد رساله دکترای حاضر،‌شامل پنج گفتار می‌باشد. در گفتار دوم، الگوریتم‌های کنترل متمرکز سازه‌ها و کارهای انجام شده در این زمینه بررسی و مرور می‌گردند. گفتار سوم نیز بررسی الگوریتم‌های کنترل نامتمرکز سازه‌ها و کارهای انجام شده تا کنون را شامل می‌شود. روش‌های ریز کردن سیستم‌های سازه‌ای بلند با توجه به نوع سیستم‌ سازه‌ای باربر آنها قابل تعریف بوده و نمی‌توان بدون توجه به سیستم‌های انتقال بار گرانشی و جانبی طرح کنترل نامتمرکز را پیشنهاد داد. در انتهای این گفتار نیز به بررسی کارهای پژوهشگران در این زمینه پرداخته خواهد شد.

گفتار چهارم به پژوهش پیشنهادی و زمینه‌های کاری مورد نظر در این رساله می‌پردازد در این پژوهش الگوریتم پیشنهادی جهت نامتمرکز کردن کنترل سازه‌های بلند در حالت سه بعدی، به همراه حل یک نمونه مدل سه بعدی دو طبقه ارائه گردیده است. در این گفتار برنامه زمانبندی پژوهش نیز ارائه شده است. گفتار پنجم نیز شامل مراجع و پیوست‌‌ها می‌باشد.