การควบคุมแบบเซมิแอคทีฟของผลตอบสนองไม่เชิงเส้นของอาคารด้วยตัวหน่วงปรับค่าได้

Abstract

เมื่อเกิดแผ่นดินไหวโครงสร้างอาจจะเกิดความเสียหายขึ้นที่เสา คาน หรือ ข้อต่อซึ่งมีพฤติกรรมแบบไม่เชิงเส้น ในการควบคุมความเสียหายของโครงสร้างควรใช้วิธีการควบคุมที่สามารถควบคุมพฤติกรรมไม่เชิงเส้นได้อย่างง่ายและมีประสิทธิภาพ โดยงานวิจัยนี้ได้นำเสนอรูปแบบการควบคุมแรงหน่วงแบบหนืดผสมแบบเสียดทานที่ปรับค่าได้ (vicous-plus-variable-friction, VVF) โดยนำข้อดีของตัวหน่วงแบบหนืดและข้อดีของตัวหน่วงแบบแรงเสียดทานมาผสมกัน และได้พัฒนาตัวหน่วงปรับค่าได้ที่รูปแบบการควบคุมแรงหน่วงแบบ VVF โดยใช้ตัวหน่วงของเหลวแม่เหล็ก และได้ศึกษาประสิทธิผลในการลดผลตอบสนองไม่เชิงเส้นของอาคารด้วยการทดลองและวิเคราะห์เชิงตัวเลข ในการวิจัยได้ทำการทดสอบตัวหน่วงของเหลวแม่เหล็กโดยให้การเคลื่อนที่แบบวัฏจักรและได้ทำแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของตัวหน่วงของเหลวแม่เหล็กโดยจำลองเป็นชิ้นส่วนแรงเสียดทานและชิ้นส่วนความหนืดต่อขนานกัน หลังจากนั้นได้ทำการทดสอบตัวหน่วงโดยให้มีรูปแบบการควบคุมแรงหน่วงแบบเสียดทาน, แบบหนืด, แบบหนืดไม่เชิงเส้น และแบบ VVF พบว่าค่าแรงหน่วงที่วัดได้น้อยกว่าค่าแรงหน่วงที่สั่งจึงต้องมีการชดเชยความต่างศักย์ให้เป็นสัดส่วนกับผลต่างของแรงหน่วงพบว่าตัวหน่วงสามารถความคุมได้รูปแบบตามที่กำหนดได้อย่างใกล้เคียงที่ความถี่ 1 Hz และเมื่อความถี่เป็น 2 Hz พบว่าแรงหน่วงมีความแตกต่างกันมากขึ้นซึ่งแสดงถึงข้อจำกัดของการใช้ตัวหน่วงของเหลวแม่เหล็กที่ความถี่สูงๆ จากนั้นได้ทำการทดสอบแบบจำลองอาคารโครงสร้างเหล็ก 3 ชั้นกว้าง 40 cm ยาว 80 cm สูง 1 m ซึ่งมีคาบธรรมชาติของโหมด 1, 2 และ 3 เป็น 0.73, 0.25 และ 0.17 s ตามลำดับมีการติดตั้งตัวหน่วงระหว่างฐานกับพื้นชั้น 1 ภายใต้คลื่น JMA Kobe และ คลื่น El Centro ที่ระดับความเข้มต่างๆโดยมีรูปแบบการควบคุมแรงหน่วงแบบเสียดทาน แบบหนืด และ VVF เมื่อเปรียบเทียบกับกรณีที่ไม่มีการควบคุมภายใต้คลื่น JMA Kobe ที่ระดับความเข้มข้น 20% พบว่ารูปแบบการควบคุมแรงหน่วงแบบ VVF สามารถลดระยะเคลื่อนที่สูงสุดของชั้น 1 และ 3 ได้ 33% และ 21% ตามลำดับ ค่าความเร่งชั้น 1 และ 3 ลดลง 22% และ 14% ตามลำดับ พลังงานที่สลายในตัวหน่วงสูงสุด 6.4 N-m เมื่อเปรียบเทียบทั้งสามรูปแบบการควบคุมพบว่า รูปแบบการควบคุมแรงหน่วงแบบเสียดทานลดระยะเคลื่อนที่ในเสาได้ดีที่สุด ส่วนรูปแบบการควบคุมแรงหน่วงแบบ VVF ลดค่าความเร่งได้ดีใกล้เคียงกับแบบหนืด และมีการสลายพลังงานในตัวหน่วงได้ดีที่สุด จากการวิเคราะห์อาคารมาตรฐานสูง 3 ชั้น ซึ่งมีคาบธรรมชาติของ 3 โหมดแรกคือ 1.01 0.33 และ 0.17 s และมีการติดตั้งตัวหน่วงระหว่างฐานกับพื้นชั้น 1 ที่มีรูปแบบการควบคุมแบบต่างๆ ภายใต้คลื่น JMA Kobe และ El Centro ที่ระดับความเข้มต่างๆ กันเนื่องจากโปรแกรมที่ใช้ในการคำนวณไม่รองรับคำสั่งที่จำเป็นสำหรับการควบคุมแรงหน่วงแบบ VVF จึงใช้รูปแบบการควบคุมแรงหน่วงแบบหนืดไม่เชิงเส้นแทนซึ่งมีลักษณะคล้ายกัน เมื่อเปรียบเทียบกับกรณีที่ไม่มีการควบคุมภายใต้คลื่น JMA Kobe พบว่ารูปแบบการควบคุมแรงหน่วงแบบหนืดไม่เชิงเส้นสามารถลดระยะเคลื่อนที่สูงสุดของชั้น 1 และ 3 ได้ 47% และ 22% ตามลำดับ ความเร่งของชั้น 1 และ 3 ลดลง 28% และ 8% ตามลำดับ พลังงานที่สลายในตัวหน่วง 4.2 MN-m จากการเปรียบเทียบทั้งสามรูปแบบการควบคุมพบว่ารูปแบบการควบคุมแรงหน่วงแบบเสียดทานมีแนวโน้มลดระยะเคลื่อนที่ได้ดี แบบหนืดลดค่าความเร่งสูงสุดได้ดีที่สุด ส่วนแบบหนืดไม่เชิงเส้นลดระยะเคลื่อนที่สูงสุดได้ดีกว่าแบบหนืด และลดค่าความเร่งสูงสุดได้ดีกว่าแบบเสียดทาน นอกจากนี้มีการสลายพลังงานในตัวหน่วงได้สูงสุด ซึ่งผลการวิเคราะห์มีแนวโน้มใกล้เคียงกับผลการทดสอบ