فصل اول کتاب: بهینه کنترل فعال سازه با رویکرد کلاسیک و هوش مصنوعی

بهینه کنترل فعال سازه با رویکرد کلاسیک و هوش مصنوعی

 

پیشگفتار
از دیر باز تا به حال بشر دستخوش حوادث بزرگی چون زلزله بر روی زمین بوده است. زلزله همواره ساختگاه زندگی انسان‌ها را دچار تغییر و دگرگونی کرده است. تا به امروز انسان‌ها همیشه سعی بر مهار این نیروی عظیم و خانمان افکن داشته‌اند. با وجود آنکه در این زمینه موفقیت‌هایی نیز حاصل شده با این حال هنوز تعداد زیادی از ساکنین این کره خاکی هر ساله در زیر آوارهای بوجود آمده توسط زلزله مدفون می‌گردند و سازه‌های بسیاری کارآیی خود را پس از زلزله از دست می‌دهند.

این نیروی مهیب در درون زمین و به واسطه حرکت‌هایی که در پوسته ایجاد می‌شود باعث آزاد شدن انرژی زیادی می‌شود که مصنوعات روی زمین را دچار مخاطره می‌کند.

تا به حال آئین‌نامه‌های بسیاری در سراسر دنیا برای محاسبه و ساخت سازه‌های مقاوم در برابر زلزله تهیه شده است و روش‌های بسیاری برای محاسبه این نیرو ارائه شده است که از آن جمله می‌توان روش استاتیکی معادل، شبه‌استاتیکی (یا طیفی)، دینامیکی و … را نام برد. در تمام این روش‌ها، نیروی زلزله اعمال شده بر ساختمان‌ها توسط آمار و اطلاعاتی که از زلزله‌های قبلی در دنیا یا منطقه ثبت شده‌اند بدست می‌آید و ایمنی سازه‌ها را بر حسب اهمیت سازه و نوع ساختگاه زمین‌شناسی بستر و اطلاعات دیگر تامین می‌کند. اما با این وجود، ممکن است زلزله‌ای که در آینده به هر یک از این سازه‌ها وارد شود با تمام زلزله‌هایی که برای محاسبه مقاومت و پایداری سازه در نظر گرفته شده است متفاوت باشد. زیرا اساساً ماهیت زلزله یک پدیده اتفاقی بوده و رخ داد هر زلزله با تمام زلزله‌های دیگر در سراسر جهان متفاوت است. به همین دلیل پس از محاسبه نیروی زلزله توسط روش‌های ذکر شده روش‌هایی جهت طراحی ساختمان مقاوم در برابر زلزله مطرح می‌شوند. که این روش‌ها را می‌توان به دو دسته کلاسیک (سنتی) و مدرن تقسیم‌بندی کرد.

در روش‌های کلاسیک طراحی بر اساس حداکثر نیروی اعمال شده به ساختمان با ترکیب نیروهای احتمالی که از طریق آئین‌نامه‌های مختلف بدست می‌آید، تک‌تک اجزاء سازه را بر اساس روش مقاومت نهایی یا نیروی حداکثر طراحی می‌کنند. اما در روش‌های کلاسیک امروزی‌تر پایداری سازه با روش طراحی بر اساس عملکرد نیز مطرح شده است که در اینجا مجالی برای شرح این روش‌ها نمی‌باشد.

اما در روش‌های مدرن علاوه بر طراحی سازه به روش کلاسیک از سیستم‌های الحاقی نیز به منظور بالا بردن ایمنی و مقاومت عناصر سازه در برابر بارهای دینامیکی و همچنین اقتصادی کردن اجزاء سازه کمک می‌گیرند.

این سیستم‌ها به چهار دسته عمده بر اساس نوع الحاقشان به سازه و بر اساس نوع سیستمی که جهت کاهش نیروی زلزله در آنها به کار رفته، تقسیم می‌شوند: سیستم‌های کنترل غیر فعال، فعال، نیمه فعال و مرکب.

به طور کلی این سیستم‌ها انرژی زلزله را یا از طریق جذب یا از طریق تغییر در فرکانس سازه مهار می‌کنند و باعث می‌شوند که انرژی زلزله به اجزاء اصلی سازه صدمه نزنند.

این سیستم‌ها را می‌توان بر روی سازه‌های موجود نیز پیاده نمود که در صورت لزوم بعد از رخداد زلزله نیز قابل تعویض و یا تعمیر می‌باشند. با توجه به اینکه سازه‌های غیر مقاوم در برابر زلزله در کشورمان زیاد یافت می‌شود و همچنین با توجه به این نکته که استفاده از سیستم‌های الحاقی به نحو بسیار مطلوبی پاسخ دینامیکی سازه‌ها را کاهش می‌دهد، لذا استفاده از این سیستم‌ها در کشورمان حائز اهمیت می‌باشد.

 

زلزله چیست
گرچه بارهای دینامیکی وارد بر سیستم‌های سازه‌ای ممکن است ناشی از عوامل مختلفی مانند اثر باد و موج و حرکت خودروها باشد، بدون شک یکی از انواع این بارهای دینامیکی که برای مهندس سازه از بیشترین اهمیت برخوردار بوده تحریکی است که توسط زلزله‌ها ایجاد می‌شود. البته اهمیت مساله زلزله تا حدودی به علت نتایج زیان‌باری است که یک زلزله شدید در یک منطقه پر جمعیت بجا می‌گذارد. از آنجا که طراحی سازه‌های اقتصادی و شکیل که قادر به تحمل نیروهای حاصل از یک زمین‌لرزه قوی باشند، توانایی بالایی را در هنر و علم مهندسی طلب می‌کند، تنها بر این اساس هم که شده منطقی بنظر می‌رسد که رشته مهندسی زلزله به عنوان چهار چوبی مورد استفاده قرار گیرد که در آن کاربرد تئوری‌ها و تکنیک‌های ارائه شده در دینامیک سازه به نمایش گذاشته شود.

به هر حال، امروز اهمیت مسأله زلزله برای ساختمان‌های بلند مقاوم در مقابل زلزله صد چندان شده است. زیرا با توجه به زلزله‌خیزی منطقه ایران و رشد صنعت ساخت و ساز در این سرزمین نیاز به طراحی و محاسبات ایستایی در مقابل زلزله برای برج‌ها، آسمان‌خراش‌ها و سازه‌های بلند نیز چندین برابر شده است. همچنین در برنامه توسعه صنایع نیروگاه‌های هسته‌ای، و سازه‌های خاصی که دارای اهمیت ویژه‌ای هستند معیارهای زیادی وجود دارد که در طراحی برای زلزله باید لحاظ شود.

در اینجا می‌توان جمله معروف نیومارک و روزن بلوت را نقل کرد که: زلزله‌ها به طور سیستماتیک اشتباهات طراحی را روشن می‌سازند- حتی اشتباهات بسیار کوچک را، و درست همین وجه مهندسی زلزله است که به آن جنبه مبارزه‌طلبی داده و آن را جالب توجه نموده است، و بالاخره ارزش آموزشی آن را بسیار بالاتر از اهداف آنی نموده است.

در طراحی لرزه‌ای ساختمان‌ها عمدتاً مهندسین از اطلاعات مربوط به زمین‌لرزه‌های حرکت- قوی که بیش از اندازه مخرب هستند استفاده می‌کنند که رکوردهای آن پس از ثبت توسط شتاب نگارها اصلاح شده و مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد و همچنین در روش‌های مختلف محاسبه نیروی زلزله بکار می‌رود.

 

سیستم‌های کنترل فعال (ATMD) و غیر فعال (TMD)
همان‌طور که در مقدمه این فصل اشاره شد، سیستم‌های کنترلی از جمله سیستم‌های مدرن طراحی سازه‌ها می‌باشد که امروزه کاربرد زیادی در صنعت ساختمان پیدا کرده است. این سیستم‌ها با الحاق یک جزء مکانیکی به سازه باعث کاهش در پاسخ سازه‌ها در هنگام اعمال نیروهای دینامیکی به سازه می‌شوند. یکی از این سیستم‌های کنترل استفاده از میراگر و جرم تنظیم شونده (TMD) می‌باشد. این سیستم یکی از قدیمی‌ترین سیستم‌های الحاق می‌باشد و در عین حال کاربردهای فراوانی در علوم مکانیک، هوافضا و عمران را به دنبال داشته است. این سیستم از یک جرم، کمک فنر و فنر تشکیل شده است، به طوریکه جرم مذکور توسط یک کمک فنر و یک فنر به یکی از درجات آزادی سازه تحت کنترل متصل می‌شود که در نهایت باعث کاهش پاسخ سازه می‌گردد. لازم به توضیح است که طراحی بهینه این کنترل کننده منوط به تعیین درست پارامترهای جرم، سختی فنر، ضریب میرایی کمک فنر و مکان اتصال سیستم به سازه می‌باشد.

این سیستم‌ها در سازمانهای مختلف جهت کنترل ارتعاشات باد و زلزله به کار برده شده‌اند. به دلیل ساختار این سیستم و اینکه تغییراتی روی پارامترهای سیستم در حین اعمال نیروی طبیعی صورت نمی‌گیرد، و همچنین به دلیل عدم وجود نیروی خارجی فعال جهت کنترل در سیستم، این سیستم جزء کنترل کننده‌های غیرفعال محسوب می‌شود. به منظر فعال نمودن این سیستم با بالا بردن کارآیی آن به این سیستم یک نیروی فعال خارجی اضافه می‌شود که در هنگام وجود نیروی دینامیکی طبیعی در هر لحظه برآورد شده و به جرم تنظیم شونده اعمال می‌شود. این سیستم یکی از سیستم‌های کاربردی در صنعت ساخت و ساز می‌باشد و امروزه تعدادی از ساختمان‌های بلند توسط همین سیستم کنترل می‌شوند. همان طور که اشاره شد فرق اصلی سیستم TMD و سیستم جدید میراگر و جرم تنظیم شونده فعال ، تنها وجود یک نیروی فعال می‌باشد.

تحقیقات وسیعی در این خصوص که چگونه در هر لحظه مقدار نیروی فعال را بدست آورده می‌شود، صورت گرفته است. سیستم TMD اولین بار توسط فرام در ۱۹۰۹ به عنوان سیستم جذب کننده انرژی مطرح شد و بعد توسط محققان زیادی مورد بحث و بررسی قرار گرفت و نمودارهای طراحی زیادی برای الحاق این سیستم به یک سیستم یک درجه آزادی بدست آمد. پس از آن در سال ۱۹۷۰ مفاهیم کنترل فعال توسط یاو وارد مباحث مهندسی عمران گردید. از ۱۹۷۰ به بعد محققان الگوریتم‌های زیادی را جهت محاسبه نیروی فعال به کار بردند که هر یک نتایج قابل توجهی را در برداشت .

 

استفاده از منطق فازی در سیستم‌های کنترل
نظریه مجموعه‌های فازی توسط پروفسور لطفی‌زاده در سال ۱۹۶۵ ارائه شد. او مفهوم مجموعه‌ها و کمیت‌های نادقیق و همراه با عدم صراحت را در یک روال کاملاً منظم و قانونمند معرفی کرده و روش‌های تصمیم‌گیری در چنین محیط‌هایی را پیشنهاد نموده است. پس از ارائه نظریه مجموعه‌های فازی، نظریه منطق فازی بر اساس آن پایه‌ریزی شد. از آنجایی که منطق فازی با واقعیت‌ها و حقایقی که فکر بشر با آنها درگیر است بیشتر منطبق است و از طرفی مدل‌سازی پدیده‌ها و فرآیندها با استفاده از تئوری فازی ساده‌تر و حقیقی‌تر می‌باشد، این نظریه در بسیاری از علوم و گرایش‌های گوناگون مورد استفاده قرار گرفته است. منطق فازی و روش استنتاج تقریبی مفهوم جدیدی را در مهندسی کنترل و سیستم‌های خبره عرضه کرده است. این مفهوم روش تفکر انسانی را تقلید کرده و در بسیاری از سیستم‌های واقعی به خصوص سیستم‌های مبتنی بر اپراتور انسانی بهتر از روش‌های کلاسیک عمل می‌کند. قسمت اساسی کنترل کننده مبتنی بر منطق فازی (fuzzy Logic Contoroller-FLC)، شامل مجموعه قوانین زبانی (Linguistic) است که فرایند تحت کنترل را مدل می‌کند. سیستم فازی از چهار قسمت اصلی زیر تشکیل یافته‌اند:

۱٫ جدول قوانین فازی: از تعدادی قانون به صورت زیر تشکیل شده است.

فرمول 1

۲٫ موتور استنتاج فازی (روش ممدانی): این قسمت با استفاده از قوانین جدول فوق و بهره‌گیری از منطق فازی، مجموعه‌های ورودی فازی را به مجموعه‌های خروجی فازی تبدیل می‌کند.
۳٫ فازی ساز: که داده‌های ورودی را به مجموعه‌های فازی ورودی در قسمت «اگر» قوانین تبدیل می‌کند.
۴٫ غیرفازی ساز: که مجموعه‌های فازی خروجی موتور استنتاج را به خروجی نهایی تبدیل می‌کند.

در خصوص کنترل‌ها نیز در مقالات مختلفی کاربرد منطق فازی به چشم می‌خورد. کنترل فازی با الهام از منطق فازی صورت می‌گیرد این کنترل کننده معمولاً به صورت یک کنترل کننده حلقه بسته می‌باشد که با استفاده از مقادیر ورودی به قسمت پردازش‌گر کنترل کننده مقدار پارامتر کنترلی را محاسبه می‌کند. در سیستم ATMD معمولاً مقادیر تغییر مکان و سرعت طبقات در ساختمان‌ها یا درجات آزادی در دیگر سازه‌ها به عنوان ورودی‌های سیستم کنترل کننده فازی می‌باشد و میزان نیروهای فعال ضربه زننده به جرم ATMD به عنوان خروجی در نظر گرفته می‌شود.

در تحقیقات آقای samali سیستم کنترل فازی روی یک ساختمان یک طبقه مورد آزمایش قرار گرفت بعد از آن در سال ۲۰۰۱ آقای ahlawat این سیستم را بر روی بنچ مارک سه طبقه‌ای مورد تحقیق قرار داد به طوریکه پارامترهای این سیستم توسط الگوریتم ژنتیک دو هدفه‌ای بهینه شده بود.

 

لزوم انجام تحقیق حاضر
در تحقیق حاضر سیستم کنترل فعال ATMD بر روی ساختمان‌های بلند در مقابل زلزله با استفاده از منطق فازی مورد استفاده قرار گرفته است. از آنجاییکه الحاق سیستم‌های کنترلی از نظر اقتصادی و مقاوم‌سازی کمک شایانی به صنعت ساختمان می‌کند، تحقیق بر روی این سیستم‌ها دارای اهمیت زیادی می‌باشد. با توجه به اینکه کشور ما یک کشور لرزه خیز می‌باشد لزوم تحقیق در زمینه سیستم‌های کنترل سازه‌ای در برابر زلزله بسیار به چشم می‌خورد. و با توجه به این که سازه‌های زیادی در کشور موجود است که دارای سطح مقاومتی پایین‌تری نسبت به سطح ایمنی سازه‌ها در برابر زلزله هستند، و با توجه به این نکته که نصب سیستم‌های ATMD در روی سازه‌های ساخته شده به راحتی امکان‌پذیر است می‌توان با طراحی درست یک سیستم ATMD و نصب آن بر روی سازه مقاومتی آن سازه را به حد مطلوب رساند.

از سوی دیگر در تحقیقات صورت گرفته بر روی سیستم ATMD مطالعات کمی در خصوص استفاده از کنترل کننده فازی صورت گرفته است. در بیشتر آنها به مباحث اولیه پرداخته شده و اکثر سازه‌های مورد بحث سازه‌های یک تا چند طبقه می‌باشند، و یک طرح جامع و بهینه برای ساختمان‌های واقعی ارائه نشده است لذا سعی بر آن شد تا با این تحقیق طرح یک سیستم کنترل کننده فازی کامل برای سازه‌ها طراحی شود و نمودارهایی جهت طراحی اجزاء کنترل کننده‌های ATMD و TMD بدست آید که مرجع علمی- عملی برای طراحان این سیستم‌ها قرار گیرد. از طرفی به دلیل وجود پارامترهای زیاد این سیستم نیاز به بهینه‌سازی آنها توسط الگوریتم ژنتیک می‌باشد.

 

مراحل انجام پروژه
در این کتاب از سیستم کنترل فعال میراگر و جرم تنظیم شونده ATMD استفاده شده است. در مقالات مختلفی نشان داده شده است که این سیستم‌ها نتایج خوبی را نسبت به سیستم‌های مشابه در کاهش ارتعاش سازه ساختمان‌های بلند در برابر زلزله از خود نشان می‌دهند.

یکی از مزایای سیستم‌های فعال پویایی و قدرت تطبیق دادن رفتار سازه به منظور مقاومت در برابر نیروهای زلزله است. با توجه به این نکته که این سیستم‌ها در لحظه وقوع زلزله نیروهای زلزله را تشخیص داده و مطابق با ان این سیستم پاسخ لازم را اعمال می‌کند، لذا بهتر می‌تواند در برابر این نیروها مقاومت کند و در نهایت وجود این سیستم الحاقی موجب کاهش صدمات به سازه‌ها می‌شود.

نمونه عددی که در این کتاب بکار برده شده است ساختمانی یازده طبقه می‌باشد. در ابتدا روی نقشه‌های سازه‌های مدل اجزای محدود آن تهیه شد و سپس ماتریس‌های جرم و سختی تهیه گردید. در مراحل بعد با توجه به معادلات دینامیک سازه معادلات دیفرانسیل مساله بدست آمد. سپس معادلات با حضور سیستم الحاقی ATMD توسعه داده شد. در نهایت معادلات در فضای حالت حل گردید. در قسمت پایانی، طراحی سیستم فازی صورت گرفت.

این کتاب شامل هشت فصل می‌باشد که عبارتند از:
۱٫ مقدمه
۲٫ زمین لرزه شناسی
۳٫ ورودی های لرزه‌ای سازه
۴٫ مروری بر تحقیقات گذشته
۵٫ سیستم‌های کنترل سازه‌ها
۶٫ منطق فازی و کاربرد آن در مهندسی عمران
۷٫ روش‌های بهینه سازی
۸٫ مطالعه عددی

 

آنچه مطالعه کردید، «فصل اول» از کتاب «بهینه کنترل فعال سازه با رویکرد کلاسیک و هوش مصنوعی» تالیف «جواد پالیزوان (مدرس دانشگاه) و زند علی روشنی (مدرس دانشگاه)»، می باشد که در راستای معرفی و انتشار رایگان جهت استفاده مخاطبین متلب سایت در اختیار این مجموعه قرار داده شده است.

برای تهیه این کتاب می توانید به این لینک(+) مراجعه نمایید.

همچنین آموزش های زیر در فرادرس نیز مباحثی مرتبط با محتوای این کتاب را پوشش می دهند:


 

0 پاسخ

ارسال یک پاسخ

در گفتگو ها شرکت کنید.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *