■ انواع سیستمهای کنترل سازه بخش عمران

در پست های قبل از چهار نوع سیستم کنترل سازه نام برده شد که در ادامه تعریف هر یک از آنها ارائه شده است:

1- سیستمهای کنترل فعال (Active): یک سیستم کنترل فعال سیستمی است که در آن یک منبع خارجی به یک یا چند محرکِ سیستمِ کنترل انرژی می دهد و این محرکها (Actuators)نیروهایی را مطابق با حالات از پیش تعریف شده به سازه وارد می سازند. این نیروها ممکن است جهت اضافه و یا مستهلک نمودن انرژی سازه بکار روند (R1).

در یک سیستم کنترل فعال همواره جهت راه اندازی محرکهای الکترومکانیکی یا الکتروهیدرولیکی سیستم که باعث اعمال نیروهای کنترل به سازه می شوند، به یک منبع بزرگ انرژی نیاز می باشد. نیروهای کنترل بر اساس بازخوردهای حاصل از سنسورهایی که با اندازه گیری پاسخ سازه و یا تحریک اعمال شده به آن بدست می آیند، ایجاد می شوند. 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 (R2).

در کنار این مسئله احتمال اینکه سیستمهای کنترل فعال با اعمال نیروی مکانیکی اضافی به سازه منجر به ناپایداری آن گردند نیز وجود دارد. بنابراین از سیستمهای کنترل فعال اصولاً به عنوان مکمل برای سیستمهای کنترل غیر فعال در سازه های مهندسی استفاده می شود. به عنوان نمونه ای از کاربرد این کنترلها می توان به نقش میراگرهای جرم فعال در کاهش ارتعاشات ساختمان در بادهای پرقدرت و زلزله های متوسط و در نتیجه افزایش آسایش و راحتی ساکنین ساختمانها اشاره نمود (R3).

2- 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 می دهد (R1).

در یک سیستم کنترل غیر فعال به منبع خارجی نیرو جهت عملکرد سیستم کنترل نیازی نمی باشد و سیستم با استفاده از حرکت سازه نیروهای کنترل را بوجود می آورد. نیروهای کنترل به صورت تابعی از پاسخ سازه در محل سیستم کنترل غیر فعال ایجاد می شوند (R4).

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 می باشد. معمولاً در این سیستم کنترل امکان بهبود موضعی پاسخ میسر نمی باشد. قابل ذکر است که استفاده از سیستمهای کنترل غیر فعال به دلیل سادگی نصب و کم بودن هزینه های اجرا و نگهداری در سازه های مهندسی بسیار شایع می باشد (R3).

به عنوان نمونه ای از این سیستمهای کنترل می توان به تکنیکهای جداسازی پایه (Techniques of Base Isolation)که در آنها به علت انعطاف پذیر بودن پائین ترین طبقه ساختمان میزان انتقال انرژی به سایر طبقات به طور قابل توجهی کاهش می یابد، اشاره نمود.

3- 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 می باشد، می رساند (R1).

در یک سیستم کنترل پیوندی ممکن است از یک سیستم کنترل فعال به عنوان مکمل و بهبود بخش کارایی سیستم کنترل غیر فعال؛ و یا برعکس از یک سیستم کنترل غیر فعال جهت کاهش انرژی مورد نیاز در یک سیستم کنترل فعال استفاده شود. به عنوان مثال می توان 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 می باشد. بنابراین می توان گفت که سیستمهای کنترل هیبریدی در واقع باعث کاهش برخی از محدودیتهای موجود در هریک از سیستمهای کنترل اصلی می شوند و درنتیجه این سیستمها از سطح عملکرد بالاتری برخوردارند (R3).

علاوه بر این در صورتیکه بعضآً منبع انرژی با مشکل مواجه شود، مولفه غیر فعال کنترل پیوندی همچنان به وظیفه خود عمل نموده و به حفاظت از سازه می پردازد (R1).

4- سیستمهای کنترل نیمه فعال (Semi-Active): سیستمهای کنترل نیمه فعال دسته ای از سیستمهای کنترل سازه می باشند که در آنها از انرژی خارجی جهت تغییر خصوصیات مکانیکی دستگاه استفاده می شود(R1).

سیستمهای کنترل نیمه فعال در اصل سیستمهای کنترل غیر فعالی می باشند که قادر به تغییر و تنظیم خصوصیات مکانیکی سیستم می باشند و به همین دلیل اغلب به این سیستمهای کنترل، اصطلاح دستگاههای غیر فعال قابل کنترل (Controllable Passive Devices) اتلاق می شود. خصوصیات مکانیکی این سیستمها بر اساس بازخوردهای اندازه گیری شده از پاسخ سازه تنظیم می شوند. در یک طرح کنترل نیمه فعال، یک سامانه کنترلگر (یک رایانه) به اندازه گیری بازخوردها می پردازد و بر اساس الگوریتم کنترل از پیش تعیین شده، سیگنالی مناسب جهت عملکرد دستگاههای نیمه فعال ارسال می کند. نیروهای کنترل در نتیجه حرکت خودِ سازه و تنظیم مناسب خصوصیات مکانیکی سیستم کنترل نیمه فعال تولید می شوند. علاوه بر این، با توجه به اینکه نیروهای کنترل در اغلب سیستمهای کنترل نیمه فعال در خلاف جهت حرکت سازه عمل می کنند، بنابراین باعث پایداری کلی سازه می شوند (R1).

سیستمهای کنترل نیمه فعال ذاتاً دارای رفتار غیرخطی می باشند و بسیاری از مزایای سیستمهای کنترل فعال را بدون نیاز به منبع انرژی بزرگ دارا می باشند. 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 سازه ای وجود دارد بسیار توانمند عمل می کنند. دستگاههای کنترل نیمه فعال هیچ انرژی مکانیکی به سازه وارد نمی سازند 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 (R1,5,6). علاوه بر این نیروی کنترل تولید شده توسط یک دستگاه نیمه فعال همیشه به سرعت نسبی و تغییر مکان دستگاه بستگی دارد (R1,7).

مراجع:

R1 Casciati, F., Magonette, G., Marazzi, F., (2006). Technology of semi-active devices and applications in vibration mitigation. England,West Sussex: John Wiley & Sons, Ltd.

R2 Chu, S.Y., Soong, T.T., Rein horn, A.M., (2005). Active, hybrid, and semi-active structural control: a design and implementation hand book. England,West Sussex: John Wiley & Sons, Ltd.

R3 Spencer, B.F., Sain, Jr., Sain, M., (1997). "Controlling buildings: A new frontier in feedback." Special issue of the IEEE control systems magazine on emerging technology, Vol. 17, No. 6, pp. 19–35, December 1997.

R4 Symans, M., Constantinou, M., (1998). "Semi-active control systems for seismic protection of structures: a state-of-the-art review." Engineering structures, Journal of earthquake, wind and ocean engineering, Vol. 21, No. 6, pp. 469-487.

R5 Anaya, R.F., (2008). Seismic performance of semi-active control systems. PhD thesis, university of Canterbury.                   

R6 Mulligan, K. J., (2007). Experimental and analytical studies of semi-active and passive structural control of buildings. PhD thesis, University of Canterbury.

R7 Hunts, S., (2002). Semi-active smart-dampers and resettable actuators for multi-level seismic hazard mitigation of steel moment resisting frames. Master thesis, University of Canterbury.