آشنایی با 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.  استفاده از سیستم های کنترل لرزه ای از روش های طراحی مقاوم است که می توان با استفاده از آن ها ارتعاش را در سازه ها کنترل نمود و خسارات ناشی از بارهای جانبی وارد بر سازه را کاهش داد.

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.

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 به بیان ساده‌تر کنترل سازه عبارت است از بکارگیری ابزار یا اعضایی در سازه که باعث بهبود رفتار آن شوند.

کلی ترين و متداولترين روش طبقه بندی بر اساس نحوه عملکرد سیستم کنترل میباشد. براین اساس 4 نوع سیستم کنترل سازه داریم:

1. غیر فعال (Passive)‌
2. فعال (Active)‌
3. ترکیبی یا پیوندی (Hybrid)‌
4. نیمه فعال (Semi-Active)‌

سیستم‌های کنترل غیر فعال (Passive)

در اينگونه سیستمها، عامل کنترل کننده ارتعاش، در محل مناسبی از سازه قرار میگیرد و تا پیش از تحريک سازه غیرفعال باقی میماند. با شروع تحريک سازه، سیستم فعال شده و عملکرد کنترلی خود ( اعم از تغییر سختی، پريود، میرايی يا جرم ) را در حین تحريک انجام میدهد و پس از خاتمه تحريک، دوباره به حالت غیر فعال باز میگردد که به دلیل جذب بخشی از انرژی ورودی به سازه، احتمالاً شاهد خرابی جزئی يا کلی در آن خواهیم بود. اين سیستم ها مجهز به وسايلی هستند که مشخصات سازه ای مثل شکل پذيری، مقاومت و غیره را اصلاح میکنند و يا انرژی را مستهلک مینمايند. بنابراين طی اين عمل، ارتعاشات سازه کنترل میگردد.

 یک سیستم کنترل غیر فعال بدون نیاز به منبع انرژی خارجی و از نیرویی که در پاسخ به حرکت سازه در آن ایجاد میشود استفاده میکند. 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 جداگرها و میراگرها، اشاره نمود.

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. اضافه نمودن میراگرها به قابهای خمشی، معمولا افزايش سختی جانبی سازه را به همراه دارد. ولی با تبديل قاب بادبندی شده به قاب بادبندی میراشده ممکن است سختی کاهش يابد.

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 و معایب کنترل غیرفعال سازه‌

• سادگی طراحی نسبت به سایر سیستم‌های کنترل سازه
• عدم نیاز به انرژی خارجی مثل برق‌
• هزینه پایین تعمیر و نگهداری
• وابسته بودن به تحریک خارجی
• 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 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 نیروهایی را به سازه وارد می‌سازند. این نیروها ممکن است جهت اضافه‌ یا مستهلک نمودن انرژی سازه بکار روند‌‌.

سیستم‌های فعال از غیر فعال موثرتر هستند، اما علیرغم عملکرد عالی، مشکل بزرگ هزینه‌های اجرایی و نگهداری را دارند.

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 ترکیبی (Hybrid)

این سیستم ترکیبی از سیستم‌های کنترل فعال و غیر فعال است، در یک سیستم کنترل ترکیبی، 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 ترکیبی 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.

اگرچه تاثیر سیستم های کنترل نیمه فعال از سیستم های فعال کمتر است اما هزینه بسیار پایین تامین و نگه داری این سیستم ها، تعبیه آن ها را بسیار قابل توجیه کرده است.

 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