کنترل تغییرشکل دینامیکی قاب بتن آرمه تحت بار زلزله با استفاده از لایه پیزوالکتریک

مواد پیزوالکتریک نوعی از مصالح هوشمند می باشند که به دلیل خصوصیات فوق العاده همانند تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی و بالعکس مورد توجه پژوهشگران زیادی در علوم مهندسی مختلف قرار دارند. امروزه استفاده از این مصالح، برای کنترل تغییر شکل، کاهش نوسان و کنترل فعال سازه ها در صنعت ساختمان رو به افزایش می باشد. در این مقاله، به تعیین و کنترل تغییرشکل دینامیکی یک قاب بتنی یک دهانه با پوشش لایه پیزوالکتریک روی تیر و ستون ها تحت بار لرزه ای پرداخته می شود. به منظور کنترل تغییرشکل دینامیکی قاب بتنی، از یک کنترل کننده تناسبی- مشتقی استفاده شده است بدین شکل که یک لایه پیزوالکتریک در نقش محرک و یک لایه در نقش سنسور درنظر گرفته می شود. معادلات حاکم بر اجزا تیر و ستون قاب بتنی با استفاده از تئوری برشی مرتبه بالا ، محاسبه روابط انرژی، اعمال اصل همیلتون و در نظر گرفتن ولتاژ اعمالی بر مصالح پیزوالکتریک به دست می آیند. جهت کوپل کردن معادلات بدست آمده برای تیر و ستون، از شرایط مرزی پیوستگی در نقاط اتصال تیر به ستون ها به یکدیگر استفاده می شود. به منظور حل عددی معادلات کوپل شده دینامیکی، از روش عددی تفاضلات مربعی استفاده شده است در این روش، معادلات دیفرانسیلی به معادلات جبری تبدیل شده و در نهایت به کمک روش نیومارک، تغییرشکل دینامیکی قاب بتنی بر حسب زمان محاسبه می گردد. بعد از صحت سنجی نتایج، اثر پارامترهای مختلفی همچون ولتاژ اعمالی به لایه پیزوالکتریک، کنترل کننده از نوع پیزوالکتریک، ضخامت لایه پیزوالکتریک و اثرات ترکیبی آنها بر تغییرشکل دینامیکی بررسی شد. در اینجا، مقادیر بهینه پارامترهای کنترل کننده شامل ضریب تناسب و ضریب مشتق به ترتیب برابر با 3/824 و 5/812 به دست آمدند. نتایج نشان می دهد برای تعداد نقاط شبکه 15، تغییرشکل دینامیکی بدست آمده از روش تفاضلات مربعی همگرا می شود. همچنین، اگر از یک کنترل کننده از نوع پیزوالکتریک استفاده شود، دامنه نوساتات تغییرشکل به شدت کاهش یافته و زمان میرایی سیستم کوتاه تر خواهد شد. به عبارت دیگر استفاده از کنترل کننده به ترتیب منجر به کاهش 72 و 65 درصدی تغییرشکل دینامیکی جانبی و قائم  قاب می شود. همچنین مشاهده شد، که تغییرشکل دینامیکی جانبی قاب درحالتی که فقط ستون ها لایه پیزوالکتریک دارند کمتر از حالتی است که فقط تیر لایه پیزوالکتریک دارد درحالی که این موضوع برای خیز دینامیکی قائم قاب بالعکس می باشد.