Vibration Control of Structures کنترل ارتعاشی سازه ها
|
Instructor: Dr. Kaveh Karami
Level: PhD
Prerequisites: Dynamic of Structures
Credits: 3
Department: Civil Engineering
|
مدرس: دکتر
کاوه کرمی
مقطع: دکتری
پیشنیاز: ديناميک سازه ها
تعداد واحد: 3
گروه آموزشی:
مهندسی عمران
|
معرفی درس کنترل ارتعاشی سازه های
درس
کنترل لرزهای سازهها یکی از دروس پیشرفته مقطع دکتری مهندسی عمران است
که به بررسی روشهای نوین کاهش پاسخ لرزهای سازهها از طریق کنترل رفتار
دینامیکی آنها میپردازد. در این رویکرد، هدف صرفا افزایش مقاومت سازه در
برابر زلزله نیست، بلکه هدایت پاسخ سازه بهصورت کنترلشده و بهینه از
طریق بهکارگیری سیستمهای جداسازی لرزهای و کنترل غیرفعال، نیمهفعال،
فعال و هیبریدی دنبال میشود. این درس پیوندی عمیق میان دینامیک سازهها،
مهندسی زلزله و تئوری کنترل برقرار میکند. در ابتدای درس، مروری بر تحلیل
دینامیکی سیستمهای سازهای و مفاهیم پایه کنترل سازه ارائه میشود. سپس
سیستمهای جداسازی لرزهای پایه در قالب مدلهای یک درجه آزادی معرفی شده
و نقش شیفت پریود در کاهش نیروهای لرزهای بررسی میگردد. کاربردهای عملی
این سیستمها در ساختمانها و پلها، محدودیتهای طراحی و مقاومسازی
لرزهای، و نمونههای اجرا شده در ایران و جهان مورد بحث قرار میگیرند.
در ادامه، مبانی کنترل فعال با تکیه بر ابزارهای ریاضی لازم نظیر تبدیل
لاپلاس، روشهای حوزه فرکانس و حساب تغییرات مرور میشود.
بخشهای
پیشرفتهتر درس به کنترل فعال و نیمهفعال سازههای ارتعاشی اختصاص دارد.
تئوریهای کلاسیک و مدرن کنترل، کنترل بهینه نوسانات، روشهای تخصیص قطب،
پاسخ فرکانسی و کنترل لحظهای بهصورت تحلیلی و عددی بررسی میشوند.
همچنین اثر محدودیتهای عملی نظیر تأخیر زمانی، خطاهای مدلسازی، قابلیت
کنترل و شناسایی سیستمها تحلیل میگردد. در پایان، مکانیزمهای اعمال
نیرو شامل سیستمهای کابلی فعال، میراگرهای جرمی فعال، و کنترل نیمهفعال
با استفاده از میراگرهای MR و ER و مصالح هوشمند مانند مواد پیزوالکتریک و
آلیاژهای حافظهدار (SMA) معرفی میشوند. استفاده از نرمافزارهای
محاسباتی و انجام تمرینها و پروژههای عددی بخش جداییناپذیر این درس است.
Course Description of Vibration Control of Structures Seismic
Control of Structures is an advanced doctoral-level course focused on
modern techniques for reducing seismic responses of structures through
controlled dynamic behavior rather than relying solely on
strength-based design. The course introduces seismic isolation systems
and various control strategies, including passive, semi-active, active,
and hybrid control methods, establishing a strong connection between
structural dynamics, earthquake engineering, and control theory.
The
course begins with a review of dynamic analysis of structural systems
and fundamental concepts of structural control. Base isolation systems
are introduced using single-degree-of-freedom models, emphasizing
period shifting as an effective mechanism for reducing seismic forces.
Applications of seismic isolation in buildings and bridges, practical
design limitations, and real-world implementations in Iran and
worldwide are discussed. Fundamental mathematical tools required for
active control, such as Laplace transforms, frequency-domain methods,
and calculus of variations, are also reviewed.
Advanced topics
include active and semi-active control of vibrating structural systems.
Classical and modern control theories, optimal vibration control, pole
placement techniques, frequency response methods, and instantaneous
optimal control strategies are analytically and numerically
investigated. Practical issues such as time delay effects, modeling
uncertainties, controllability, and system identification are
critically examined. The course concludes with an overview of
force-actuation mechanisms, including active tendons, active mass
dampers, and semi-active control devices such as MR and ER dampers and
smart materials like piezoelectric materials and shape memory alloys
(SMA). Computational modeling, numerical simulations, and project-based
applications using specialized software constitute an essential part of
the course.
اهداف
آموزشی درس
این
دانشجویان با جداسازی لرزهای و انواع روشهای کنترل نیمه فعال و فعال
سازهها در برابر زلزله و نحوه تحمل سازهها در مقابل این بارهای لرزهای
به صورت کنترل شده آشنا میشوند.
Learning Outcomes
Students
will become familiar with seismic isolation and various methods of
semi-active and active control of structures against earthquakes, and
how structures resist these seismic loads in a controlled manner.
مباحث مورد بررسی:
1. مرور مختصری
از تحلیل دینامیکی سیستمهای سازهای، مفهوم کلی کنترل سازه اعم از کنترل غیرفعال،
نیمه فعال، فعال و هیبریدی.
2. سیستم
جداسازی پی (Base Isolation) در سیستم یک درجه آزاد با شیفت پریود برای
کاهش سطح نیروها، مثال عددی با تحریک لرزهای.
3. کاربرد
جداسازی لرزهای در پلها و ساختمانها، محدودیتهای کاربردی در طراحی و مقاومسازی
لرزهای، مثالهایی از اجرای سیستم در ایران و جهان.
4. کنترل فعال:
یادآوری برخی مطالب مورد نیاز از ریاضیات چون تبدیل لاپلاس و حساب تغییرات، روش
فرکانسی و استفاده از تبدیل لاپلاس.
5. کنترل فعال
سیستم ارتعاشی با تئوری مدرن کنترل، کنترل بهینه نوسانات، اندیس بهینه عملکرد
کنترل.
6. تئوریهای
کلاسیک و مدرن کنترل، روش تخصیص قطب روش پاسخ فرکانس.
7. تئوری کنترل
کلاسیک بهینه برای حالت مختلفی چون Open Loop، Closed
Loop و Open-Closed Loop.
حل عددی معادلات مربوطه.
8. تئوری کنترل
بهینه لحظهای (Instantaneous Optimal Control) برای حالات Open
Loop و Closed Loop.
عددی معادلات مربوطه.
9. اولویتها و
محدودیتهای سیستمهای مختلف کنترل بهینه از لحاظ خطاهای مربوطه تاثیر تاخیر زمانی
(Time Delay)، قابلیت کنترل و قابلیت شناسایی سیستمهای
ارتعاشی.
10. سایر مکانیزمهای
کنترل: بررسی کلی سایر روشهای کنترل فعال چون روش پالسی، کنترل فضای مودی مستقل.
11. مکانیزمهای
اعمال نیرو شامل AVD، AVS، Active
Tendons، ATMD ... کاربرد
سیستم کابلی فعال، میراگر جرمی فعال (AMD) و درایور جرمی
فعال، موارد استفاده شده تا به حال.
12. کنترل نیمه
فعال بررسی عملکرد میراگرهای MR، ER
و مصالح هوشمند مانند مواد پیزو الکتریک و SMA.
Course Topics:1- Brief Review of Dynamic Analysis of Structural Systems and General Concepts
of Structural Control: passive, semi-active, active, and hybrid control
systems.
2- Base Isolation Systems: single-degree-of-freedom models with period shift
for force reduction; numerical example under seismic excitation.
3- Application of Seismic Isolation in Bridges and Buildings: practical
limitations in seismic design and retrofitting; examples of implemented systems
in Iran and worldwide.
4- Active Control: review of required mathematical concepts such as Laplace
transforms and calculus of variations; frequency-domain methods and application
of the Laplace transform.
5- Active Control of Vibrating Systems Using Modern Control Theory: optimal
vibration control; performance indices for optimal control.
6- Classical and Modern Control Theories: pole placement methods; frequency
response methods.
7- Classical Optimal Control Theory for Various Configurations: open-loop,
closed-loop, and open–closed-loop systems; numerical solution of the governing
equations.
8- Instantaneous Optimal Control Theory: application to open-loop and
closed-loop systems; numerical solution of the governing equations.
9- Priorities and Limitations of Various Optimal Control Systems: effects of
modeling errors, time delay, controllability, and observability of vibrating
systems.
10- Other Control Mechanisms: general review of alternative active control
methods such as pulse control and independent modal space control.
11- Force Actuation Mechanisms: active variable dampers (AVD), active variable
stiffness (AVS), active tendons, active tuned mass dampers (ATMD); application
of active cable systems, active mass dampers (AMD), and active mass drivers;
review of implemented systems.
12- Semi-Active Control: performance evaluation of MR and ER dampers and smart
materials such as piezoelectric materials and shape memory alloys (SMA).
References
1. Connor, Jerome J. Introduction to structural motion
control. Prentice Hall, 2003.
2. Connor, Jerome, and Laflamme, Simon. Structural
Motion Engineering. Germany, Springer International
Publishing, 2014.
3. Cheng, Franklin Y., et al. Smart
Structures: Innovative Systems for Seismic Response Control. United
States, CRC Press, 2008.
4. M.C. Costantinou, T.T. Soong. Passive and Active
Structural Vibration Control in Civil Engineering. Austria, Springer
Vienna, 2014.
5. Komodromos, Petros Ioannis. Seismic isolation for
earthquake-resistant structures. Wit Press, 2000.
6. Skinner, Robert Ivan, William H. Robinson, and Graeme H.
McVerry. An introduction to seismic isolation. John Wiley
& Sons, 1993.
7. Chopra, Anil K. Dynamics
of Structures: Theory and Applications to Earthquake Engineering,
4th Edn., Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 2012.
8. Soong, T. T., Dargush, G. F. Passive Energy Dissipation
Systems in Structural Engineering, Wiley, 1997.
9. Leipholz, U., and M. Abdel-Rohman. Control of
structures. Vol. 11. Springer Science & Business Media, 2012.
10. Gawronski, W. Balanced
Control of Flexible Structures, Springer Berlin Heidelberg, 2006.
11. Gawronski, W. Advanced
Structural Dynamics and Active Control of Structures, Springer New
York, 2007.
12. Soong, T. T. Active
structural control: theory and application. New York: Long-an
Scientific and Technical Publishing, 1990.
13. Clark, Robert L.,
William R. Saunders, and Gary P. Gibbs. Adaptive structures: dynamics
and control. Vol. 28, no. 2. New York: Wiley, 1998.
14. Dorf, R. C., Bishop,
R. H. Modern Control Systems, Pearson Education, 2016.
15. Chu, S. Y., Soong, T.
T., Reinhorn, A. M. Active, Hybrid, and Semi-active Structural
Control: A Design and Implementation Handbook, Wiley, 2005.
16. Preumont, A., Seto, K.
Active Control of Structures, Wiley, 2008.
17. Wagg, D., Bond, I.,
Weaver, P., Friswell, M. Adaptive Structures: Engineering Applications,
Wiley, 2008.
18. Casciati, F.,
Magonette, G., Marazzi, F. Technology of Semiactive Devices and
Applications in Vibration Mitigation, Wiley, 2006.
19. Preumont, A. Vibration
Control of Active Structures: An Introduction, Springer
Netherlands, 2012.
20. Geering, H. P. Optimal
Control with Engineering Applications, Springer Berlin Heidelberg,
2007.
21. Strejc, Vladimir. State
space theory of discrete linear control. John Wiley & Sons,
Inc., 1981.
22. Brogan, William L. Modern
control theory. Pearson education india, 1982.
23. Jacobs, Oliver Louis
Robert. Introduction to control theory. (1974).
24. Wilde, J. D., and C.
S. Beightler. Fundamentals of Optimization. 1967.
25. Belanger, Pierre R. Control
engineering: a modern approach. Oxford University Press, Inc.,
1995.
26. Xue, D., Chen, Y. Q.,
Atherton, D. P. Linear Feedback Control: Analysis and Design with
MATLAB, Society for Industrial and Applied Mathematics, 2007.
27. Hatch, Michael
R.. Vibration Simulation Using MATLAB and ANSYS. United
Kingdom, Taylor & Francis, 2001.
28. Tewari, A. Modern
Control Design: With MATLAB and SIMULINK, Wiley, 2002.
Lectures & Homeworks:
|