tuned mass damper
در نشریات گروه عمران-
کاربرد ادوات کنترل غیر فعال، نظیر میراگر جرمی تنظیم شونده (TMD) ، برای کاهش نیاز لرزهای توصیه میشود. در حالت کلی، جرم، درصد میرایی و فرکانس زاویه ای میراگر متناسب با مشخصات دینامیکی سازه اصلی تعیین میشود. با توجه به اینکه ساختار خاک بستر، میتواند مشخصات دینامیکی سازه و میراگر را دستخوش دستخوش تغییر کند، هدف اصلی در نوشتار حاضر، ارائه ی روابط کمک طراحی برای تعیین مشخصات بهینه ی میراگر جهت کاهش پاسخ لرزهای در امتداد طولی پلهای معلق با در نظر گرفتن اثرات اندرکنش خاک-سازه است. به این منظور، مدلهای متنوعی از پل های معلق مستقر بر روی 2 نوع خاک بستر (خاک سخت و نرم) با طول کلی ثابت، اما با در نظر گرفتن مقادیر مختلف نسبت طول دهانه ی کناری به دهانه ی میانی (α) تحت اثر رکوردهای زلزله ی حوزه نزدیک بررسی شده و مشخصات بهینه میراگر برای پل با فرض نسبت جرمی 2% برای میراگر بر حسب مقادیر مختلف α و برای هر نوع خاک، تعیین شده است. کارایی روابط پیشنهادی، با ارزیابی عملکرد TMD در بهبود عملکرد سه نمونه پل متفاوت بررسی شده است. نتایج به دست آمده، علاوه بر این که بیانگر دقت قابل قبول روابط ارائه شده جهت تعیین مقادیر بهینه ی درصد میرایی و فرکانس زاویه ای TMD است، نشان می دهند با نرم تر شدن خاک، عملکرد لرزه ای و پارامترهای بهینه میراگر جرمی تنظیم شونده، به ترتیب کاهش و افزایش می یابند، به نحوی که میراگر، حداکثر جابجایی سازه مستقر برروی خاک سخت و نرم را به ترتیب 40% و 24% کاهش می دهد. همچنین فرکانس زاویه ای بهینه در بستر نرم با مفروضات تحقیق، بین 5 تا 10% بیش از خاک سخت برآورد شده است.
کلید واژگان: میراگرجرمی تنظیم شونده، اندرکنش خاک-سازه، پل معلق، نسبت طول دهانه پل، حوزه نزدیک زلزلهDetermining the optimal parameters of TMD has a great effect on improving the seismic behavior of long span bridges. Parameters such as mass, damping ratio, angular frequency of damper and geometric characteristics of the structure change the seismic performance of the bridge. The main purpose of this paper is to provide design aid formulas to determine optimal properties of the damper to reduce the seismic response along the longitudinal axis of suspension bridges, taking into account the effects of soil-structure interaction. Therefore, various models of suspension bridges with a constant total length on two types of subsoil (stiff and soft soil) considered under the effect of near field earthquake records. Different values of the ratio of the length of side span to the middle span of the bridges (α) have been assumed. The optimal characteristics of the damper for the bridge has been determined by assuming a mass ratio of 2% for the damper according to different values of α and for each type of soil. Design aid formulas based on those results extracted. Then the effectiveness of the proposed formulas has been evaluated by evaluating them for designing TMD to improve the performance of three different bridge models. The results show the acceptable accuracy of the design aid formulas to determine the efficient values of damping percentage and angular frequency of TMD. Furthermore, it has been observed that by changing the soil stiffness, the optimal parameters and seismic performance of tuned mass damper will be changed to a significant extent. For instance, TMD reduces 40% and 24% the maximum deflection of the bridge deck in stiff and soft soil with respect.
Keywords: Tuned Mass Damper, Soil Structure Interaction, Suspension Bridge, Span Length Ratio, Near Fault Zone -
میراگر جرمی تنظیم شده ترکیبی از جرم، فنر و کمک فنر است که به منظور کاهش پاسخ های سازه تحت تحریک جانبی ازجمله نیروی باد و تحریک زلزله به خصوص در حوزه تغییرمکان به سازه اضافه می شود. با توجه به محتوای فرکانسی بسیار غنی تحریک زلزله، استفاده از میراگرهای جرمی تنظیم شده در قاب های خمشی فولادی لزوما باعث بهبود رفتار سازه تحت هر تحریک زلزله نخواهد شد. روش زمان دوام، یک روش دینامیکی غیرخطی جدید به منظور برآورد رفتار سازه تحت تحریک زلزله است. در این روش تحلیل، سازه تحت یک تحریک فزاینده مصنوعی قرار می گیرد. نتایج ارزیابی به روش تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی نشان می دهد که میراگر جرمی تنظیم شده، میانگین حداکثر تغییرمکان بام تحت شتابنگاشت های زلزله منتخب را کاهش داده است. همچنین عملکرد میراگر جرمی تنظیم شده با افزایش نسبت جرمی و همچنین افزایش ارتفاع سازه بهبود می یابد. اضافه کردن میراگر جرمی تنظیم شده به قاب های خمشی فولادی منجربه کاهش میانگین حداکثر شتاب بام تحت شتابنگاشت های زلزله منتخب و کاهش میانگین حداکثر برش پایه ساختمان می شود. همچنین برآورد روش زمان دوام از حداکثر تغییرمکان های بام سازه در سطح خطری که معادل با زلزله ای با دوره بازگشت 475 ساله است، بین 10 تا 20 درصد کم تر از روش تاریخچه زمانی غیرخطی می باشد. برآورد روش زمان دوام از حداکثر شتاب بام سازه در سطح خطری که معادل با زلزله ای با دوره بازگشت 475 ساله است، بین 10 تا 20 درصد بیش تر از روش تاریخچه زمانی غیرخطی است. همچنین برآورد روش زمان دوام از حداکثر برش پایه سازه در سطح خطر مورد نظر بین 5 تا 15 درصد بیش تر از روش تاریخچه زمانی غیرخطی می باشد.
کلید واژگان: قاب خمشی فولادی، میراگر جرمی تنظیم شده، تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی، روش زمان دوامTuned mass dampers (TMDs) are a combination of mass, spring, and damper that are added to a structure to reduce its response to lateral excitation, such as wind forces and earthquake excitation, especially in the displacement range. Due to the very rich frequency content of earthquake excitation, the use of TMDs in steel moment frames does not necessarily improve the structural behavior under all earthquake excitations. Exclamation The time-history method is a new nonlinear dynamic method for estimating the behavior of structures under earthquake excitation. In this analysis method, the structure is subjected to an artificial incremental excitation. The results of the nonlinear time history analysis show that the TMD reduces the average maximum roof displacement under selected ground motion records. The performance of the TMD also improves with increasing mass ratio and increasing building height. Adding a TMD to steel moment frames reduces the average maximum roof acceleration under selected ground motion records and also reduces the average maximum base shear of the building. The time-history method estimation of the maximum roof displacements of the structure at a hazard level equivalent to a 475-year return period earthquake is also 10% to 20% less than the nonlinear time-history method. Exclamation The time-history method estimation of the maximum roof acceleration of the structure at a hazard level equivalent to a 475-year return period earthquake is also 10% to 20% more than the nonlinear time-history method. Exclamation The time-history method estimation of the maximum base shear of the structure at the considered hazard level is also 5% to 15% more than the nonlinear time-history method.
Keywords: Steel Moment Frame, Tuned Mass Damper, Nonlinear Time History Analysis, Endurance Time Method -
در سازه های فولادی بلندمرتبه با سیستم باربر جانبی قاب خمشی، تنظیم سختی سازه به منظور کنترل تغییر مکان های جانبی، همواره امری چالش برانگیز و کنترل کننده طرح است. میراگرهای جرمی متداول ترکیبی از جرم، فنر و کمک فنر هستند. این میراگر ها بر روی یک محدوده فرکانسی خاص تنظیم می شوند؛ زمانی که سازه تحت تحریک خارجی در محدوده فرکانسی مورد نظر قرار گیرد، این میراگرها با ایجاد یک نیرو در خلاف جهت حرکت سازه باعث کاهش پاسخ های سازه می شوند. مهم ترین محدودیت این میراگرها، تامین نسبت جرمی کافی به منظور کنترل بهینه سازه است. المان اینرتر، یک المان با دو پایانه است که می تواند نیرویی متناسب با اختلاف شتاب ایجادشده در دو پایانه اش تولید کند. از ویژگی های متمایز کننده این المان نسبت به سایر ابزار های کنترل سازه، می توان به امکان تغییر در ماتریس جرم سازه اشاره کرد. افزودن المان اینرتر به میراگر های جرمی متداول به صورت قابل توجهی باعث افزایش راندمان این میراگر ها شده و محدودیت این میراگرها برای تامین نسبت جرمی مناسب را به خوبی برطرف می کند. به عنوان مثال می توان گفت اضافه کردن المان اینرتر با 0/2=β به میراگرجرمی تنظیم شده با 0/03=μ، راندمان این میراگر را برای سیستم های یک درجه آزادی، 57 درصد افزایش می دهد. در این پژوهش بهینه سازی پارامتر های ترکیب المان اینرتر با میراگرهای جرمی متداول با استفاده از الگوریتم بهینه سازی ذرات و با قابلیت تعمیم به تمامی سازه ها انجام می شود.
کلید واژگان: سازه های فولادی، کنترل غیرفعال سازه ها، میراگر جرمی تنظیم شده، المان اینرتر، الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذراتtuned mass dampers are a combination of mass, spring and dampers. tuned mass dampers are set on a specific frequency range, when the structure is subjected to external force in the desired frequency range, TMD reduce the responses of the structure by creating a force against the movement direction of the structure. The most important limitation of TMD is providing a sufficient mass ratio in order to optimally control the structure. The inerter element is an element with two terminals that can produce a force proportional to the acceleration difference created in its two terminals. One of the distinguishing features of this element compared to other structural control tools is the possibility of changing the mass matrix of the structure. Nowadays, extensive research is being done in order to combine the inerter element with structural control systems. Adding an inerter element to conventional tuned mass dampers significantly increases the efficiency of TMD and removes the limitation of TMD to provide a suitable mass ratio. The placement position of the inerter element in the control system is very important. If the inerter element is placed between two inappropriate levels in the system, it will disrupt the function of absorbing dynamic vibrations and cause the responses to intensify. In this research, the optimization of the parameters of the inerter element combination with tuned mass dampers is done using the particle optimization algorithm and with the ability to generalize to all structures
Keywords: Steel Structures, Passive Control Of Structures, Tuned Mass Damper, Inerter, PSO Algorithm -
در این مقاله یک روش جدید و کارآمد مبتنی بر عملکرد برای طراحی بهینه ی میراگر جرمی تنظیم شده (TMD) جهت کنترل پاسخ سازه های غیرخطی معرفی شده است. در این روش از چارچوب ارزیابی احتمالاتی FEMA-P58 در طراحی و ارزیابی عملکرد TMD به منظور کاهش هزینه و زمان بازسازی ناشی از خسارت های سازه ای و غیرسازه ای استفاده می شود. برای این منظور، یک تابع هدف ابتکاری بر اساس پاسخ های سازه ای حاصل از زلزله های مختلف تعریف شده است که سازگار با احتمال فراگذشت هزینه و زمان بازسازی از یک مقدار مشخص در روش FEMA-P58 می باشد. عدم قطعیت های ناشی از رکوردهای زلزله به طور مستقیم در تابع هدف معرفی شده لحاظ می شود. برای طراحی بهینه TMD بر اساس تابع هدف پیشنهادی از الگوریتم ژنتیک استفاده می شود. همچنین با توجه به اینکه در نظر گرفتن عدم قطعیتها در رکوردهای ورودی منجر به افزایش حجم محاسبات می شود ، بنابراین به منظور کاهش زمان محاسبات از تکنیک شبکه عصبی مصنوعی به عنوان تخمین گر سریع پاسخ دینامیکی غیر خطی سازه استفاده می-شود. ارزیابی احتمالاتی عملکرد سازه ی مجهز به TMD پیشنهادی، نشان دهنده کارایی و اثربخشی روش طراحی مذکور در کاهش هزینه و زمان بازسازی مورد انتظار می باشد. به طوری که هزینه و زمان بازسازی مورد انتظار در سازه مجهز به TMD پیشنهادی تحت اثر زلزله طرح در حدود 29% نسبت به سازه کنترل نشده کاهش یافته است.کلید واژگان: میراگر جرمی تنظیم شده، طراحی بر اساس عملکرد، ارزیابی احتمالاتی، FEMA-P58، شبکه عصبی مصنوعی، الگوریتم ژنتیکIn this paper, a new and efficient performance-based method is introduced for the optimal design of the tuned mass damper (TMD) to control the response of nonlinear structures. In this method, the FEMA-P58 probabilistic evaluation framework is used in the design and evaluation of TMD performance in order to reduce the repair cost and time caused by structural and non-structural damages. For this purpose, an innovative objective function has been defined based on structural responses resulting from different earthquakes, which is compatible with the probability of the repair cost and time exceeding a certain value in the FEMA-P58 method. Uncertainties due to earthquake records are directly considered in the introduced objective function. The genetic algorithm is used for the optimal design of TMD based on the proposed objective function. Also, due to the fact that considering the uncertainties in the input earthquake records leads to increasing the calculation time, therefore the artificial neural network technique is used as a fast estimator of the nonlinear dynamic response of the structure to reduce the calculation time. The probabilistic evaluation of the performance of the structure equipped with the proposed TMD shows the efficiency and effectiveness of the proposed design procedure in reducing the expected repair cost and time. So that the expected repair cost and time in the structure equipped with the proposed TMD under the design earthquake have been reduced by about 29% compared to the uncontrolled structure.Keywords: Tuned mass damper, Performance-based design, Probabilistic evaluation, FEMA P58, Neural Network, Genetic Algorithm
-
جداسازها و میراگرها، ابزارهای اتلاف انرژی برای کنترل و کاهش پاسخ های لرزه ای سازه ها تحت زمین لرزه های شدید محسوب می شوند. جداساز هسته سربی (LRB) و میراگر جرمی تنظیم شونده (TMD) دو نمونه از متداولترین این ابزارها هستند. مطالعه رفتار غیرخطی و خواص لرزه ای سیستم های سازه ای مجهز به این نوع جداسازها و میراگرها می تواند کمک قابل توجهی به درک رفتار این سیستم ها در برابر نیروهای جانبی ناشی از زمین لرزه های بزرگ نماید. در این پژوهش سازه فولادی 9 طبقه طراحی شده، با استفاده از روش زمان دوام در حالت های با پایه ثابت و جداسازی شده به همراه میراگر با نسبت های جرمی مختلف و بدون میراگر جرمی در نرم افزار SAP2000 تحلیل شده است. نتایج تحلیل های انجام گرفته نشان می دهد که وجود میراگر جرمی تنظیم شونده در کاهش میزان جابه جایی تراز جداساز، نسبت جابه جایی نسبی و نیروی برش طبقات بسیار موثر هست که با افزایش نسبت جرمی میراگر، این اثر بیشتر می گردد. ولی در کاهش پاسخ شتاب مطلق سازه موثر نبوده و با افزایش نسبت جرمی میراگر جرمی از کارایی سامانه کنترلی در بهبود پاسخ شتاب نسبت به حالت جداساز تنها کاسته می شود.کلید واژگان: جداساز لاستیکی هسته سربی، میراگر جرمی تنظیم شونده، تحلیل زمان دوام، سازه فولادیIsolators and dampers are devices that dissipate energy and reduce the seismic response of structures during strong earthquakes. Lead Rubber Bearings (LRBs) and Tuned Mass Dampers (TMDs) are two common types of these devices. Studying non-linear behavior and seismic properties of structural systems equipped with this type of isolators and dampers can significantly enhance understanding of their behavior against lateral forces caused by strong earthquakes. In this study, a 9-story steel structure was analyzed using the Endurance Time Analysis (ETA) method in SAP2000 software with fixed and isolated bases, along with a tuned mass damper with different mass ratios and without a tuned mass damper. The analysis results indicate that the tuned mass damper is highly effective in reducing the displacement of the isolator level, drift ratio, and story shear forces. This effect is more significant with higher mass ratios of the TMD. This effect is more pronounced with higher mass ratios of the TMD. However, reducing the absolute acceleration response of the structure has not been effective, and increasing the mass ratio of the TMD only reduces the performance of the control system in improving the absolute acceleration response compared to the isolated state.Keywords: Lead Rubber Bearing, Tuned mass damper, Endurance Time Analysis, Steel Structure
-
میراگر جرمی تنظیم شونده یا TMD از تجهیزات مهم برای کنترل ارتعاشات سازه ها می باشد. مطالعات پیشین در زمینه تاثیر TMD برای کنترل ارتعاشات سازهها در مقابل باد، عمدتا برای ویژگیهای ثابتی از میراگر انجام شده است. در این تحقیق، تاثیر پارامترهای جرم و ارتفاع محل نصب TMD در کنترل ارتعاشات طولی و عرضی ناشی از باد ساختمانهای بلند مطالعه شد. برای این منظور، ساختمان بلندی با پلان مربع و ارتفاع 400 متر به صورت تیر طرهای قایم چند درجه آزادی با جرمهای متمرکز در گرهها مدلسازی شد. ارتعاشات سازه در برابر باد به ازای محدوده وسیعی از پارامترهای مورد مطالعه، با استفاده از تحلیل حوزه فرکانس و تیوری ارتعاشات تصادفی محاسبه شد. مطابق نتایج، با افزایش جرم میراگر، ارتعاشات سازه و TMD کاهش مییابد. برای مثال، کاهش شتاب عرضی تراز فوقانی سازه برای میراگر جرمی 100 و 600 تنی واقع در تراز فوقانی، به ترتیب 31 و 48 درصد به دست آمد. با افزایش ارتفاع محل نصب TMD، تاثیر کنترلی آن افزایش و جابه جایی TMD تا حد کمی کاهش مییابد. به طور نمونه، برای میراگر جرمی 300 تنی نصب شده در ارتفاعهای 320 و 400 متری، کاهش شتاب عرضی سازه به ترتیب 72/33 و 28/41 درصد و انحراف معیار جابه جایی TMD بهترتیب 68/58 و 92/54 سانتی متر تعیین شد.
کلید واژگان: میراگر جرمی تنظیم شونده، ساختمان بلند، ارتعاشات ناشی از باد، پاسخ طولی باد، پاسخ عرضی بادTuned mass damper(TMD) is an efficient tool to control wind-induced vibrations of tall buildings. Previous studies on the effect of TMD are generally limited to specific conditions. In the present study, the effect of the mass and installation height of TMD on the wind-induced vibration control of tall buildings are investigated. An example of tall building with the height 400 m and square variable cross section is presented. The analytical model of the building is assumed as a multi-degrees-of-freedom vertical cantilever beam with the masses lumped at the nodes. The wind-induced responses of the structure are computed using the frequency domain analysis and the random vibration method for a wide range of studied parameters. The results indicated that the vibrations of the structure and TMD system decreases with increasing the mass of the TMD. For instance, the 100 and 600-ton TMD installed at top-floor reduced the top-floor crosswind acceleration by 31 and 48 percent, respectively. By increasing the installation height, the control effectiveness of the system increases, while the vibration of the TMD does not change considerably. For a 300-ton TMD installed at 320 and 400 m heights, the crosswind acceleration reduced by 33.72 and 41.28 percent and the RMS displacement of the TMD at these heights were 58.68 and 54.92 cm, respectively.
Keywords: Tuned mass damper, Tall building, Wind-induced vibrations, Cross wind, Along-wind -
در این مقاله عملکرد سیستم کنترل میراگر جرمیتنظیمشونده (TMD) در کاهش پاسخهای لرزهای یک پل یکپارچه چهار دهانه مورد بررسی قرار میگیرد. دو روش تحلیلی کلاسیک و یک روش بهینه سازی برای محاسبه پارامترهای این میراگر به کار گرفته می شود و تاثیر آن بر پاسخ لرزه ای پل بررسی می شود. در روش بهینه سازی، سه تابع هدف کمینه کردن بیشینه جابهجایی و بیشینه شتاب گره میانی عرشه و نیز بیشینه برش پایه مورد استفاده قرار می گیرد. میراگر با پارامترهای محاسبه شده بر روی پل قرار گرفته و پل تحت چند زلزله بزرگ در جهت عرضی قرار میگیرد. بهینهسازی در برنامه MATLAB و تحلیل دینامیکی غیرخطی سازه در نرم افزار OpenSees برنامهنویسی شده است. هدف از انجام این پژوهش مقایسه روشهای مختلف در بهدست آوردن پارامترهای میراگر و معرفی روشی است که میراگر با استفاده از آن روش عملکرد بهتری بر روی پل داشته باشد. نتایج عددی نشان میدهد استفاده از TMD در کاهش پاسخهای لرزهای پل موثر بوده و نتخاب روش محاسبه این پارامترها بر عملکرد آن تاثیرگذار است. استفاده از روش بهینهسازی به دلیل تعیین پارامترهای میراگر با توجه به مشخصات زلزله سبب کاهش بیشتر پاسخ های نیرویی و حرکتی پل می شود. همچنین انتخاب تابع هدف نیز در مقدار کاهش پاسخها موثر است و بیشترین مقدار کاهش پاسخ، مربوط به پاسخ متناظر با تابع هدف میباشد. برای پل مورد بررسی مقادیر بیشینه کاهش پاسخ جابهجایی و شتاب گره میانی عرشه برابر 22.4 و 17.7 درصد و برای برش پایه 4.3 درصد میباشد. بنابراین تابع هدف جابهجایی بهترین تابع هدف معرفی میگردد.
کلید واژگان: میراگر جرمی، تنظیم، شونده، پل یکپارچه، پارامترهای میراگر، بهینه سازی، الگوریتم ازدحام ذراتIn this paper, the performance of Tuned Mass Damper (TMD) control system in seismic response reduction of a four-span integral bridge is investigated. Two classic analytical methods and one optimization method are then employed to calculate TMD parameters. Then, the effect of selecting each of the three methods for calculating TMD parameters on the seismic response of the bridge is studied. Three objective functions are considered for optimization procedure in MATLAB. After calculating TMD parameters, nonlinear dynamic analysis of the bridge in transverse direction is carried out in OpenSees. The purpose of this study is to compare different methods in obtaining damper parameters and to introduce a method that calculates damper parameters in such a way that the damper has a better performance on the bridge. Numerical results indicate performance of the damper is affected by its parameters and selecting the objective function. It is recommended to use the optimization method for calculate the damper parameters with maximum lateral displacement of the deck midpoint objective function. Also the results show that the more reduction of the response is related to the response corresponding to the objective function. For the studied bridge, the maximum values of reduction of displacement and acceleration of the middle deck are equal to 22.4 and 17.7%, respectively, and for the base shear is 4.3%. Therefore, the lateral displacement of the deck midpoint objective function is introduced as the best goal function
Keywords: Tuned Mass Damper, Integral bridge, optimization, optimum parameters of damper, Particle Swarm Optimization -
International Journal of Optimization in Civil Engineering, Volume:12 Issue: 2, Spring 2022, PP 161 -170
Some structural control systems have been devised to protect structures against earthquakes, which the tuned mass damper (TMD) being one of the earliest. The effect of a tuned mass damper depends on its properties, such as mass, damping coefficient, and stiffness. The parameters of tuned mass dampers need to be tuned based on the main system and applied load. In most of the papers, the parameters of TMDs have been tuned based on the nominal parameters of structures. Also, most of the studies considered the minimization of maximum displacement of structure as the objective function of optimizing the parameters of tuned mass dampers. In this study, according to the Monte Carlo method and using the Mouth Brooding Fish algorithm, TMDs have been optimized based on the reliability of structures regarding the uncertain parameters of buildings, and their efficiency in the reduction of maximum displacement and failure probability of hundreds generated buildings with uncertain parameters, are compared with the efficiency of the displacement-based optimized TMDs. The results show that the TMDs optimized regarding uncertainty have better efficiency in reducing the maximum displacement, and failure probability of buildings than the TMDs optimized regarding nominal parameters of buildings. Also, according to the results, the displacement-based optimized TMDs regarding uncertainty show better efficiency in reducing the failure probability and displacement of the buildings than reliability-based optimized TMDs.
Keywords: tuned mass damper, reliability-based optimization, monte carlo method, mouth brooding fish algorithm, uncertain parameters -
پل های معلق به دلیل دارا بودن دهانه های بلند، برج های مرتفعی را در ساختار هندسی خود شامل می شوند. ارتعاع زیاد این برج ها باعث می شود تا در برابر بارهای دینامیکی، مانند تحریکات لرزه ای، پاسخ های جابه جایی قابل توجهی را تجربه کنند، که می توانند باعث بروز اختلال در عملکرد آنها شوند. برای فایق آمدن بر این مشکل، می توان از سیستم های کنترل کننده ی ارتعاشات، مانند میراگر جرمی تنظیم شونده که یک سیستم غیرفعال است، استفاده کرد. عملکرد این سیستم ها بر اساس شاخص های کارایی که بر حسب پاسخ های سازه تعریف می شوند، قابل بررسی هستند. از سوی دیگر، میراگرها برای اینکه بتوانند مطلوب ترین عملکرد خود را در کاهش ارتعاشات ارایه دهند، نیازمند این هستند که پارامترهای خود را به مقادیر بهینه سوق دهند؛ این مهم را می توان با استفاده از الگوریتم های بهینه-یابی فراابتکاری انجام داد. در این تحقیق، پاسخ های لرزه ای طولی جابه جایی و انرژی پل معلق گلدن گیت، با درنظر گرفتن اندرکنش خاک و سازه، با استفاده از میراگر جرمی تنظیم شونده که مشخصات آن با استفاده از الگوریتم فراابتکاری استاد-دانش آموز-معلم بهینه، و توسط شاخص های انرژی محور که تعریف شده اند، مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاکی از آن بود که با نرم شدن خاک بستر مود ابتدایی سازه نقش به مراتب مهمتری در پاسخ نهایی ایفا می کند. همچنین، میراگر جرمی تنظیم شونده بر اساس شاخص های انرژی تعریف شده، یک سیستم کنترلی کاملا موفق جهت کنترل ارتعاشات سیستم برج-شمع برای تمامی حالات خاک بستر در نظر گرفته شده، بود.
کلید واژگان: پل معلق، میراگر جرمی تنظیم شونده، شاخص های کارایی، الگوریتم فراابتکاری، اندرکنش خاک-سازهSuspension bridges contain high towers due to having long span. Large height makes them to experience remarkable displacement responses against dynamic loading, like seismic excitation which disturbs their performance. In order to overcome this problem, control strategies, like tuned mass damper or in brief TMD as a passive system can be used. The performance of these systems can be addressed by the indices defined according to structural responses. On the other hand, its parameters should be adjusted to their optimum values to providing the best performance accessible by the meta heuristic algorithm. Here, the seismic displacement and energy responses of the Golden gate bridge considering soil-structure interaction were investigated using the optimum TMD optimized by observer teacher learner algorithm, and the performance of it was addressed by the energy indices. The results indicated that by increasing the softness of the bed soil the first mode plays the dominant role in the final response. Also, TMD was a successful system to control the vibration of the tower-pier system according to the defined energy indices for all the conditions of the bed soil considered. Suspension bridges contain high towers due to having long span. Large height makes them to experience remarkable displacement responses against dynamic loading, like seismic excitation which disturbs their performance. In order to overcome this problem, control strategies, like tuned mass damper or in brief TMD as a passive system can be used. The performance of these systems can be addressed by the indices defined according to structural responses.
Keywords: Suspension Bridge, Tuned mass damper, efficiency indicators, meta-heuristic algorithm, Soil-structure interaction -
با پیشرفت روزافزون تسلیحات نظامی و تنوع مواد منفجره در کشورهای دنیا، حملات تروریستی یک تهدید رو به افزایش محسوب می شود. علم کنترل ارتعاشات در برابر بارهای طبیعی به خوبی توسعه یافته است. گرچه بار انفجار دارای ماهیت متفاوتی نسبت به بارهای طبیعی است، اما از این علم می توان برای کاهش پاسخ های بارهای انفجاری نیز بهره برد. برای این منظور از دو روش غیرفعال و نیمه فعال که شامل میراگر جرمی تنظیم شده و میراگر مغناطیسی است، به منظور کاهش ارتعاشات ناشی از بار انفجار در سازه جداسازی شده استفاده شده است. در این مطالعه از سیستم فازی نوع-2 برای تعیین ولتاژ مناسب میراگر مغناطیسی استفاده شده است تا عدم قطعیت های موجود باعث تاثیر سوء بر عملکرد آن نگردد. شبیه سازی عددی دو بار انفجار در فاصله 15 متری از یک سازه 5 درجه آزادی، توسط روابط تجربی و عددی انجام شد. استفاده از ابزارهای کنترل پیشنهادی در کنار سیستم جداساز نشان داد که این روش ها می تواند علاوه بر حفظ عملکرد مناسب جداساز، در تحریک های بزرگ تر، جابجایی ها و آسیب های احتمالی جداساز را محدود کنند. نتایج مقایسه نشان داد که استفاده از میراگر مغناطیسی در کنار جداساز می تواند بهترین عملکرد را در برابر بارهای انفجار و بارهای لرزه ای داشته باشد. استفاده از این سیستم به طور میانگین موجب کاهش حداکثر تغییر مکان نسبی طبقات تا حدود 36% در بارهای انفجار، 68% در بارهای لرزه ای حوزه دور و 46% در بارهای لرزه ای حوزه نزدیک گردید درحالی که جابجایی نسبی جداساز به طور قابل ملاحظه ای نسبت به سیستم جداساز به همراه میراگر جرمی تنظیم شده محدود شده بود.
کلید واژگان: بارگذاری انفجار، میراگرهای مغناطیسی، الگوریتم کنترل فازی نوع-2، میراگر جرمی تنظیم شده، سیستم جداسازWith the increasing development of military weapons around the world and the variety of explosives, terrorist attacks are a growing threat. The science of vibration control is well developed against natural loads. Although blast loads are different than natural loads, this science can also be used to reduce explosive load responses. For this purpose, passive and semi-active method included tuned mass damper (TMD) and magneto-rheological (MR) damper have been used to reduce the vibrations caused by the blast load in the base-isolated structure. In this study, a type-2 fuzzy system has been used to determine the appropriate voltage of the MR damper so that the existing uncertainties do not adversely affect its performance. The numerical simulation of two explosives with distance of 15m from a system of 5 degrees of freedom, has been performed by theoretical and empirical equations. The use of the proposed control tools along with the base isolation system showed that not only these methods can maintain the proper performance of the base isolated system, but limit the displacement and possible damages at larger excitations. The comparison results showed that the use of MR damper along with the base isolation system can have the best performance against blast and seismic loads. The use of this system on average reduced the maximum drift of the stories to about 36% in blast loads, 68% in far-field earthquakes and 46% in near-field earthquakes, while the drift of the base significantly has been limited than the base-isolated system with a TMD.
Keywords: Blast loading, magneto-rheological damper, type-2 fuzzy control algorithm, tuned mass damper, base isolation -
در طول سالیان اخیر کاربرد میراگرهای جرمی برای سازه های در برابر بارهای محیطی یا لرزه ای افزایش پیدا کرده است. یک گام مهم در طراحی و کاربرد میراگرهای جرمی، تخمین پارامترهای مودال است که همواره با مشکلاتی همراه بوده است. در این مقاله تلاش شده چارچوبی برای تخمین پارامترهای مودال میراگر جرمی؛ با ترکیب مدلهای آزمایشگاهی روی میز لرزه و تکنیک آنالیز مودال، به عنوان مثال روش تجزیه فرکانسی؛ ارایه شود. برای این منظور مطالعات آزمایشگاهی روی قاب پنج طبقه فولادی دارای میراگرهای جرمی با نسبت جرمی 01/0 و1/0 که در معرض تحریک دو زلزله مقیاس شده کوبه (Kobe) و ایمپریال ولی (Imperial valley) قرار گرفته اند، صورت گرفته است. همچنین پاسخهای سازه در حین زلزله با کمک سنسورهای که روی سازه نصب شده، ثبت شده و با کمک پاسخهای به دست آمده، مشخصات دینامیکی سازه دارای میراگر جرمی با کمک روش آنالیز مودال آزمایشگاهی (Operational Modal Analysis) تخمین زده می شود. در این مقاله از روش تجزیه فرکانسی (Frequency Domain Decomposition) برای تخمین پارامترهای دینامیکی میراگر استفاده شد. همچنین نسبت میرایی به دست آمده از روش تجزیه فرکانسی با مقادیر روش کلاسیک عددی مقایسه گردیده و مشاهده شد که روش مذکور توانایی مناسبی در برآورد پارامترهای دینامیکی میراگر دارد. این مقاله همچنان نشان میدهد که تحریک سازه آزمایشگاهی روی میز لرزه چنانچه همراه با تحلیل مودال آزمایشگاهی باشد، میتواند موفقیت زیادی در طراحی میراگرهای جرمی داشته باشد. همچنان محققان میتوانند با دقت بالایی پاسخهای سازه را در شرایط واقعی سازه و زلزله تخمین زده و در عین حال با صرف هزینه کم برای ساخت مدلهای آزمایشگاهی میراگر جرمی، میتوان پارامترهای بهینه میراگر جرمی را به دست آورد.
کلید واژگان: میراگر جرمی، پاسخ، فرکانس طبیعی، نسبت میرایی، تجزیه فرکانسیTuned mass dampers (TMDs) are being increasingly used for protection of structures against seismic and environmental loads. An important step in design and application of TMDs is the evaluation of TMD parameter which can cause be associated with serious difficulties. In this paper, we attempt to provide a framework to evaluate the modal parameters of TMDs using a combination of experimental test on shake table and a relatively recent modal analysis technique, namely Frequency Domain Decomposition (FDD). In order to achieve this, a series of test were conducted on a 5-storey steel frame was subjected to excitations from two scaled earthquakes (Imperial Valley and Kobe) ) while damped using two TMDs with mass ratios of 0.01 and 0.1.Mounted instrumentations recorded the structural response during the earthquakes and the recorded response was then used for an operational modal analysis (OMA) in order to estimate the dynamic characteristics of the TMDs. The FDD technique was used in this paper which was employed to estimate the parameters of TMDs. The damping ratios obtained from FDD method was compared with classical methods to verify its accuracy and capabilities in extraction of the modal parameters of TMDs. This paper shows that the use of shake table experiments coupled with the post-experiment modal analysis can be successfully used in TMD design and enables the researchers and practitioners to accurately estimate and test the response of the structures under relatively realistic conditions, which consequently allows low-cost testing of TMDs for optimum TMD selection.
Keywords: Tuned mass damper, Response, Natural frequency, Damping Ratio, Frequency Domain Decomposition -
International Journal of Optimization in Civil Engineering, Volume:10 Issue: 4, Autumn 2020, PP 553 -570
Passive systems are preferred tools for seismic control of buildings challenged by probabilistic nature of the input excitation. However, other types of uncertainty still exist in parameters of the control device even when optimally tuned. The present work concerns optimal design of multiple-tuned-mass-damper embedded on a shear building by a number of meta-heuristics. They include well-known genetic algorithm and particle swarm optimization as well as more recent gray wolf optimizer and its hybrid method embedding swarm intelligence. The study is two-fold: first, optimal designs by different meta-heuristics are compared concerning their reduction in structural seismic responses; second, the effect of uncertainty in Multi-Tuned-Mass-Damper parameters, is studied offering new reliability-based curves. Monte Carlo Simulation is employed to evaluate failure probabilities. A variety of structural responses are assessed against seismic excitation including maximal displacement, velocity and acceleration. It is declared that the best algorithm for efficiency and effectiveness has not coincided the best based on the reliability traces. Such traces also show that in a specific range of limit-states, algorithm selection has a serious effect on the reliability results. It was found even more than 35% and depends on the response type.
Keywords: seismic control, tuned mass damper, hybrid meta-heuristic algorithm, swarm intelligence, grey wolf optimizer, Monte Carlo simulation -
کنترل ارتعاشات سازه های بلند تحت تحریک زلزله و باد به ترتیب بدلیل ایمنی سازه و حس آسایش ساکنین آن ها، همیشه جزء موضوعات مهم در حوزه مهندسی سازه بوده است. یکی از ابزارهای توسعه یافته به منظور کنترل ارتعاش سازه ها، میراگر جرمی هماهنگ شده (TMD) می باشد که به روش های مختلفی در سازه ها بکار برده می شود. در این مقاله مدل خطی یک ساختمان 10 طبقه برشی در محیط متلب تحت تحریک 28 رکورد زلزله حوزه دور و نزدیک مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور کنترل ارتعاش سازه ، میراگر جرمی هماهنگ شده فعال (ATMD) مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین با توجه به ماهیت تصادفی تحریک زلزله از منطق فازی و سیستم استنتاج ممدانی به منظور تعیین نیروی کنترل استفاده شده است. به علاوه از الگوریتم ازدحام ذرات (PSO) برای تعیین مقادیر بهینه توان عملگر در میراگر جرمی فعال استفاده شده است که در این بهینه یابی اثر اشباع عملگر نیز مد نظر قرار گرفته است. در ادامه با استفاده از نتایج بدست آمده از این الگوریتم و تحت رکوردهای مختلف، روشی جهت طراحی مقاوم کنترل کننده معرفی گردیده است. نتایج نشان می دهد که در صورت استفاده از این سیستم کنترلی و مقدار بهینه توان عملگر، پاسخ سازه به مقدار 44 درصد کاهش می یابد. همچنین به دلیل عدم قطعیت موجود در رکوردهای زلزله، اگر توان عملگر میانگین مورد استفاده قرار گیرد، به صورت کلی پاسخ سازه کنترل شده به روش فعال 33 درصد کاهش یافته که به مراتب بیشتر از سازه کنترل شده به روش غیرفعال (16 درصد) می باشد.
کلید واژگان: کنترل فعال، منطق فازی، میراگر جرمی، زلزله حوزه نزدیک، الگوریتم ازدحام ذراتDue to structural safety and residential comfort, the vibration control of tall buildings under earthquake and wind excitations has always been one of the important issues in the structural engineering context. One of the well-established approaches for controlling the structural vibration is the use of Tuned Mass Dampers (TMD) employed with different methods in structures. In this paper, a 10-story shear building with linear behavior is studied under twenty eight far-field and near-field earthquakes in MATLAB. Active Tuned Mass Damper (ATMD) is used to control the structural vibration. According to the earthquake excitation random nature, Fuzzy Logic and Mamdani Inference System are applied to determine the control force. In addition, the Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm is used to determine the optimum TMD actuator power, and in this optimization, the effect of the actuator saturation is also considered. Furthermore, a method is introduced for robust optimum design of the suggested controller. Using the proposed control system and the optimum actuator power, structural responses decline about 44 pct. Additionally, due to the existence of uncertainty in earthquake records, applying a controller with average actuator power generally results in 33 pct. structural response reduction, and the performance of the active controlled system always outperforms the passive controlled system with 16 pct. structural response reduction.
Keywords: active control, Fuzzy Logic, Tuned Mass Damper, Near-Field Earthquake, Particle Swarm Optimization Algorithm -
یکی از شیوه های معمول کنترل غیرفعال سازه ها تحت اثر زمین لرزه بهره گیری از سیستم میراگرهای جرمی تنظیم شونده است. میراگرهای جرمی تنظیم شونده غالبا با اثرگذاری روی یک مود، که معمولا مود اول سازه است، سبب کاهش دامنه پاسخ ها می گردند. ساختار این میراگرها متشکل از سه پارامتر اصلی یعنی جرم، میرایی و سختی می باشند. از آنجا که پارامترهای میراگرهای جرمی تنظیم شونده در زمان ارتعاش ثابت می باشند، تنظیم صحیح و بهینه آن ها بسیار حایز اهمیت است. مطالعات اخیر انجام گرفته با تمرکز بر روی کاربرد میراگرهای جرمی تنظیم شونده برای سازه های ساختمانی می باشد که به طور عمده به تغییرمکان های جانبی در سازه ها توجه شده؛ لیکن در این تحقیق کاربرد این میراگرها و اثربخشی آن ها بر روی کابل های انتقال قدرت در هر دو جهت عرضی و قایم به طور همزمان مدنظر است. به منظور بررسی رفتار دکل به روش عددی، سازه دکل تلسکوپی فلزی در نرم افزار اجزاء محدود اپنسیس مدل سازی شده است و برای کاهش حجم محاسبات به منظور یافتن مقادیر بهینه پارامترهای میراگرهای جرمی تنظیم شونده، از روش جستجوی عددی با هدف کمینه کردن تغییرمکان افقی وسط دهانه کابل استفاده شده است. نسبت جرمی بهینه میراگرهای تنظیم شونده به منظور کنترل ارتعاشات دکل به همراه کابل های انتقال قدرت برابر 5/0 درصد جرم سازه دکل انتخاب شده است. بر اساس تحلیل های عددی انجام گرفته برای این نسبت جرمی، میزان کاهش بیشینه تغییرمکان افقی وسط دهانه کابل بین دکل ها توسط میراگرهای جرمی تنظیم شونده برای زلزله های اعمال شده در بیشینه شتاب های کمتر از g5/0 تا حد 50 درصد کاهش یافته است.
کلید واژگان: میراگر جرمی تنظیم شونده، بهینه یابی، ارتعاش کابل، دکل انتقال قدرت، نیروی زلزلهTuned Mass Dampers, TMDs, often reduce the displacement response of structures by influencing their first mode of vibration. The structure of these dampers consists of three main parameters: mass, damping, and stiffness. Since the parameters of TMDs are constant during the vibrations, optimal tuning of these parameters is very important. Finding the optimal values of the key parameters for a TMD in nonlinear structures using numerical methods involves numerous nonlinear dynamic analyses; therefore, the computations would be time-consuming. Recent studies, carried out on the application of TMDs in building structures, have mainly focused on reducing the lateral displacements of building structures. However in this research, the application of TMDs and their effectiveness are investigated for cables of the power transmission tower in both lateral and vertical directions simultaneously. In order to numerically study the behavior of the power transmission tower, the structure of the telescopic steel tower is modeled in the OpenSEES software and to reduce the volume of computation, a numerical search method is used to find the optimal values for the parameters of the TMDs to minimize the lateral displacement in the middle of the cable span. The mass ratio of the TMDs is equal to 0.5% of the total mass of the structure. Using this mass ratio, numerical analyses of the system indicate that the maximum reduction of lateral displacement at the middle of the cable mitigated due to implementing TMDs is about 50% under the applied earthquakes with 0.5g maximum acceleration.
Keywords: Tuned Mass Damper, optimization, cable vibration, Transmission tower, earthquake force -
میراگر جرمی تنظیم شده ابزاری رایج در کنترل غیرفعال است که در بسیاری از سازه ها مورد استفاده قرار گرفته است. با این حال، با تمام ویژگی های مناسبی که در این میراگر وجود دارد، مهمترین محدودیت عملکردی آن، ضعف در برابر تحریک های با محتوای فرکانسی بالا است. روش های مختلفی برای غلبه بر این مشکل پیشنهاد شده اند که در میان آنها استفاده از میرایی هیسترتیک مصالح با رفتار غیرخطی به عنوان یک روش موثر شناخته شده است. در میان مصالح با رفتار غیرخطی آلیاژهای حافظه شکلی دارای ویژگی های مناسب و حلقه های رفتاری هیسترزیس وسیع هستند. از این رو در این مقاله با استفاده ازسختی غیرخطی و میرایی هیسترتیک یک فنر از جنس آلیاژ حافظه شکلی، سختی خطی و میرایی ویسکوز میراگرهای جرمی رایج جایگزین می شوند. سپس میراگر جرمی تغییر یافته برای کنترل پاسخ های سازه های یک درجه آزادی تحت تحریک هارمونیک مورد استفاده قرار گرفته و اثر دامنه بارگذاری بر کنترل پاسخ های سازه ای تعیین می شود. پس از آن میراگر برای کنترل پاسخ های لرزه ای سازه های یک درجه آزادی به کار می رود تا عملکرد آن تحت تاثیر بارگذاری های لرزه ای دارای محتوای فرکانسی بالا با عملکرد میراگرهای جرمی معمول مقایسه گردد. نتایج این تحلیل ها نشان می دهند که ویژگی های آلیاژهای حافظه شکلی می توانند به نحو قابل قبولی تاثیر دامنه بارگذاری را بر عملکرد میراگر جرمی غیرخطی کنترل نمایند. همچنین حضور میرایی هیسترتیک می تواند به میزان قابل ملاحظه ای کنترل پاسخ های لرزه ای سازه-های یک درجه آزادی را نسبت به میراگرهای جرمی معمول بهبود بخشد به شرطی که ویژگی های دینامیکی میراگر غیرخطی مقادیر بهینه خود را اختیار کنند.کلید واژگان: میراگر جرمی تنطیم شده، آلیاژ حافظه شکلی، میرایی هیسترتیک، بهینه سازی، عملکرد لرزه ایTuned mass damper is a common tool in passive control, which is used in many structures. However, with all the proper features, its most important functional limitation is the weakness against broad band excitation. Various methods have been proposed to overcome this problem, among which using hysteretic damping of materials with nonlinear behavior is known effective. Among materials with nonlinear behavior, shape memory alloys have good features and large hysteresis loops. Hence, in this paper, using nonlinear stiffness and hysteretic damping of a shape memory alloy spring, linear stiffness and viscous damping of a common tuned mass damper are replaced. Then, the modified damper has been used to control responses of a single degree of freedom structure under harmonic loadings and the effect of the loading amplitude on the control of the structural responses was determined. Subsequently, the damper has been used to control seismic responses of single degree of freedom structures to compare its performance under broad band seismic loadings with the performance of conventional tuned mass dampers. Results of the analyses show that the characteristics of shape memory alloys can adequately control the impact of the loading amplitude on the performance of nonlinear mass dampers. Also, the presence of hysteretic damping can significantly improve control of seismic responses of single degree degrees of freedom structures compared to conventional tuned mass dampers, provided that dynamic properties of the nonlinear mass damper take their optimal values.Keywords: Tuned mass damper, Shape memory alloy, Hysteretic damping, optimization, Seismic Performance
-
در این مطالعه برای بررسی اثربخشی میراگر جرمی تنظیم شونده نیمه فعال با الگوریتم کنترلی فازی، سازه معیار نه طبقه تحت تحریک زلزله قرار گرفته است. به همین منظور تحلیل دینامیکی فزاینده برای دو زلزله حوزه دور السنترو و هاچینوهه و دو زلزله حوزه نزدیک کوبه و نورثریج برای ارزیابی عملکرد سیستم مورد نظر در بیشینه شتاب های مختلف انجام شده است. میراگر سیال مغناطیسی موجود در میراگر جرمی تنظیم شونده دارای ظرفیت 1000 کیلونیوتون نیرو بوده و نیروی میرایی آن توسط الگوریتم فازی کنترل می شود. در این مطالعه برای یافتن مقادیر بهینه پارامترهای میراگر جرمی نصب شده بر روی سازه غیرخطی از روش جستجوی عددی با هدف کمینه کردن تغییرمکان طبقه نهم سازه استفاده شده است. مقادیر بهینه نسبت جرمی، میرایی و فرکانس به دست آمده برای سازه نه طبقه به ترتیب برابر 5/3، 10 درصد و 2 رادیان بر ثانیه می باشد. برای ارزیابی عملکرد سیستم کنترل نیمه فعال میراگر جرمی تنظیم شونده با الگوریتم فازی، نتایج به دست آمده، با سیستم کنترل غیرفعال مورد مقایسه قرار گرفته است. نتایج معیارهای ارزیابی نشان دهنده این است که میانگین درصد بهبود نتایج سیستم فازی برای معیار حداکثر جابه جایی طبقه نهم، حداکثر جابه جایی نسبی سازه و حداکثر برش پایه به ترتیب برابر 75/17، 88/15 و 85/16 درصد بوده و 62/3، 17/1 و 76/15 درصد بیشتر از حالت غیرفعال می باشد. این در حالی است که سیستم فازی مورد نظر عملکرد موثری در بهبود کاهش پاسخ شتاب طبقه نهم سازه نداشته است. همچنین سیستم کنترل فازی نسبت به سیستم کنترل غیرفعال عملکرد بهتری در کاهش حداکثر جابه جایی طبقات و همچنین جابه جایی پسماند سازه داشته است.کلید واژگان: کنترل نیمه فعال، میراگر جرمی تنظیم شونده، میراگر سیال مغناطیسی، سیستم کنترلی فازیOne of the challenges in the field of civil engineering is to mitigate the seismic vibration of structures induced by dynamic loads, such as earthquake and strong wind in order to prevent undesirable damages causing human discomfort and economic consequence. The vibration control systems can be categorized as passive, active and semi-active. In recent years, semi-active control systems demonstrate better control effects than both passive and active systems. Semi-active control devices can behave as passive devices in the event of a power loss, and are therefore more reliable and consume less power than the active systems. In this study, to evaluate the effectiveness of the semi-active tuned mass damper using MR damper and a fuzzy logic controller, the nonlinear model of the nine-story benchmark structure is subjected to earthquake excitation. The semi-active tuned mass damper consists of a 1000 kN magnetorheological damper and the damping force of the MR damper is controlled by the fuzzy logic controller.The Bouc–Wen model is utilized to model the dynamic behavior of the MR damper. For this purpose, the increment dynamic analysis (IDA) is conducted to consider the effectiveness of the maximum acceleration of two near- and far-field acceleration records on the performance of the control systems. Two near-field earthquake acceleration records including Kobe (1995) and Northridge (1994) and two far-field earthquake acceleration records including El Centro (1940) and Hachinohe (1968) are used in this study. To achieve the optimum parameters of tuned mass damper, a numerical search method is used to reduce the displacement of the last floor of the structure. The optimal mass ratio, damping and the frequency of the tuned mass damper of these analysis for this structure are 3.5 %, 10 % and 2 rad/s. Also, this benchmark structure is modeled in OpenSees and the fuzzy inference system was implemented in MATLAB. In order to implement the semi-active control system, it’s necessary to communicate between OpenSees and MATLAB. For this purpose TCP-IP method is used. The displacement and velocity response of the ninth floor of structure equipped with tunned mass damper are considered as the input values for the fuzzy inference system. Furthermore, the required voltage of MR damper in this floor is defined as the output parameter of the fuzzy system. Moreover, the membership functions of fuzzy control are triangle and trapezoidal functions. The obtained results of the FLC are compared with the those of passive controlled structure. Therefore, absolute displacement and acceleration values of the last floor of the structure, the maximum relative displacement and the base shear values are investigate. The results showed that the FLC reduces the maximum last floor displacement, the maximum relative displacement and the maximum base shear by 17.75 %, 15.88 % and 16.85 % as compared to the uncontrolled structure, respectively and also, it reduces those responses by 3.62 %, 1.17 % and 15.76 % as compared to the passive response, respectively. Furtheremore, the fuzzy control system has effective performance than the passive system to decrease the maximum and residual displacement of the stories. On the other hand, the fuzzy control system has a low performance in reducing the maximum last floor acceleration.Keywords: Semi-active control, MR-STMD, Tuned mass damper, MR damper, Fuzzy logic controller.
-
International Journal of Optimization in Civil Engineering, Volume:9 Issue: 2, Spring 2019, PP 213 -232Many researches have focused on the optimal design of tuned mass damper (TMD) system without the effect of soil–structure interaction (SSI), so that ignoring the effect of SSI may lead to an undesirable and unrealistic design of TMD. Furthermore, many optimization criteria have been proposed for the optinal design of the TMD system. Hence, the main aim of this study is to compare different optimization criteria for the optimal design of the TMD system considering the effects of SSI in a high–rise building. To acheive this purpose, the optimal TMD for a 40–storey shear building is firstly evaluated by expressing the objective functions in terms of the reduction of structural responses (including the displacement and acceleration) and the limitation of the scaled stroke of TMD. Then, the best optimization criterion is selected, which leads to the best performance for the vibration control of the structure. In this study, the whale optimization algorithm (WOA) is employed to optimize the parameters of the TMD system. The numerical results show that the soil type and selected objective function efficiently affect the optimal design of the TMD system.Keywords: tuned mass damper, soil–structure interaction, optimization criteria, opimal design, whale optimization algorithm, transfer function
-
One of the most promising and effective passive vibration control dampers is the TunedMass Damper (TMD). Many conventional optimization criteria are based on the implicit assumption that allparameters involved are deterministically known. Removing this assumption means to convert a conventionaloptimization into a robust one. In this paper, a model for the robust optimum design of TMD is provided sothat the optimal design of damper by considering the uncertainties possible in the earthquake load and alsothe structure properties can be achieved. The structural vibration control of the main system with a singlelinear TMD under a stochastic dynamic load is investigated. The dynamic input is represented by a randombase acceleration, modeled by a stationary filtered white noise process. It is assumed that not only mechanicalparameters of the main structure but also the input spectral contents are affected by uncertainty. The standarddeviation of displacement of the protected main structure (dimensionless by dividing to the unprotected one) iscalculated as the deterministic objective function (OF), and to achieve a robust design the mean and standarddeviation of OF are considered as a multi-objective function which shall be minimum. The damping ratio andthe frequency of TMD have been selected as design parameters. The results provide the different choices fordesigners to select an optimal TMD based on the priority of minimum mean of the maximum displacement ofthe structure or the minimum dispersion in a random space.
Keywords: Tuned Mass Damper, State Space Equation, Passive Control, Uncertainty, Robust Optimization -
This paper investigates the effective parameters on seismic efficiency of tuned mass dampers, TMD, in dual systems of moment resisting frame and cross bracing with 15, 20 and 25 stories. TMDs with different mass ratio were located at different heights. Non-linear time history analyses were conducted under three earthquake records. The results showed that the reduction of base shear is significant at all the cases, and by increasing the number of stories, reduction of the base shear is increased. However, in terms of displacement and acceleration of the roof, TMD could be very sensitive to its parameters.Keywords: Tuned mass damper, non, linear dynamic analysis, vibration control, passive control, energy dissipation
-
بهینه سازی سازه ها تحت بار زلزله به گونه ای که ضمن حفظ امنیت جانی، صرفه ی اقتصادی نیز داشته باشد امری ضروری است. عدم تکرارپذیری زلزله های با خصوصیات کاملا مشابه، روند طراحی و بهینه سازی سازه ها تحت زلزله های رخ داده درگذشته را امری ناصحیح جلوه می دهد و این امر سبب ظهور نوعی طراحی بر اساس زلزله ی بحرانی می شود. در این مقاله، روشی موثر جهت تعیین پارامترهای بهینهی میراگر جرمی تنظیم شده با استفاده از الگوریتم بهینه سازی چندهدفه ی ازدحام ذرات تحت زلزلهی بحرانی پیشنهاد می شود. برای این منظور، ابتدا با توجه به اطلاعات زلزله های رخ داده درگذشته، زلزله های بحرانی برای قاب برشی ده طبقه تحت قیود انرژی، بیشینه شتاب و طیف دامنه ی فوریه ی حرکت زمین محاسبه می شوند به-گونه ای که تابع هدف را بیشینه نمایند. سپس از بین زمین لرزه های تولیدشده، زمین لرزه ای که بیشینه مقدار را برای تابع هدف ایجاد می نماید به عنوان تحریک بحرانی درنظر گرفته می شود. درنهایت با استفاده از فرآیند بهینهسازی چندهدفه، پارامترهای بهینه ی میراگر جرمی تنظیم شده به گونه ای محاسبه می-شوند، که بیشینه جابجایی و بیشینه شتاب بام سازه کمینه گردد. نتایج مثال عددی ارائه شده حاکی از نیاز به جرم بیشتر میراگر جرمی تنظیم شده تحت تحریک بحرانی پالس گونه نسبت به تحریک بحرانی غیرپالس گونه است. همچنین نتایج نشان می دهند که الگوریتم بهینه سازی چندهدفه ی ازدحام ذرات توانایی محاسبه ی مقادیر بهینه برای پارامترهای میراگر جرمی تنظیم شده جهت دستیابی به کمینه نمودن بیشینه شتاب و بیشینه جابجایی در بام سازه را دارا است.کلید واژگان: تحریک بحرانی، میراگر جرمی تنظیم شده، بهینه سازی چندهدفه، الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذراتControlling the maximum acceleration and displacement of the roof within the acceptable range is important and essential. In order to control structures, a number of control systems have been introduced that are categorized into four system including active, passive, semi active and hybrid system. One of the most used passive systems is the tuned mass damper system which is placed on the roof of structure for controlling the behavior of building. In addition, the optimization of structures subjected to the earthquake load is an essential task for the safe and economic design of structures. It must be noted that earthquakes are random phenomena and the precise prediction of forthcoming events is a hard task. However, in seismic design codes, the static and modal seismic methods for the seismic design of structures are adopted by the design spectrum produced based on previous earthquakes. Hence, in order to overcome this problem, the concept of critical excitation as a robust method has been presented and developed to generate worstcase critical excitations. The critical excitation method have been presented in the framework of an optimization problem to maximize the structural responses subjected to some constraints. In this paper, an effective method is presented to determine the optimum values for the parameters of the tuned mass damper system subjected to critical earthquakes. The critical earthquakes are unique and are computed based on the dynamical properties of the structure. For this purpose, based on the obtained information from the past occurred earthquakes the critical earthquakes of a ten story shear building are established subjected to the constraints. The constraint scenarios include some computable properties of the ground motion such as energy, peak ground acceleration an upper bound Fourier amplitude spectrum. In fact, in this stage, to compute the critical earthquakes an inverse nonlinear constraint optimization problem must be solved for each time step. Then, the building equipped by a tuned mass damper system at roof of the structure (controlled building) is considered and the optimal design of tuned mass damper subjected to critical earthquakes are implemented. The maximum absolute displacement and acceleration of the roof are considered as the objective functions. Finally, among the computed earthquakes, one of them which produces the maximum objective functions is selected as the critical earthquake. In the optimization procedure, the mass, damping and stiffness of the tuned mass damper (TMD) system are adopted as the design variables. Multi-objective particle swarm optimization method is used to optimize the parameters of the tuned mass damper system. Since, the optimal design of the tuned mass damper system is presented as a multi-objective optimization problem, a set of optimal solutions are obtained. Numerical examples demonstrate the ability and efficiency of the proposed method in the optimal design of the tuned mass damper system subjected to the critical earthquakes. In addition, the numerical results show that the maximum absolute values of the displacement and acceleration of the roof efficiently decreases when the building is controlled by the optimum tuned mass damper system. Also, the results show that the severe earthquake needs a bigger mass for tuned mass damper in order to control the displacement and acceleration of the roof.Keywords: Critical excitation, Tuned mass damper, Multi-optimization, Particle swarm optimization method
- نتایج بر اساس تاریخ انتشار مرتب شدهاند.
- کلیدواژه مورد نظر شما تنها در فیلد کلیدواژگان مقالات جستجو شدهاست. به منظور حذف نتایج غیر مرتبط، جستجو تنها در مقالات مجلاتی انجام شده که با مجله ماخذ هم موضوع هستند.
- در صورتی که میخواهید جستجو را در همه موضوعات و با شرایط دیگر تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مجلات مراجعه کنید.