یکی از اصول طراحی سازه‌های عمرانی پایداری آنها در برابر تغییرات بارهای محیطی و طبیعت نظیر باد، زمین لرزه و امواج در دهانه و شرایطی که طرح می‌شوند است. هنوز هم، سازه‌ها، پل‌ها و دیگر سازه‌های ساخته شده بعنوان سازه‌هایی غیرفعال از نظر پایداری می‌باشند که اتکای آنها بر جرم و صلبیت در برابر بارهای خارجی بوده و توانایی محدودی برای بارهای خارجی دارند.
در این بین، صلبیت و کم جرمی دو عامل اثرگذار بر ایمنی و پایداری می‌باشند. در سالهای اخیر، برخی عوامل سبب شده ملاحظاتی ویژه برای سازه‌ها نیاز به درنظر گرفته شدن باشد (با توجه به سازگاری و یا پاسخ‌پذیری آنها). این عوامل در سازه‌های جدید به شرح زیر می‌باشند.
1) نرمی زیاد.
با رشد و افزایش سازه‌های بلندتر، طولانی‌تر و با نرمی بیشتر، مقادیر لرزش‌های نامطلوب و نامناسبی زیر بارهای محیطی شدید پدید آمده و اثر معکوسی بر آسایش انسان و حتی ایمنی سازه‌ای می‌گذارد.
2) ترازهای ایمنی افزایش یافته.
ترازهای ایمنی بالاتر، بهنگامی که سازه‌ها پیچیده‌تر، دارای ارزش بیشتر و حتی با کاربری‌های مهمتری می‌باشند موردنیاز است. نمونه‌هایی از این سازه‌ها، آسمانخراش‌ها، سکوهای دریایی عمیق و نیروگاههای هسته‌ای می‌باشند. در این نمونه‌ها، ضرایب اطمینان و ایمنی مرسوم، مناسب نبوده و گسیختگی آنها مترادف با نابودی کامل می‌باشد.
3) تجهیزات با حساسیت زیاد.
با ضوابط و آیین‌نامه‌های موجود، سازه‌ها مجاز به تغییر شکل و حتی در برخی موارد برداشتن آسیب‌های جزیی تحت اثر بارهای وارده می‌باشند. برخی سازه‌ها بهرحال با توجه به کاربری و شکل آنها نیاز به محدودیت‌های مجاز شدیدی دارند که برای مثال می‌توان از ایستگاه‌های رادار، رادیوتلسکوپ‌ها و سازه‌های هوافضا نام برد.
4) بهره‌گیری بهتر از مصالح و هزینه کمتر.
که قسمتی از آن به شرایط در نظر گرفته شده جهت ساخت و قسمت دیگر ناشی از ملاحظات اقتصادی می‌باشد و کاملا روشن است که صرفه‌جویی در مصالح، وزن و هزینه نه تنها مناسب بلکه ضروری است. این موضوع بویژه برای سازه‌هایی که در فضا و سازه‌های ایستگاهی که در کاربردهای نظامی بکار گرفته می‌شوند ضروری است.
بعنوان یک نتیجه، مفاهیم نو کنترل جابجایی سازه‌ها و ایمنی سازه‌ای نظیر میرایی، کنترل غیرفعال و کنترل فعال در سطوح مختلفی از پیشرفت می‌باشند.
در حوزه سیستم‌های غیرفعال، آنها شامل سامانه‌های جدایش لرزه‌ای جهت نیروهای لرزه‌ای، میراگرهای جرمی (TMD) و سیستم‌های میراگرهای مایع (TLD) برای نیروهای باد و میراگرهای مکانیکی انرژی بر سیستم‌های مهاربندی نظیر میراگرهای اصطکاکی، میراگرهای ویسکو الاستیک و دیگر میراگرها می‌باشند و در حوزه سیستم‌های فعال، مواردی چون میراگرهای جرمی فعال، هدایتگرهای جرمی فعال، سیستم‌های تندان فعال، القاکننده‌های پالسی و سیستم‌های با سختی متغیر فعال، سیستم‌هایی می‌باشند که هم در آزمایشگاه و هم در مورد سازه‌ای واقعی بکار گرفته شده‌اند.
مفاهیم اجرایی سیستم‌های کنترلی غیرفعال به اندازه مناسبی شناخته شده‌اند و همینطور، کمتر این مفاهیم جهت سیستم‌های فعال استفاده شده‌اند. در مهندسی سازه، کنترل فعال سازه‌ای به عنوان یکی از زمینه‌های پژوهش در خصوص اصلاح و کنترل رفتار سازه جهت تحریک‌های خارجی وارده به آن شناخته شده است. سیستم‌های فعال بدلایل زیر توسط پژوهشگران مورد توجه خاص جهت کاربردی شدن در سیستم‌های سازه‌ای آینده می‌باشند:
1) همانگونه که پیشتر گفته شد، با توجه به روش‌های ساخت، مصالح و مواد نوین، سازه‌ها بلندتر، طویلتر و نرمتر خواهند شد. بهره‌گیری از کنترل فعال یکی از گزینه‌های افزایش ایمنی سازه‌ای در برابر تحریکات و لرزش‌های خارجی می‌باشد. در حقیقت، ساختمان‌های بسیار بلند که تا 500 طبقه در آینده نزدیک ساخته می‌شوند بعنوان یک جزء تکمیلی به سیستم‌های کنترل فعال یا غیرفعال نیاز خواهند داشت.
2) سیستم‌های کنترل فعال یا ترکیبی فعال – غیرفعال می‌توانند گزینه‌های خوبی جهت مقاوم‌سازی و تقویت سازه‌های موجود برای بارهای لرزه‌ای باشند. در این سازه‌ها بهره‌گیری از روش‌های جدایش پی و دیوارهای برشی اندرونی غیرمؤثر می‌باشند. سیستم‌های فعال از طرفی می‌توانند برای اینگونه سازه‌ها بسیار مؤثر و در سازه‌های ساخته شده ضعیف و یا آسیب دیده بسیار کارا باشند. در گزارش ارائه شده به شورای پژوهشی ملی تحت عنوان درس‌های فرا گرفته شده از زمین لرزه 1985 مکزیکو، پژوهش روی مقاوم‌سازی سازه‌های آسیب دیده، از دستگاه‌هایی که می‌تواند میرایی را افزایش دهد یا تناوب طبیعی سازه را اصلاح کند بهره گرفته شده است. این موضوع در واقع می‌تواند همان استفاده از سیستم‌های فعال یا فعال - غیرفعال باشد.
3) سازه‌های مهندسی عمران برای پایداری در برابر کلیه بارهای خارجی طراحی نمی‌شوند، به طوری که بارهای بسیار نامعمول می‌تواند منجر به آسیب دیدن یا خرابی سازه گردد. کنترل فعال در این زمینه می‌تواند کوششی برای تخریب نشدن سازه برای این چنین بارهایی باشد. این ایمنی اضافی واقعا برای سازه‌های مهم و پرهزینه‌ای مانند اسکله‌ها و سکوهای آبی عمیق که ارزش زیادی دارند می‌تواند اطمینان بخش باشد و به همین دلیل می‌تواند در سازه‌هایی که با کارهای بحرانی و حیاتی حین زلزله اهمیت زیادی دارند نیز بکار رود که از جمله این سازه‌ها بیمارستانها و نیروگاههای هسته‌ای می‌باشند.
4) برخی از سازه‌ها ارزشمند بوده و تجهیزات حساس یا سیستم‌های ثانویه را دارا می‌باشند که ایمنی کاری آنها اهمیت بسیار بالایی دارد. کنترل فعال در این سازه‌ها می‌تواند در سطح زیر سازه‌های آن برای ایجاد شرایط مناسب کاری جهت سیستم ثانویه بکار رود.
5) دستگاههای کنترل غیرفعال نظیر سیستم‌های جدایش لرزه‌ای پی، میراگرها ویسکو الاستیک و جرمی متغیر که در برخی سازه‌های موجود نصب شده‌اند نتایج و کارآیی سازه‌ای خوبی داشته‌اند. ولی بهرحال دستگاههای کنترل غیرفعال، دارای محدودیت غیرقابل انکاری می‌باشند. برای نمونه، باید توجه داشت که سیستم میراگر جرم متغیر نصب شده در مرکز سیتی کروپ نیویورک تنها می‌تواند تغییر شکل‌های سازه را در مود اول لرزش سازه کاهش دهد در صورتی که یک میراگر جرمی فعال در محدوده فرکانسی بسیار پهن‌تری می‌تواند مؤثر و کارا باشد. به طوری که، مطالعه کنترل سازه‌ای فعال یک گسترش منطقی از تکنولوژی کنترل غیرفعال می‌تواند محسوب شود.
6) در آخر، باید گفته شود که ایده کنترل فعال خود نه تنها پویا می‌باشد بلکه بصورت بالقوه یک ایده انقلابی بوده و مفاهیم سازه‌ای را از حالت استاتیکی و غیرفعال به یک حالت دینامیکی و سازگار تبدیل می‌کند، فرد می‌تواند سازه‌هایی که دارای دو نوع اعضای مقاوم می‌باشند را در ذهن داشته باشد: اعضایی غیرفعال که برای نگهداری بارهای پایه‌ای معمول طراحی شده‌اند و اعضایی فعال و پویا که کارشان دادن توانایی لازم به سازه جهت مقاومت در برابر بارهای بسیار غیرمعمول می‌باشند. در یک حالت بهینه استفاده از هر دو سیستم مقاوم می‌تواند منجر به استفاده بهتر از مصالح و هزینه پایین‌تر ساخت گردد.
باید توجه داشت پژوهش‌ها در این زمینه در سازه‌های مهندسی عمران از حدود 20 سال پیش آغاز گردیده و در این کتاب کوشش شده تا خواننده با دانش کار شده موجود در این حوزه آشنایی اجمالی پیدا کند. دانسته‌های بیشتر در این زمینه مطمئنا از مجلات مربوط به این موضوع و مقالات پژوهش‌های ارائه شده در آنها قابل دسترسی خواهند بود.
1-1) ارکان کتاب
مباحث این کتاب از یک پیش زمینه نظری به سوی موارد عملی و کاربردی سیر می‌کند. گفتارهای 2 و 3 روی مفاهیم پایه‌ای کنترل سازه‌ای فعال و توسعه الگوریتم‌های کنترل مناسب برای کاربردهای کنترل سازه‌ای متمرکز شده‌اند.
موضوعات و مباحث در این گفتارها هنگامی قابل فهم‌تر خواهند بود که خواننده اطلاعات مناسبی از مباحث دینامیک سازه‌ای پایه، ارتعاشات پیشا، نظریه سیستم‌ها و نظریه کنترل داشته باشد. بدون دانستن دانش پایه‌ای کنترل، مباحث تئوری سیستم‌ها و نظریه کنترل برای خواننده آشنا نخواهد بود. در پیوست A یک مقدمه کوچک و خلاصه‌ای از مباحث کنترل خطی سیستم‌ها و همراه یک فهرست از مراجع سودمند داده شده است.
در گفتار چهارم درباره ملاحظات عملی بکاربری کنترل بحث می‌شود. موضوعات ارائه شده در این گفتار شامل خطاهای مدل‌سازی، تأخیر زمانی در اجرای کنترل، رفتار سازه‌ای غیرالاستیک، وسایل ناشی از نرم‌افزار و محدودیت‌های محاسباتی می‌باشند.
همانگونه که پیشتر گفته شد، چند دستگاه کنترل برای کاربردهای سازه‌ای مورد توجه خاص می‌باشند. در حقیقت آزمایش‌های بزرگ مقیاس برای تعدادی از سیستم‌های کنترل سازه‌ای فعال در نظر گرفته شده و حتی در مورد یک سازه بزرگ مقیاس بکار برده شده است. بحث در گفتار پنجم روی تعداد از طرح‌های کنترل مناسب و عملی با تأکید بر رفتار و کارآیی آنها در آزمایشگاه متمرکز می‌باشد.
سازه‌های کنترل شده فعال یک خیزش نو در سیستم‌های سازه‌ای بوده و بهینه‌سازی آنها با تکیه بر افزایش ابعاد، مقیاس‌ها و همچنین پیچیدگی‌شان می‌باشد. در گفتار ششم، مسئله بهینه‌سازی از دیدگاه ویژه‌ای در خصوص این نوع سازه‌ها بررسی شده و امیدوار است که این کشفیات اندک در این زمینه هدایتگر پژوهش‌های جدی برای روشن شدن این مسیر باشد.
در پایان، از آنجایی که مراجع زیادی که در توسعه این کتاب نقش داشته و دارای واحدها ویکاهای متفاوتی بوده، روش کنترل مشخصی را استفاده کرده‌اند. در پیوست A اشاره به اجزای سیستم‌های کنترل خطی در خصوص معادله حالت، پایداری، کنترل‌پذیری و مشاهده‌پذیری گردیده و در پیوست B نیز جدول تبدیل واحدهای انگلیسی به واحدهای SI ارائه شده است (با توجه به اینکه در متن کتاب تلاش جهت یکسان‌سازی یکاهای مورد استفاده در مثال‌ها انجام نشده است).
قالب بندی:ورد
تعداد صفحات:200
پروژه معماری پدیده‌های خطرناک طبیعی و متدهای جلوگیری از آن در ساختمان
