نوع فایل: word
تعداد صفحات: 178 صفحه
چکیده:
امروزه استفاده از سیستم های کنترل مکانیکی به منظور جلوگیری از ارتعاشات سازه های مهندسی عمران در مقابل زلزله بسیار مرسوم گردیده است.این سیستم ها را می توان به چهار گروه کنترل فعال ، کنترل غیر فعال ، کنترل نیمه فعال و کنترل مرکب تقسیم کرد.
در این رساله هدف طراحی سیستم کنترل فعال میراگر و جرم تنظیم شونده(ATMD) ، به منظور کاهش پاسخ ساختمان های بلند تحت اثر نیروی افقی زلزله می باشد . از آنجایی که منطق فازی در تعیین متغیرهای تصادفی دارای انعطاف پذیری خوبی می باشد ، مقادیر نیروی فعال میراگر و جرم تنظیم شونده فعال با استفاده از منطق فازی بدست آورده می شود.
در این رساله ابتدا مروری بر تحقیقات انجام شده بر روی سیستم های کنترل صورت گرفته ، پس از آن منطق فازی مورد توجه قرار می گیرد.به منظور بررسی عملکرد سیستم کنترل فعال(ATMD)معادلات حرکت ساختمان بلند به همراه سیستم کنترل فعال(ATMD) تحت اثر نیروی افقی زلزله نوشته شده و در فضای حالت حل می گردد.در این پایان نامه برای مقایسه عملکرد کنترل کننده فازی میراگر و جرم تنظیم شونده فعال با سیستم های کنترل کننده فعال سنتی ، نتایج حاصل از کنترل فازی با نتایج حاصل از یک سیستم سنتی کنترل خطی بهینه درجه دوLQR مقایسه شده است .
واژه های کلیدی : ساختمان بلند ، فضای حالت ، منطق فازی ،فازی میراگر و جرم تنظیم شونده فعال (ATMD) ، کنترل خطی بهینه درجه دوLQR.
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.
فهرست مطالب:
فصل اول: مقدمه
1-1- پیشگفتار
1-2- زلزله چیست
1-3- سیستم‌های کنترل فعال (ATMD) و غیر فعال (TMD)
1-4- استفاده از منطق فازی در سیستم‌های کنترل
1-5- لزوم انجام تحقیق حاضر
1-6- مراحل انجام پروژه
فصل دوم: مروری بر تحقسقات گذشته
2-1- مقدمه
2-2- مروری بر تحقیقات سیستم‌های کنترل فعال ATMD
2-3- مروری بر تاریخچه تحقیقاتی نظریه مجموعه‌های فازی و زمینه‌های آن در مهندسی عمران
2-3-1- اولین زمینه‌های فکری
2-3-2- دهه 60: ظهور فازی
2-3-3- دهه 70: تثبیت مفاهیم بنیادی و ظهور اولین کاربردها
2-3-3- دهه 90 و سالهای آغازین قرن 21: چالشها کماکان باقیست.
2-3-4- فازی در ایران:
2-3-5- نظریه فازی در مهندسی عمران
2-4- تاریخچه‌ای از الگوریتم ژنتیک
فصل سوم: سیستم‌های کنترل سازه‌ها
3-1- مقدمه
3-2- کنترل غیر فعال (Structural Passive Control)
3-2-1- سیستم‌های جاذب انرژی
3-2-2- سیستم‌های تغییر دهنده فرکانس سازه
3-3- کنترل فعال
3-4 کنترل نیمه فعال
3-5- کنترل مرکب
فصل چهارم: منطق فازی و کاربرد آن در مهندسی عمران
4-1- مقدمه
4-2- مجموعه‌های فازی
4-2-1- تعاریف و مفاهیم مجموعه‌های فازی
4-2-3- نماد گذاری
4-2-4- عملگرهای مجموعه‌ای
4-3- اصل توسعه و روابط فازی
4-3-1- اصل توسعه
4-3-2- حاصل ضرب کارتزین فازی
4-3-3- اصل توسعه بر روی فضای حاصل ضرب کارتزین
4-3-4- رابطه فازی
4-4-5- ترکیب روابط فازی:
4-3-6- اعداد فانتزی
4-3-7- اعداد فازی L-R
4-4- منطق فازی
4-4-1- استدلال فازی
4-4-2- متغیرهای زبانی
4-4-3- قیود زبانی
4-4-4- قواعد اگر – آنگاه
4-4-5- گزاره فازی
4-4-6- شیوه استدلال فازی
4-4-7- روش ممدانی
4-4-8- روش استدلال فازی با استفاده از توابع خطی
4-4-9- استدلال فازی ساده شده
4-5- کاربردهای فازی در مهندسی عمران
4-5-1- سیستم‌های فازی
4-5-2- پایگاه قواعد
4-6-3- ویژگی‌های مجموعه قواعد
4-5-4- موتور استنتاج فازی
4-5-5- فازی ساز
4-5-6- غیرفازی ساز:
4-5-7- کنترل فازی
فصل پنجم : مطالعه عددی
5-1- مقدمه
5-2- ساختمان نمونه
5-3- مدل اجزاء محدود
5-4- معادلات دینامیک سازه
5-4-1- تعاریف
5-4-2- معادله حرکت سیستم
5-4-3- اثر تحریک تکیه‌گاهی ( نیروی زلزله)
5-4-4- ساخت ماتریس میرایی
5-5- شتاب‌های افقی زلزله‌های مورد استفاده
5-6- حل دستگاه معادلات دیفرانسیل
5-6-1- حل کلاسیک
5-6-2- فضای حالت
5-6-3- نوشتن معادلات ساختمان بلند در فضای حالت
5-7- افزودن روابط سیستم‌های کنترل TMD و ATMD به معادلات ساختمان بلند
5-7-1- سیستم کنترل غیر فعال میراگر و جرم تنظیم شونده (TMD)
5-7-2-کنترل میراگر و جرم تنظیم شونده فعال ATMD
5-8- کنترل فعال ساختمان بلند با استفاده از روش LQR
5-9- کنترل فعال ساختمان‌های بلند با استفاده از منطق فازی
5-9-1- سیستم فازی ممدانی با دو ورودی و یک خروجی همراه با جدول جستجوی فازی 5×5 ; (FLC5)
فصل ششم : نتیجه‌گیری و پیشنهاد برای ادامه کار
6-1- نتیجه گیری
6-2- پیشنهاد برای ادامه کار
منابع و مأخذ:
[1] Abdel-Rohaman, M., 1987, Feasibility of active control of tall buildings against wind, ASCE, J. of structural Engng., 113,2.
[2] Abdel-Rohman, M., Lepholz, H.H.E., 1978, Model control of multistory structures, ASCE, J of eng. Mech. Div., 104, 1157-1175.
[3] Abe, M., Igusia T., 1995, Tuned mass dampers with closely spaced natural freqyancies, E.E.S.D., 24, 247-261.
[4] Ahlawat, A.S., Ramaswamy, A., 2001, Multi-objective optimal structural vibration control using fuzzy logic control system, J. of structural Engng., 127, 11.
[5] Ahlawat, A.S., Ramaswamy, A., 2002, Multi-objective optimal design of FLC diven hybrid mass damper for seismically excitated structures, E.E.S.D., 31, 1459-1479.
[6] Ahlwat, A.S., Ramaswamy, A., 1965, Multi objective control structural vibration control system, ASCE, J. ofstructural Engg., 8, 338-353.
[7] Alkien, I.D., etal, 1993, Testing of passive energy dissipation systems, Ersquake spectra, 9, 3, 335-370.
[8] Altrock, Constantin V., 1997, Fuzzy Logic & Nerofuzzy Applications Explained, 3-4.
[9] Bakule, L., Pulet-Crainiceanu, F., 2003, Decentralized overlapping control design for a cable stayed bridge henchmark, Proc. Of the wind world Conf. on structural control, 2, 869-874.
[10] Blair, B., 1994, Interview with Lotif zadeh, Azarbaijan Inter national, 2, 4, 2-6.
[11] Chag, C.C., Yang, H.T.Y., 1995, Cotrol of building using active tuned mass dampers, ASCE, J. of engg. Mechnics, 121, 3.
[12] Cherry, S., Filliatrault, A., 1993, Sesimic response control of building using friction dampers, Earthquake Spectra, 9, 3, 447-466.
[13] Chung, L.L., Reinhorn, A.M., Soong, T.T., 1988, Experiments on active control of seismic structures, ASCE, J. of Eng. Mech., 114, 241-256.
[14] Clark, A.J., 1988, Multiple tuned mass dampers for reducting earthquake induced building motion, Proc. 9th wourd Conf. of earthquake engineering, Tokyo-Kioto, Japan, 8, 779-784.
[15] Clough, R.W., Penzien, J., 1993, Dynamics of Structures, Secend Edition, Mc Graw-Hill, Inc.
[16] Coello, C.A., Chistiansen, A.D., 2000, Multiobjective optimization of trusses using genetic algorithms, Computers & Structures, 75, 647-660.
[17] Coello, C.A., Van Veldhuizen, D.A., Lamont, G.B., 2002, Evolutionary algorithms for solving multi-objective problem, Kluwer Academic Pblishers, NY.
[18] Constantinou, M.C., Symans, D., 1993, Sesimic response of structures with supplemental damping, J. The Structural design of tall buildings, 2, 77-92.
[19] Dattam T.D., 1996, Control of dunamic response of Sttructures, Symposium on emrerging trends in vibration and noise, Engg., 18-20.
[20] Dejong, K., 1975, Analysis of the behavior of a class of genetic adaptive systems, PHD thesis, University of Michigan.
[21] Fonseca, C.M., Fleming, P.J., 1993, Genetic algorithms for multi-objective optimization: Formulation, discussion and generalization, In Proc. Of the Fith Int. Conf. on genetic Algorithms, Forrest S. (Ed.), San Mateo, CA, Morgan Kaufmann, 416-423.
[22] Frigorian, C.E., Yang, T.S., Popev, E.P., 1993, Slotted bolted connction energy dissipators, Earthquake spectra, 9, 3, 491-504.
[23] Goldberg, D.E., 1989, Genetic algorithms in search, optimization and Nachine Learning, Reading, Addison-Wesley.
[24] Gupa, Y.P., Chandrasekaren, P.R., Absorber system for earthquake excitation, Proc. 4th wourd Conf. of earthquake engineering, Santiago, Chile, 2, 139-148.
[25] Haack, S., 1991, Philosophy of logic, Camberdge University Press, 152-153.
[26] Hartog, J.P., 1956, Mechanical vibratons, McGraw-Hill: New York.
[27] Hesser, G., 1991, Towards an optimal mutation probability in Gas, In H.P. Schwefeland R. Manner, eds, Paraller problem solving from nuture, 496, 23-32.
[28] Holland, J.H., 1975, Adaptation in natural, and Artificial systems, Ann Arboor: The University of Michgan Press.
[29] Igusa, T., Xu, K., 1994, Vibration control using multiple Tuned mass dampers and some design formulas, E.E.S.D., 175, 4, 491-503.
[30] Jansen, L.M., Dyke, S.J., 2002, Semiactive control strategies for MR damper, J. of Engg. Mechanics, ASCE, 126, 8, 795-803.
[31] Karata, H.N., Kobori, T., 1998, Semiactive damper system in large Earthquakes, Proc. Second would Conf. on structural control, Kyoto, 1, 359-366.
[32] Kawamura, H., Ohmori, Kito, N., 2000, Truss topology optimization by a modified genetic algorithm, Department of /architecture, Negoya University, Aichi, Japan.
[33] Kaynia, A.M., Venerziano, D., Biggs, J.M., 1981, Seismic effectivness of tuned mass dampers, J. of Struct. Div. ASCE, 107, 8, 1465-1484.
[34] Kitamura, H., Fujita, T., Teramoto, T., Kihara, H., 1988, design and alaysis of a tower structure with tuned mass damper, Proc. 9th wourd Conf. of earthquake engineering, Tokyo-Kioto, Japan, 8,415-420.
[35] Knowles, J., Corne, D., 1999, The Pareto archived evolution strategy: Anew baseline algorithm for multiobjective optimization, in Proc. Of the 1999 congress on Evolutionary Computation, Piscataway, NJ: IEEE Service Center, 98-105.
[36] Kicer, F.Y., Arora, J.S., 1999, optimal design of H-frame transmission poles for earthquake loading, J.Struct. Eng., 125, 1299-1308.
[37] Mahendra, P.S., Sarbject, S., Luis, M.N., 2002, Tuned mass dampers for response control of torsional buildings, E.E.S.D., 31,749-769.
[38] Marler, R.T., Arora, J.S., 2004, Survey of multi-objective optimzition methods for engineering, Struct. Multidisc. Optim., 26, 369-395.
[39] Micheal, D.S., Steven, W.K., 1999, Fuzzy logic control of bridge structures using intelligent semi-active seismic isolation systems, E.E.S.D., 28, 37-60.
[40] Morgan, G.Ch., 1998, Fuzzy logic, Routlendge Encyclopedia of Philosophy, 3, first edition, Craig, E.Routledge, London.
[41] Ogata, K. 1982, Modern Control Engineering, Engle wood Cliffs, N.J. Prentice Hall Inc.
[42] Pall, A.S. Marsh, C.1982, Response of friction damped braced frames, ASCE, J. of Structural Division, ST6, 1313-1323.
[43] Pareto, V., 1896, Cours d,economic ploitique, Lausanne, Switzerland, Rouge.
[64] Whittaker, A.S., 1992, UBC/EERC, 89, 2.
[65] Wirsching, P.H., Campbell, G.W., 1974, Minimal structural response under random excitation using the vibration absorber, E.E.S.D., 2, 303-312.
[66] Wu, S.J., Chow, P.I., 1995, Integrated discere and configuration optimization of trusses using GA, Coumputer & Structures, 55,4, 695-702.
[67] Xia, C., Hanson , R., 1992, Influence of ADAS element parameters on building seismic response, ASCE, J. Structural Div., 118.
[68] Yamaguchi H., Harnornchai, N., 1993, Fundamenal charactrastics of multiple tuned mass dampers for suppressing harmonically forced oscillators, E.E.S.D., 22, 51-62.
[69] Yang, N.J., Soong, T.T., 1989, Recent Advances in active control of civil engineering structures, Int., J. of probabilistic Engg. Mechanics, 3, 4, 179-187.
[70] Zadeh, L.A., 1988, Fuzzy logic, IEEE, computer magazine, 21, 4.
[71] Zimmermann, H.J., 1996, FuzzySet Theory and its Applications, third edition, Kluwer Academic Publishers, third edition.
[72] Zitzler, E., Thiele, L., 1998, An evolutionary algorithm for multiobjective optimization: The strength Pareto approach, Tech. Report 43, Computer engineering and federal ins. Of Tech., Zurich.
]73[ آذر، عادل.، فرجی، حجت.، 1380، علم مدیریت فازی، تهران.
]74[ تقدس، حسین.، محمودزاده، فتح الله.، شکرچی‌زاده، محمد. 1383، برآورد ضریب انتشار پذیری کلر در بتن به روش شبکه عصبی فازی، پنجمین کنفرانس سیستم‌های فازی ایران، 223- 231.
]75[ زاهدی، مرتضی.، 1378، تئوری مجموعه‌های فازی و کاربردهای آن، نشر کتاب دانشگاهی.
]76[ سینایی، علی.، حجازی، فرزاد. 1382، بهینه سازی کنترل فعال سازه توسط شبکه‌های عصبی، ششمین کنفرانس بین‌المللی مهندسی عمران، 389-395.
]77[ طاهری، سید محمود.، 1378، آشنایی با نظریه مجموعه‌های فازی، انتشارات جهاد دانشگاهی مشهد، چاپ دوم.
]78[ لوکس، کارو.، وهدانی، شهرام.، 1382، تحلیل اثر تشدید در دره‌های آبرفتی V شکل با استفاده از سیستم نرو فازی، نشریه دانشکده فنی، 37، 1، 63-74.
]79[ مرندی، مرتضی.، باقرپور، محمد حسین.، تحلیل ضریب اطمینان پایداری شیب‌های خاکی با استفده از تئوری فازی، پنجمین کنفرانس سیستم‌های فازی ایران، 635-645.
]80[ ناطق الهی، فریبرز.، 1378، میراگرهای انرژی در مقاوم سازی لرزه‌ای ساختمان‌ها، پژوهشکده بین المللی زلزله شناسی ومهندسی زلزله.
]81[ کاسکو، بارت، 1377، تفکر فازی، مترجمان غفاری، مقصود پور، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی.