طراحی سیستم کنترل فعال غیرخطی سازه در برابر ارتعاشات زمین لرزه

مقاوم سازی سازه های ساختمانی در مقابل زمین لرزه از دیرباز یکی از مسائل مهم در مهندسی سازه بوده است. روش سنّتی در طرّاحی سازهها به گونهایست که توان کافی در مقابل بارها به همراه قابلیّت انعطافپذیری در مقابل تغییر شکل را داشته باشند ولی این روش ها باعث می شوند که سازه های ساختمانی یک ظرفیّت ثابت برای مقاومت در برابر زمین لرزه داشته باشند. مشکلات این روش ها باعث شده است که محقّقان روش های نوینی به نام کنترل سازه ها برای مقاوم سازی آنها در مقابل اثرات زیان بار زمین لرزه ابداع کنند. کنترل سازه های ساختمانی در حالت کلّی به دو دسته ی کنترل فعّال و کنترل غیرفعّال تقسیم می شود. کنترل فعّال سازه ها به دلیل بعضی مزایا از قبیل حسّ تغییرات محیطی و وفق دادن عملکرد کنترل، کارایی بیشتر و بهتری نسبت به سازه های غیرفعّال دارند. با توجّه به این توضیحات، کلّیات این رساله را می توان در ارائه ی روش هایی برای کنترل فعّال سازه های ساختمانی خلاصه کرد. در حالت ساده، دینامیک یک سازه ی ساختمانی را می توان با استفاده از ترکیبی از جرم ها، سختی ها و میرائی های خطّی مدل سازی کرد. ولی سازه هایی که در معرض زمین لرزه های پرقدرت قرار می گیرند رفتار غیرخطّی از خود نشان می دهند. در حقیقت، این رفتار غیرخطّی یک حلقه ی هیسترزیس را به دینامیک سازه اضافه می کند. برای مدل سازی رفتار هیسترزیسی از روش های مختلفی می توان استفاده کرد که یکی از آنها معادله ی bouc-wen می باشد. این معادله به دلیل توانایی خود در مدل سازی حیطه ی وسیعی از رفتارهای هیسترزیسی از محبوبیّت خاصّی برخورداراست. در این رساله، مدل غیرخطّی سازه های ساختمانی درنظر گرفته شده و رفتار هیسترزیسی این مدل، توسّط معادله ی bouc-wen بررسی شده است. کنترل مد لغزشی یکی از روش های طرّاحی کنترل کننده برای سیستم های غیرخطّی می باشد. همچنین روش بازگشت به عقب و روش بازطرّاحی پایدارساز لیاپانوف روش هایی برای طرّاحی کنترل کننده، به ترتیب، برای سیستم های غیرخطّی معیّن و نامعیّن می باشند. دینامیک سازه های ساختمانی که در معرض زمین لرزه قرار می گیرند را می توان به عنوان یک سیستم با اغتشاش خارجی درنظر گرفت. از طرف دیگر، پارامترهای جرم، میرائی و سختی سازه با استفاده از روش های شناسایی تخمین زده شده و شامل عدم قطعیّت می باشند. با توجّه به این توضیحات، استفاده از روش های کنترلی ذکرشده برای کنترل سازه های ساختمانی و پایدارسازی آنها در مقابل زمین لرزه و نیز در مقابل عدم قطعیّت پارامترهای سازه، مناسب به نظر می رسد. در این رساله ، از هر دوی این روش ها برای طرّاحی کنترل کننده برای سازه های غیرخطّی در دو حالت سازه با پارامترهای معیّن و سازه با پارامترهای نامعیّن استفاده شده است. کنترل کننده های پیشنهادشده ابتدا برای سازه های یک طبقه ارائه شده و سپس تعمیم آنها به سازه های چند طبقه بررسی شده است. برای بررسی عمـلکرد روش های پیشـنهادی، تعدادی شــبیه سازی انجام گرفـته و زمــین لرزه های el-centro، rinaldi و newhall به عنوان سه زمین لرزه ی شناخته شده در زمینه ی مهندسی سازه مورداستفاده قرار گرفته اند. نتایج شبیه سازی برای سازه های یک طبقه در حالت پارامترهای معیّن حاکی از کاهش پاسخ های تغییرمکان، سرعت و شتاب به ترتیب، به مقدار بیش از %98، %93 و %51 می باشند. مشابه سازه های یک درجه آزادی، کنترل کننده های تعمیم یافته به سازه های چند درجه آزادی، بر روی یک ساختمان چهار طبقه مورد آزمایش قرارگرفته و پاسخ های طبقات طی شبیه سازی به ازای هر سه زمین لرزه نشان دهنده ی کاهش چشم گیر هر سه پاسخ تغییرمکان، سرعت و شتاب در سازه ی کنترل شده نسبت به سازه ی کنترل نشده می باشند. برای شبیه سازی سازه ها با پارامترهای نامعیّن، پارامترهای ساختمان به صورت اعداد تصادفی درنظر گرفته شده و پس از اجرای شبیه سازی ها به تعداد 1000 بار، میانگین و بدترین حالت پاسخ ها برای بررسی عملکرد کنترل کننده ها استخراج شده اند. نتایج شبیه سازی برای سازه های یک طبقه با پارامترهای نامعیّن نشان دهنده ی بهبود پاسخ های سازه ی کنترل شده توسّط روش های پیشنهادی به مقدار بیش از %98 برای تغییرمکان، بیش از %92 برای سرعت و بیش از %33 برای شتاب، نسبت به سازه ی کنترل نشده می باشند. برای سازه های چند طبقه با پارامترهای نامعیّن، کاهش پاسخ تمامی طبقات در حالت کنترل شده نسبت به حالت کنترل نشده مشاهده می گردد. نکته قابل توجّه در مورد نتایج به دست آمده این است که این کنترل کننده ها قادر هستند تغییرمکان طبقات را بدون افزایش شتاب آنها، کاهش دهند. این عملکرد هم از لحاظ حفظ امنیّت سازه و هم از لحاظ حفظ سلامتی اجزای غیرسازه ای اهمیّت به سزایی دارد.