کنترل سازه ها در مهندسی سازه و زلزله

جامعه مهندسی سازه همواره علاقه‌مند به کاهش ارتعاشات سازه‌ها تحت اثر بارهای دینامیکی جانبی (زلزله، باد، موج و..) می‌باشد تا سازه‌ها عملکرد ایمن و بدون وقفه داشته باشند. بنابراین محققان، به دنبال راهی برای رفع این چالش می‌باشند که در این میان کنترل سازه یکی از محبوبترین و شناخته شده‌ترین رویکردها است. در کنترل سازه با افزودن دستگاه‌ها و تجهیزات خارجی، پارامترهای دینامیکی سازه (سختی و میرایی) دچار تغییر می‌شود تا به طور موثر، اثرات بارهای دینامیکی وارد بر عناصر سازه کاهش یابد. به عبارت دیگر کنترل سازه، اشاره به بهبود رفتار یک سازه با استفاده از ابزار مناسب دارد.

انواع کنترل سازه

در حالت کلی روش‌های کنترل سازه به کنترل غیرفعال، فعال، نیمه فعال و ترکیبی تقسیم می‌شود. در ادامه هر یک از این روش‌های کنترل سازه بررسی می‌شود.

کنترل غیرفعال سازه‌ها

کنترل غیرفعال، شناخته شده‌ترین و رایج‌ترین نوع کنترل است که قدمت آن به حدود یک قرن پیش باز می‌گردد. سیستم‌های کنترل غیرفعال با استفاده از جذب یا انعکاس قسمتی از انرژی ورودی ناشی از زلزله به سازه از آنها محافظت می‌کنند. این سیستم‌ها بدون نیاز به نیروی خارجی برای کاهش ارتعاشات، به سازه اصلی متصل می‌شوند. شکل زیر شماتیک سازه کنترل نشده و کنترل شده با سیستم‌های کنترل غیرفعال را نشان می‌دهد.

کنترل فعال سازه‌ها

راندمان پایین و معایب دستگاه‌های کنترل غیرفعال در کاهش اثرات لرزه‌ای و پیشرفت‌های اخیر در فناوری‌های ریز پردازنده، حسگرها و عملگرها منجر به تکامل یک مفهوم کنترل جدید به نام کنترل فعال شد. سیستم‌های فعال دارای مزایای بسیاری هستند. سیستم‌های فعال را می‌توان در سازه‌های چند درجه آزادی که پاسخ آنها می‌تواند تحت تاثیر تعدادی از مودهای ارتعاشی باشد، مورد استفاده قرار داد. شماتیک یک سیستم کنترل فعال سازه مطابق با شکل زیر می‌باشد.

کنترل نیمه فعال سازه

سیستم‌های کنترل نیمه فعال مشابه سیستم‌های کنترل فعال عمل میکنند، با این تفاوت که در آنها عملگر، مستقیما جهت اعمال انرژی مکانیکی به سازه به کار نمی‌رود. دمپرهای نیمه‌فعال تکامل طبیعی فناوری اتلاف انرژی غیرفعال هستند زیرا از سیستم های تطبیقی برای بهبود اثربخشی و هوشمندی استفاده میکنند. آنها اغلب به عنوان دمپرهای قابل کنترل یا هوشمند نیز شناخته می شوند. سیستم تطبیقی آنها اطلاعات مربوط به تحریک و پاسخ سازه را جمع آوری میکند و سپس رفتار دمپر را بر اساس این اطلاعات تنظیم کرده تا عملکرد آن را افزایش دهد. شماتیک یک سیستم دمپر نیمه فعال را می‌توان به صورت زیر نمایش داد.

کنترل ترکیبی

سیستم کنترل ترکیبی (هیبریدی) شامل یک ترکیب سری یا موازی از یک سیستم کنترل فعال یا نیمه‌فعال همراه با یک سیستم کنترل غیرفعال می‌باشد. نکته قابل توجه در این حالت، جمع شدن مزایای هر دو سیستم در یک سیستم خواهد بود. در این سیستم‌ها، مستهلک کننده‌های غیرفعال عمده کار کاهش پاسخ‌ها را بر عهده داشته و سیستم کنترل فعال یا نیمه‌فعال همراه با آن، عمل کنترل نهایی را برعهده دارد. شماتیک یک سیستم کنترل ترکیبی به صورت زیر است.

نتیجه‌گیری

کنترل سازه‌ها نقش بسیار مهمی در افزایش ایمنی و پایداری سازه‌ها در برابر نیروهای خارجی دارد. با توجه به پیشرفت‌های علمی و تکنولوژیکی، سیستم‌های کنترل سازه‌ها نیز بهبود یافته و به شکل‌های مختلفی توسعه پیدا کرده‌اند. استفاده از این سیستم‌ها می‌تواند به کاهش خسارات ناشی از زلزله و سایر بلایای طبیعی کمک کند و ایمنی سازه‌ها را به طور قابل توجهی افزایش دهد.