کنترل سازه

 

برای طراحی سازه ها در برابر زلزله، دو نوع سیستم مقاوم داریم (با توجه به عکس پایین، دیگه نگم برات کدوم سیستم بهتره😐):

• سیستم های رایج
• سیستم های مدرن

 

 

۱- سیستم رایج

سیستم رایج طراحی سازه، براساس افزايش ظرفيت سازه است. ظرفیت سازه با افزايش مقاومت و شكل پذيري سازه زیاد میشه. پس برای افزایش ظرفیت سازه، ابعاد اعضاي سازه اي و اتصالات بزرگ شده و موجب غیر اقتصادي شدن پروژه ميشه.

علاوه بر این، در روش هاي رایج طراحي، به دليل تغيير شكل هاي غيرخطي در اعضاي سازه اي و غير سازه اي، امكان بروز خرابي در اين اعضا وجود داره. براین اساس، طبقات سازه شتاب قابل توجهی (شتاب بیشتر یعنی سرعت بیشتر یعنی جابجایی بیشتر یعنی خرابی بیشتر یعنی اِنَّالِلَه وَاِنَّااِلَيْهِ رَاجِعُوْنَ بیشتر🛌) رو تجربه میکنن كه اين امر در نهايت باعث سلب آرامش از ساكنان ساختمان هاي بلند، آسيب در تجهيزات و احتمال قطع تلفن، برق و آب میشه.

انواع مختلف سیستم های رایج مقاوم در برابر زلزله عبارتند از (اگه حس و حالش بود، مقاله انواع سیستم سازه ای رو هم بخونین🤓):

• سیستم مهاربندی جانبی
• سیستم دیوار برشی
• سیستم قاب خمشی
• سیستم دوگانه

 

 

در این روش طراحی، برای جلوگیری از تخریب اعضای سازه ای و غیر سازه ای در زمین لرزه های کوچک و متوسط، نیاز به سختی و مقاومت، و برای  جلوگیری از فروریختن سازه در زلزله های شدید، نیاز به شکل پذیری داریم.

 

۲- سیستم مدرن

سیستم های نوین با کاهش پاسخ دینامیکی سازه در برابر بار باد و زلزله، مصالح مصرفی در سازه رو به نحو قابل توجهی کاهش میدن. علاوه بر توجیه اقتصادی مناسب (تو ایران چی اقتصادیه که این باشه ☹)، رفتار لرزه ای سازه رو بهبود میدن.

برای کاهش پاسخ دینامیکی سازه به روش مدرن، دو راهکار وجود داره (ترکیب دو راهکار زیر هم، چیز خوبی از آب درمیاد😃):

• کاهش انرژی ورودی به سازه با استفاده از سیستم های جداسازی پایه
• اتلاف انرژی وردی به سازه با استفاده از سیستم های اتلاف گر انرژی (میراگر)

 

 

با استفاده از سیستم طراحی نوین، مقدار زیادي از انرژی ورودي به سازه جذب و مستهلک شده و باعث کاهش انرژي دریافتی سایر اعضاي سازه اي شده، در نتیجه تغییرشکل زیادي در اون ها ایجاد نمیشه.

 

 

۲-۱- سیستم جداساز پایه

در سازه های رایج و سنتی، احتمال تشابه یا نزدیکی دوره تناوب طبیعی سازه با دوره ی تناوب حاکم در ارتعاش ناشی از زلزله زیاده (بیایم یکم جدی باشیم، نزدیکی دوره تناوب سازه و زلزله باعث تشدید اثر زلزله روی سازه میشه که به پدیده تشدید معروفه👨‍🏫). جدا سازی لرزه ای در واقع دوره تناوب طبیعی سازه رو به مقادیر طولانی تری منتقل میکنه. این امر مطابق طیف پاسخ شتاب زلزله، منجر به کاهش شتاب و درنتیجه کاهش نیروهای وارد بر سازه میشه. این روش براي ساختمان هاي کوتاه و متوسط بدلیل پایین بودن زمان تناوب اون ها، موثرتر از ساختمان هاي بلنده. 

 

 

 

به جاي افزایش ظرفیت باربري سازه تحت نیروهاي جانبی میشه با نصب جداساز پایه (بجای جداساز پایه بگین بیس آیزولیشن یا Base Isolation، باکلاس تره😄) باعث افزایش زمان تناوب و میرایی سازه شده و نیروهاي وارد بر سازه رو کاهش داد. در روش جداسازي لرزه اي، سازه بر روي تکیه گاه هایی که قابلیت تغییرشکل جانبی زیادي دارن قرار میگیره. درصورت وقوع زلزله، عمده تغییرشکل ها در تکیه گاه رخ داده و سازه مانند جسمی صلب با تغییرشکل هاي کوچکی ارتعاش میکنه.

 

 

 

۲-۲- سیستم اتلاف گر (میراگر)

یک طیف شتاب زلزله دارای سه ناحیه سخت، تشدید و نرم است. افزایش سختی باعث کاهش زمان تناوب سازه شده و بنابراین اگر سازه در ناحیه نرم باشه، افزایش سختی باعث میشه که سازه به ناحیه تشدید بره و شتاب پاسخ زیاد بشه و بلعکس اگر سازه در ناحیه تشدید باشه به ناحیه سخت رفته و شتاب پاسخ کاهش میابد. بنابراین افزایش سختی با اینکه باعث کاهش زمان تناوب سازه میشه، اما بر شتاب پاسخ تاثیر دوگانه ای داره. چون نواحی سه گانه محل خاص و از پیش تعیین شده ای ندارن، بنابراین با اطمینان نمیتونیم بگیم  که سخت کردن یک سازه باعث افزایش نیروی زلزله و یا کاهش نیروی زلزله میشه (مهندس که روزه شک دار نمیگیره، تا اونجایی که من دیدم مهندسا اصلا روزه نمیگیرن😅). اما اگر برای سازه شرایطی فراهم کنیم که علاوه بر افزایش سختی، مقدار میرایی اون هم زیاد بشه، با قاطعیت بیشتری میتونیم ادعا کنیم که افزایش سختی باعث کاهش نیروی زلزله میشه.

 

 

دو فلسفه متفاوت برای افزایش میرایی سازه وجود داره:

• طراحی شکل پذیر بنحوی که تحت زلزله های شدید، سازه تغییرشکل های قابل توجهی رو تحمل بکنه و از طریق رفتار غیرخطی، انرژی زلزله رو مستهلک کنه.
• افزایش میرایی سازه با استفاده از میراگرها و استهلاک انرژی زلزله بدون ایجاد آسیب قابل توجه در اجزای سازه ای

در طراحی نوع دوم، بجای اینکه انرژی زلزله در اثر جاری شدن و صدمه دیدن یک عضو مثل تیر مستهلک بشه، در اثر تغییرشکل و ارتعاش میراگر مستهلک میشه (تازه میراگر بعد از آسیب  قابل تعویضه). استفاده از میراگرها علاوه بر افزایش قابلیت استهلاک انرژی باعث کاهش پاسخ سازه در برابر زلزله نیز شده و از این طریق صدمه به اجزای غیرسازه ای  کاهش میابد (باز تو سازه از میراگر استفاده نکنین😕).

بطور کلی سیستم های میراگر مقاوم در برابر زلزله را می توان به چهار دسته تقسیم کرد:

• سیستم غیرفعال
• سیستم فعال
• سیستم نیمه فعال
• سیستم ترکیبی

 

 

سیستم غیرفعال

سیستم هایی که معمولا از طریق افزایش میرایی، پاسخ سازه رو تحت تحریک زلزله بدون نیاز به هیچ منبع نیروی خارجی بهبود میدن. در این گونه سیستم ها، عامل کنترل کننده ی ارتعاش (میراگر) در محل مناسبی از سازه (اغلب بادبند) قرار میگیره و در این روش مشخصات ابزار کنترل (زیر دیپلم بخوایم بگیم، منظور از مشخصات ابزار کنترل، سختی و میراییه🙃) در طول بارگذاری ثابته. این سیستم تا قبل از تحریک سازه، بصورت غیرفعاله و با شروع تحریک (مثلا زلزله)، سیستم کنترلی بکار افتاده و عملکرد کنترلی خود اعم از تغییر سختی، پریود، میرایی یا جرم رو در حین تحریک انجام میده و پس از پایان تحریک، مجددا به حالت غیر فعال برمیگرده. این سیستم تنها بخشی از انرژی وروی به سازه رو جذب میکنه، برا همینم احتمال خرابی جزیی یا کلی سازه وجود داره. روش های متداول کنترل غیر فعال عبارتند از:

• میراگرهای فلزی تسلیمی
• میراگر های ویسکوالاستیک
• میراگرهای اصطکاکی
• میراگرهای ویسکوز
• میراگرهای جرم هماهنگ شده
• میراگرهای سیال هماهنگ شده
• میراگرهای آلیاژی

 

 

مزایای استفاده از این سیستم عبارتند از:

• هزینه پایین در نصب و نگهداری
• عدم نیاز به مرکز کنترل کننده سیستم
• عدم نیاز به وارد کرد نیروی خارجی به سیستم

 

سیستم فعال

روش کنترل فعال در نقطه مقابل روش غیر فعال قرار دارن، یعنی در این روش به یک منبع نیروی خارجی نیازه که میتونه در طول وقوع زلزله با توجه به تحریک ورودی به سازه، نیرویی وارد بکنه که منجر به کاهش پاسخ سازه بشه (اگه این نیرو تو زمان مناسب وارد نشه یعنی با تاخیر وارد بشه بجای اینکه نیروی زلزله رو کم بکنه نیروی زلزله رو تشدید میکنه⏰). عملکرد این سیستم کنترلی به این صورته که با وارد شدن نیروی خارجی، مشخصات نیرو از طریق سنسورها به مرکز کنترل کننده سیستم منتقل شده و در اون جا پس از پردازش داده ها براساس الگوریتم بهینه سازی مورد نظر، مقدار نیرویی معادل در خلاف جهت نیروی وارده بر سازه محاسبه شده و از طریق محرک ها به سازه اعمال میشه.

این سیستم ها بدلیل اینکه همواره آماده برای شروع فعالیت و کنترل ارتعاشاته، فعال نامیده میشه. نمونه ی این گونه سیستم ها میراگر های جرمی فعال هستن.

 

 

 این نوع سیستم ها به دلیل اندازه گیری و پایش همیشگی پاسخ سازه، کارایی بیشتری نسبت به سیستم های غیرفعال دارن، اما مشکلات عمده ای در استفاده از این سیستم ها وجود داره:

• هزینه ی اولیه زیاد 
• برای امکان استفاده در هر لحظه، هزینه تعمیر و نگهداری زیادی دارن
• به دلیل تزریق انرژی به سازه، پتانسیل ناپایدار کردن سیستم رو دارن

 

سیستم نیمه فعال

در روش کنترل نیمه فعال (همانند روش غیرفعال) نیازی به استفاده از یک منبع خارجی نیست، بنابراین نسبت به سیستم ها کنترل فعال به انرژی کمتری نیاز دارن. مشخصات ابزار کنترلی در طول بارگذاری زلزله قابلیت تغییر بوده (و با صرف انرژی بسیار کم)، ضریب میرایی و یا سختی اون ها، متناسب با نیروی وارده به سازه در هر لحظه تغییر کرده و موجب کاهش هرچه بیشتر ارتعاشات سازه میشه (مشخصات ابزار کنترل تو سیستم غیرفعال چجوری بود؟ این میشه فرق اساسی دو سیستم نیمه فعال و غیر فعال👌 ). این سیستم در واقع همون کنترل غیرفعاله که با نصب سنسور و مرکز کنترل کننده سیستم، عملکرد اون بهبود یافته است.

دراین سیستم، باتوجه به اینکه انرژی به داخل سیستم تزریق نمیشه، سیستم پایداریش رو از دست نمیده. میراگر با دریچه متغیر از متداول ترین سیستم های نیمه فعال است.

 

 

محدودیت های موجود در سیستم های کنترل غیرفعال و فعال، سبب پیدایش این سیستم ها شده است. اگرچه برای سیستم های نیمه فعال باید هزینه های اضافی برای دریچه کنترل، سیستم کنترل کامپیوتری، حسگرها و نگهداری صرف کرد، اما از سیستم های غیر فعال موثرترن. درسته که  تاثیر سیستم های نیمه فعال از سیستم های فعال کمتره، اما هزینه ی بسیار پایین اجرا و نگهداری، اجرای این سیستم ها رو بسیار قابل توجیه کرده است (نه شور شورمثل فعال نه بی نمک مثل غیرفعال، اعتدال ⚖).

از بین روش های کنترل سازه، کنترل غیرفعال سازه ها با توجه به سادگی و هزینه کمتر نسبت به سایر سیستم های کنترل، در ساختمان های متعارف کاربردی تر است.

 

سیستم ترکیبی (هیبریدی)

این سیستم کنترلی شامل (ترکیب سری یا موازی) یک سیستم کنترل فعال (یا نیمه فعال) همراه با یک سیستم کنترل غیرفعاله. در ابتدای تحریک، وظیفه کاهش ارتعاشات رو دوشه سیستم غیرفعاله و بعد از مدتی، سیستم فعال هم وارد کار میشه، تو این مرحله سیستم غیرفعال ممکنه به فعالیتش ادامه بده و یا در صورت عدم نیاز از دور خارج بشه (با این سیستم، زلزله یکم سازه رو قلقلک میده😬).