استفاده از سیستم‌های کنترلی به منظور بهبود رفتار لرزه‌ای سازه‌ها

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری آنا، پگاه نادرپورشاد دانش‌آموخته دکترای دانشگاه صنعتی امیرکبیر و محقق طرح «کنترل تطبیقی تحمل‌پذیر عیب مبتنی بر شبکه عصبی دینامیکی در سازه‌های بلندمرتبه» گفت: استفاده از سیستم‌های کنترلی به منظور بهبود رفتار سازه‌ها در برابر بار‌های دینامیکی مانند زلزله، در دهه‌های اخیر مورد توجه قرارگرفته‌است.

وی با بیان اینکه روش‌های کنترل سازه به سه دسته کلی غیرفعال، فعال و نیمه‌فعال تقسیم می‌شوند، گفت: روش کنترلی غیرفعال قابل اعتمادترین روش کنترلی است که در آن با نصب کردن وسیله‌ای به نام میراگر به سازه پاسخ سازه به تحریک زلزله کنترل می‌شود.

دانش‌آموخته دکترای دانشگاه صنعتی امیرکبیر ادامه داد: در واقع میراگر وسیله‌ای است که انرژی واردشده به سازه را در اثر زلزله میرا می‌کند. نمونه استفاده از سامانه‌های غیرفعال، در ساختمان بلند تایپه ۱۰۱ (Taipei۱۰۱) است که تا سال ۲۰۰۶ بالاترین تعداد طبقات مسکونی را داشته است.

نادرپورشاد با بیان اینکه ابزار‌های کنترلی غیرفعال توانایی انطباق با تغییر شرایط سازه‌ای و محیطی را ندارند، گفت: بنابراین محققان سعی‌کردند راهکار‌های هوشمندانه‌تری را جهت کنترل ارتعاشات بکارگیرند. از این‌رو سیستم‌های فعال و نیمه‌فعال که علاوه بر داشتن میراگر یا عملگر هیدرولیکی به‌علت وجود کنترلگر (یعنی واحد پردازنده‌ای که مقدار مناسب ورودی کنترلی مورد نیاز به سازه را، متناسب با شرایط محیطی و سازه‌ای تعیین می‌کند) و حسگر انطباق‌پذیری بیشتر با تغییرات دارند، مورد توجه قرار گرفتند.

به گفته این محقق دانشگاه صنعتی امیرکبیر، سیستم‌های کنترل فعال با واردکردن نیرو یا انرژی خارجی زیاد پاسخ سازه را کنترل می‌کنند، اما در سیستم‌های کنترلی نیمه‌فعال با استفاده از میراگر‌های مخصوص بدون صرف انرژی زیادی پاسخ سامانه در برابر زلزله بهبود داده‌می‌شود.

وی ادامه داد: بنابراین استراتژی کنترلی نیمه‌فعال بسیار مورد توجه قرار گرفت، اما وقوع اتفاقات پیش‌بینی‌نشده مانند خرابی جزئی و یا کلی در حسگر‌ها و میراگر‌ها می‌تواند باعث شود سامانه کنترلی سطح عملکرد مطلوب و یا پایداری خود را از دست‌بدهد بنابراین استفاده از راهبرد‌هایی تحت عنوان کنترل تحمل‌پذیر عیب حائز اهمیت است.

دانش‌آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر اظهار کرد: از طرفی، انجام اقدام مناسب در جهت مقابله با نقص مستلزم تشخیص وقوع عیب، یافتن منبع و موقعیت و میزان آن است.

نادرپورشاد افزود: از این‌رو می‌توان از شبکه عصبی با توانایی یادگیری نگاشت‌های پیچیده از یک مجموعه مثال‌ها و طبیعت وقف‌پذیر، بهره برد که به خصوص در کنترل و شناسایی سیستم‌ها با انواع عدم قطعیت‌ها کارکرد موفقیت آمیزی داشته‌اند.

وی با بیان اینکه برای طراحی کنترلگر نیاز به شناخت کامل و دقیق ویژگی‌های سازه یعنی جرم، سختی و میرا کنندگی ذاتی آن است که امری امکان‌ناپذیر است، گفت: از آنجایی که هر روز بر ابعاد و پیچیدگی‌های سازه‌های عمرانی افزوده می‌شود، توجه همزمان به عوامل مختلف عدم قطعیت و اثر آن‌ها بر سامانه‌های کنترلی امری ضروری است.

دانش‌آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر ادامه داد: ما موفق به طراحی سامانه کنترلی تطبیقی تحمل‌پذیر عیب حسگر‌ها و میراگرها، مبتنی بر شبکه عصبی دینامیکی در سازه‌های بلند مرتبه شدیم.

این محقق گفت: همچنین تطبیقی بودن سامانه کنترلی طراحی‌شده این امکان را فراهم می‌آورد که بتوان به طور همزمان اثرات ناشناخته‌بودن ویژگی‌های سازه را نیز خنثی کرد.

وی افزود: در رساله حاضر برای طراحی سامانه کنترلی تحمل‌پذیر عیب همزمان در حسگر‌ها و میراگرها، ابتدا با استفاده از ماتریس‌های تبدیل، سازه به دو زیر سازه تقسیم شده که هر کدام فقط متأثر از خرابی حسگر یا میراگر هستند و با طراحی یک مشاهده‌گر مبتنی بر شبکه عصبی دینامیکی عیب حسگر‌ها و وضعیت سازه تخمین زده می‌شود.

نادرپورشاد اضافه کرد: در مرحله بعد، یک کنترلگر تطبیقی طراحی میشود که با قوانین تطبیق برگرفته‌شده از اثبات پایداری سامانه حلقه بسته بر عدم قطعیت و نامعلومی ویژگی‌های سازه غلبه می‌کند.

وی با بیان اینکه در این کنترلگر نیز همانند مشاهده‌گر از شبکه عصبی برای تخمین و جبران همزمان عیب میراگر‌ها بهره گرفته می‌شود، ادامه داد: روش پیشنهادی روی یک سازه سه‌طبقه مقیاس‌شده آزمایشگاهی که تحت تحریک زلزله بوده و مجهز به میراگر‌های مگنتورئولوژیکال (میراگری مخصوص روش کنترلی نیمه‌فعال) است، تحت سناریو‌های مختلف عیب در حسگر‌ها و میراگر‌ها پیاده‌سازی شد.

به گفته این محقق، نتایج نشان می‌دهند که مشاهده‌گر طراحی‌شده نقص حسگر‌ها را به سرعت تخمین می‌زند و کنترلگر مبتنی بر شبکه عصبی نقص میراگر‌ها را تخمین‌زده و همزمان جبران می‌کند.

وی گفت: نتیجه این تحقیق مانند چراغی روشنگر برای مهندسان عمران و صنعت ساخت و ساز است که با روش کنترلی پیشنهادی و سامانه طراحی‌شده می‌توان رفتار سازه‌ها به خصوص سازه‌های مهمی مانند بیمارستان و برج‌ها را با اعتمادپذیری بیشتر در برابر تحریک زلزله کنترل کرد و مانع از آسیب و خرابی این سازه‌ها و مصدومیت و مرگ هزاران انسان شد.

نادرپورشاد اظهار کرد: طراحی این سامانه کنترلی سازه‌ها زمانی که عدم قطعیت در ویژگی‌های سازه، وقوع عیب همزمان در حسگر‌ها و میراگرها، نویز در اندازه‌گیری‌های حسگر‌ها و تحریک زلزله وجود دارد مورد استفاده قرار می‌گیرد.