عنوان

طراحی سیستم کنترل فعال غیرخطی سازه در برابر ارتعاشات زمین لرزه

Number

‭۳۵۲۴پ‬

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

طراحی سیستم کنترل فعال غیرخطی سازه در برابر ارتعاشات زمین لرزه

First Statement of Responsibility

/مهدی برادران‌نیا

Name of Publisher, Distributor, etc.

تبریز : دانشگاه تبریز ، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر

Specific Material Designation and Extent of Item

‮‭۱۴۰‬ص‬

Text of Note

چاپی

Dissertation or thesis details and type of degree

دکتری

Discipline of degree

مهندسی برق

Date of degree

‮‭۱۳۹۰/۰۵/۲۵‬

Body granting the degree

تبریز : دانشگاه تبریز ، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر

Text of Note

مقاوم‌سازی سازه‌های ساختمانی در مقابل زمین‌لرزه از دیرباز یکی از مسائل مهم در مهندسی سازه بوده‌است .روش سنتی در طراحی سازه به‌گونه‌یست که توان کافی در مقابل بارها به همراه قابلیت انعطاف پذیری در مقابل تغییر شکل را داشته‌باشند ولی این روش‌ها باعث می‌شوند که سازه‌های ساختمانی یک ظرفیت ثابت برای مقاومت در برابر زمین‌لرزه داشته‌باشند .مشکلات این روش‌ها باعث شده‌است که محققان روش‌های نوینی به نام کنترل سازه‌ها برای مقاوم‌سازی آنها در مقابل اثرات زیان‌بار زمین‌لرزه ابداع‌کنند .کنترل سازه‌های ساختمانی در حالت کلی به دو دسته‌ی کنترل فعال و کنترل غیرفعال تقسیم می‌شود .کنترل فعال سازه‌ها به دلیل بعضی مزایا از قبیل حس‍ تغییرات محیطی و وفق‌دادن عملکرد کنترل، کارایی بیشتر و بهتری نسبت به سازه‌های غیرفعال دارند .با توجه به این توضیحات، کلیات این رساله را می‌توان در ارائه‌ی روش‌هایی برای کنترل فعال سازه‌های ساختمانی خلاصه‌کرد.در حالت ساده، دینامیک یک سازه‌ی ساختمانی را می‌توان با استفاده از ترکیبی از جرم‌ها، سختی‌ها و میرائی‌های خطی مدل‌سازی کرد .ولی سازه‌هایی که در معرض زمین‌لرزه‌های پرقدرت قرار می‌گیرند رفتار غیرخطی از خود نشان می‌دهند .در حقیقت، این رفتار غیرخطی یک حلقه‌ی هیسترزیس را به دینامیک سازه اضافه می‌کند .برای مدل‌سازی رفتار هیسترزیسی از روش‌های مختلفی می‌توان استفاده‌کرد که یکی از آنها معادله‌ی‮‭Wen - Bouc‬می‌باشد .این معادله به‌دلیل توانایی خود در مدل‌سازی حیطه‌ی وسیعی از رفتارهای هیسترزیسی از محبوبیت خاصی برخورداراست .در این رساله، مدل غیرخطی سازه‌های ساختمانی درنظر گرفته‌شده و رفتار هیسترزیسی این مدل، توسط معادله‌ی‮‭Wen - Bouc‬بررسی شده‌است .کنترل مد لغزشی یکی از روش‌های طراحی کنترل‌کننده برای سیستم‌های غیرخطی می‌باشد .همچنین روش بازگشت به عقب و روش بازطراحی پایدارساز لیاپانوف روش‌هایی برای طراحی کنترل‌کننده، به‌ترتیب، برای سیستم‌های غیرخطی معین و نامعین می‌باشند .دینامیک سازه‌های ساختمانی که در معرض زمین‌لرزه قرار می‌گیرند را می‌توان به عنوان یک سیستم با اغتشاش خارجی درنظر گرفت .از طرف دیگر، پارامترهای جرم، میرائی و سختی سازه با استفاده از روش‌های شناسایی تخمین‌زده شده و شامل عدم قطعیت می‌باشند .با توجه به این توضیحات، استفاده از روش‌های کنترلی ذکرشده برای کنترل سازه‌های ساختمانی و پایدارسازی آنها در مقابل زمین‌لرزه و نیز در مقابل عدم قطعیت پارامترهای سازه، مناسب به‌نظر می‌رسد .در این رساله، از هر دوی این روش‌ها برای طراحی کنترل‌کننده برای سازه‌های غیرخطی در دو حالت سازه با پارامترهای معین و سازه با پارامترهای نامعین استفاده شده‌است .کنترل‌کننده‌های پیشنهادشده ابتدا برای سازه‌های یک طبقه ارائه‌شده و سپس تعمیم آنها به سازه‌های چند طبقه بررسی شده‌است .برای بررسی عم‍-لکرد روش‌های پیش‍-نهادی، تعدادی ش‍--بیه‌سازی انجام‌گرف‍-ته و زم‍--ین‌لرزه‌های‮‭Centro- El‬، ‮‭Rinaldi‬ و ‮‭Newhall‬ به‌عنوان سه زمین‌لرزه‌ی شناخته‌شده در زمینه‌ی مهندسی سازه مورداستفاده قرار گرفته‌اند .نتایج شبیه‌سازی برای سازه‌های یک طبقه در حالت پارامترهای معین حاکی از کاهش پاسخ‌های تغییرمکان، سرعت و شتاب به‌ترتیب، به مقدار بیش از‮‭۹۸‬ ، ‮‭۹۳‬ و ‮‭۵۱‬ می‌باشند .مشابه سازه‌های یک درجه آزادی، کنترل‌کننده‌های تعمیم‌یافته به سازه‌های چند درجه آزادی، بر روی یک ساختمان چهار طبقه مورد آزمایش قرارگرفته و پاسخ‌های طبقات طی شبیه‌سازی به ازای هر سه زمین‌لرزه نشان‌دهنده‌ی کاهش چشم‌گیر هر سه پاسخ تغییرمکان، سرعت و شتاب در سازه‌ی کنترل‌شده نسبت به سازه‌ی کنترل‌نشده می‌باشند .برای شبیه‌سازی سازه‌ها با پارامترهای نامعین، پارامترهای ساختمان به‌صورت اعداد تصادفی درنظر گرفته‌شده و پس از اجرای شبیه‌سازی‌ها به تعداد ‮‭۱۰۰۰‬ بار، میانگین و بدترین حالت پاسخ‌ها برای بررسی عملکرد کنترل‌کننده‌ها استخراج شده‌اند .نتایج شبیه‌سازی برای سازه‌های یک طبقه با پارامترهای نامعین نشان‌دهنده‌ی بهبود پاسخ‌های سازه‌ی کنترل‌شده توسط روش‌های پیشنهادی به مقدار بیش از ‮‭۹۸‬ برای تغییرمکان، بیش از ‮‭۹۲‬ برای سرعت و بیش از ‮‭۳۳‬ برای شتاب، نسبت به سازه‌ی کنترل‌نشده می‌باشند .برای سازه‌های چند طبقه با پارامترهای نامعین، کاهش پاسخ تمامی طبقات در حالت کنترل‌شده نسبت به حالت کنترل‌نشده مشاهده می‌گردد .نکته قابل توجه در مورد نتایج به‌دست آمده این‌است که این کنترل‌کننده‌ها قادر هستند تغییرمکان طبقات را بدون افزایش شتاب آنها، کاهش‌دهند .این عملکرد هم از لحاظ حفظ امنیت سازه و هم از لحاظ حفظ سلامتی اجزای غیرسازه‌ای اهمیت به‌سزایی دارد.

Text of Note

Making buildings resistant against earthquake hazards has been a challenging task among the structural engineers. The conventional method in designing the structures is to make them strong enough to resist the loads when they are built. But these methods cause buildings to have a fixed capacity against earthquakes and dynamic loads. These deficiencies have caused the researchers to come up with new ideas, named structural control. The control of structures can be categorized into two main groups: active control and passive control. The active control of structures, due to their ability in sensing the environment changes and adapt themselves with these changes, are from major interest. Considering these explanations, the general goal of this dissertation can be expressed as presenting new methods in active control of structures. The dynamic behavior of a single degree-of-freedom building can be modeled as a linear combination of a mass, stiffness and damper. But when the structures are exposed to strong earthquakes, they show nonlinear behavior. Indeed, this nonlinear behavior adds a hysteretic loop to its dynamic model. There are several methods for modeling the hysteretic behavior, but among them, the Bouc-Wen model, due to its ability to catch a wide range of hysteresis behaviors, is the most popular model in structural engineering. In this dissertation, the nonlinear behavior of the structures which are modeled by Bouc-Wen equation is studied. Sliding mode control is one of the nonlinear systems' designing methods in the presence of disturbance. Also, the backstepping and Lyapunov redesign stabilization are used to design controller for nonlinear systems when there are parameter uncertainties and external disturbances in the systems. The dynamic behavior of the structures when exposed to an earthquake can be considered as a system with external disturbance. On the other hand, the mass, stiffness and damping coefficients of the structures are approximated via estimation methods, which cause them to be uncertain. So, the aforementioned control methods can be used for stabilizing structures when they are exposed to an earthquake, or to stabilize them when the system parameters contain uncertainty. In this dissertation, both of the aforementioned methods are used to design a controller for structures with certain and uncertain parameters. To evaluate the performance of the proposed methods, some simulations are conducted. Three well-known El-Centro, Rinaldi and Newhall earthquakes are used as earthquake prototypes. The simulation results of 1-story building with certain parameters depict that the displacement, velocity and acceleration responses of the structure are reduced more that 98 , 93 and 51 , respectively, when compared to the uncontrolled structure. The generalized controllers for the multi-story structures are simulated on a 4-story building. The results show considerable reduction in all of the displacement, velocity and acceleration responses of all stories in controlled structure in comparison with the uncontrolled structure. For simulation of the structures with unknown parameters, the parameters of the dynamics are chosen as random numbers with uniform distribution. The simulations are conducted for 1000 times and the average and worst cases are reported for evaluation of the controller performance. The results of the structure with unknown parameters indicate more than 98 displacement reduction, more than 92 velocity decrement and more than 33 acceleration reduction for controlled structure when compared to the uncontrolled structure. For multi-story buildings with uncertain parameters, the reduction of all of the structure responses in all stories is seen. The salient advantage of the proposed methods is that they reduce the displacement of the floors without any increment in the acceleration. This criterion is important in structural engineering from both viewpoints of structural and non-structural safety.

Active control of structures

nonlinear control of buildings

Bouc-Wen model

sliding mode control

backstepping

Lyapunov redesign stabilization

برادران‌نیا، مهدی

علیزاده، قاسم، استاد راهنما

خان‌محمدی، سهراب، استاد مشاور

فرهمندآذر،بهمن، استاد مشاور

Public note

سیاه و سفید

نمایه‌سازی قبلی