میراگر جرمی تنظیم شده نیمه فعال دو جهته برای کنترل پاسخ لرزه

خلاصه

دمپر جرم تنظیم شده (TMD) یک جاذب ارتعاش محبوب است. برای بهبود عملکرد حفاظت لرزه ای یک TMD غیرفعال دو جهته، یک TMD نیمه فعال دو جهته (BSTMD) با سختی تطبیقی، جرم متغیر و میرایی نیمه فعال در این مطالعه پیشنهاد شده است. BSTMD می تواند با فرکانس های آنی جهت ساختاری X و Y سازگار شوددر همان زمان تحت حرکات زمین دو جهته که از طریق تبدیل موجک (WT) مشخص می شود، و زاویه لحظه ای یک دستگاه فنر الماس با توجه به نسبت فرکانس لحظه ای دو جهت تنظیم می شود، به این معنی که نسبت سفتی دو جهت ها ابتدا تنظیم مجدد می شود. سپس، جرم دوباره تنظیم می شود تا با فرکانس دقیق لحظه ای مطابقت داشته باشد. در نهایت، میرایی نیمه فعال طبق یک الگوریتم کنترل مبتنی بر سیگنال های خروجی توسعه یافته تحقق می یابد. یک مدل معیار پیچشی نامتقارن دو جهته به عنوان مطالعه موردی پیشنهاد شده است. برای مقایسه، دو TMD غیرفعال بهینه که در جهت‌های X و Y به طور جداگانه اجرا شده‌اند و دو STMD یک طرفه با سختی و میرایی متغیر که در جهت‌های X و Y به طور جداگانه اجرا شده‌اند نیز بررسی می‌شوند. نتایج عددی نشان می‌دهد که تحت تحریک‌های دو طرفه زلزله در مسئله معیار، دو TMD غیرفعال بهینه اثر کنترل خوبی دارند. دو STMD یک طرفه به طور کلی بهترین اثر کاهش لرزه ای را در هر دو پاسخ دینامیکی جانبی و پیچشی دارند. در حالی که BSTMD دارای اثر کنترل قابل مقایسه با کمتر استدستگاه های الکترومکانیکی ، و می توانند ضربه STMD یک جهته را تا حد زیادی کاهش دهند. اگرچه BSTMD پاسخ‌های دینامیکی جهت X و Y را هدف قرار می‌دهد، اما می‌تواند پاسخ‌های پیچشی را نیز به طور موثر کنترل کند، و زمانی که خروج از مرکز به دو برابر افزایش یابد، برای کاهش لرزه‌ای موثر باقی می‌ماند.

معرفی

بی نظمی پیچشی یک ساختمان معمولاً به دلیل توزیع ناهموار جرم و سختی آن ایجاد می شود، در حالی که عدم تقارن شکل صفحه نیز می تواند منجر به آن شود [1]، [2]. اطمینان از ایمنی سازه ها در برابر زلزله موضوع مهمی است [3]، [4]، [5]. نامنظمی پیچشی باعث تشدید آسیب در اثر تحریکات زلزله به ساختمان می شود و باید به دقت مورد توجه قرار گیرد. بنابراین، کنترل ارتعاش جفت شده انتقال-پیچش یک ساختار سه بعدی نامتقارن با استفاده از یک فناوری پیشرفته ضروری است [6]، [7]، [8]، [9].

یک دستگاه کنترل سازه ای پرکاربرد، دمپر جرم تنظیم شده (TMD) است که از یک جرم، فنرها و داشپات تشکیل شده است [10]، [11]، [12]، [13]. TMD های غیرفعال به طور گسترده برای ساختارهای پیچشی مورد مطالعه قرار گرفته اند. لین و همکاران [14] یک TMD جفت شده دو جهته برای یک ساختار نامتقارن دو بعدی پیشنهاد کرد. دسو و همکاران [15] TMD های جفت شده را برای کنترل ارتعاش جفت شده در ساختمان های پیچشی ارائه کردند. احلوات و راماسوامی [16] یک روش بهینه چند هدفه برای TMD های غیرفعال در یک ساختمان بلند پیچشی پیشنهاد کردند. Ueng و همکاران [17] یک روش طراحی عملی از TMD ها برای ساختمان های پیچشی ارائه کرد. طاها و همکاران [18] TMD های غیرفعال را برای ساختمان های نامتقارن مختلف اعمال کرد. آلمازان و همکاران [19] با استفاده از TMD های غیرفعال به تعادل پیچشی دست یافت. اسپینوزا و همکاران [20] یک TMD غیرفعال را برای یک ساختار پیچشی غیرخطی بهینه کرد. آکیورک و همکاران

اگرچه TMD های غیرفعال زمانی که به خوبی بهینه شوند، اثر کنترل رضایت بخشی دارند، اما فاقد سازگاری هستند و به انحراف فرکانس حساس هستند [22]، [23]، [24]. علاوه بر این، با توجه به تصادفی بودن حرکت زمین و دامنه وسیع طیف فرکانس [25]، یک درجه آزادی منفرد (SDOF) TMD غیرفعال نمی تواند اثر کنترلی آن را تضمین کند [26]. TMD های فعال می توانند کاهش لرزه ای را تا حد زیادی بهبود بخشند. امینی و همکاران [27] TMD های فعال را برای ساختارهای نامتقارن چرخشی اعمال کرد. نظری مفرد و زهرایی [28] TMD های فعال فازی را برای ساختمان های پیچشی با اندرکنش خاک-ساختار (SSI) پیشنهاد کردند.

در مقایسه با TMD های فعال، TMD های نیمه فعال (STMD) مزایایی در صرفه جویی در انرژی و پایداری سیستم دارند [29]، [30]، [31]. تسه و همکاران [32] یک TMD هوشمند با دمپرهای مغناطیسی (MR) برای کنترل ارتعاشات پیچشی جانبی ناشی از باد در ساختمان‌های بلند پیشنهاد کرد. لای و همکاران [33] یک TMD اصطکاکی نیمه فعال را با استفاده از یک الگوریتم کنترل فاز برای کنترل ارتعاش همراه با پیچش ترجمه ارائه کرد. علاوه بر این، ژائو و همکاران. [34] دمپرهای MR را به ساختار قاب پیچشی برای کنترل پاسخ چند بعدی اعمال کرد.

بررسی ادبیات بالا نشان می دهد که STMD ها عملکرد عالی در این موضوع دارند اما به طور گسترده به عنوان TMD های غیرفعال مورد مطالعه قرار نگرفته اند. TMD نوعی دمپر وابسته به فرکانس است و بنابراین، الگوریتم کنترل سفتی متغیر نیمه فعال ردیابی فرکانس مبتنی بر تبدیل فوریه کوتاه مدت (STFT) برای STMD پیشنهاد شده در [35] موثر بود. علاوه بر این، Sun و Nagarajaiah [36] یک الگوریتم ترکیبی فرکانس متغیر و کنترل میرایی متغیر را برای STMD پیشنهاد کردند، با این حال، هنوز یک STMD یک جهته بود. علاوه بر این، در مورد کنترل پاسخ لرزه‌ای سازه نامتقارن پیچشی دو جهته با استفاده از STMD‌ها تحقیقات کافی وجود ندارد. رضازاده و همکاران [37] تأثیر غیرخطی هندسی بر TMDهای دو طرفه را ارائه و بررسی کرد، با این وجود، هنوز غیرفعال بود. با آگاهی نویسندگان،

اخیرا شی و وانگ و همکاران. یک TMD هوشمند با جرم متغیر [38] پیشنهاد کرد و آن را روی یک طبقه با دهانه بزرگ اعمال کرد [39]. با این حال، هنوز هیچ STMD وجود ندارد که بتواند جرم، سفتی و میرایی آن را به طور همزمان بازگرداند. برای پر کردن شکاف های فوق و با الهام از [36]، [38]، یک STMD دو جهته (BSTMD) با سختی تطبیقی، جرم متغیر و میرایی نیمه فعال در این مطالعه پیشنهاد شده است. BSTMD می تواند همزمان با فرکانس های آنی جهت ساختاری X و Y تحت حرکات زمینی دو جهته سازگار شود. میرایی نیمه فعال بر اساس الگوریتم کنترل تنها سیگنال های خروجی توسعه یافته تحقق می یابد. سیستم الکترومکانیکی BSTMD و الگوریتم کنترل ترکیبی در بخش 2 معرفی شده است و سپس، یک ساختمان معیار پیچشی سه بعدی هشت طبقه به عنوان مطالعه موردی در بخش 3 پیشنهاد شده است. دو TMD غیرفعال بهینه که در جهت های X و Y به طور جداگانه اجرا شده اند و دو STMD یک طرفه با سختی و میرایی متغیر که در جهت X و Y به طور جداگانه اجرا شده اند نیز ارائه شده است. نتایج عددی در بخش 4 نشان داده شده و مورد بحث قرار گرفته است. در نهایت، نتیجه گیری در بخش 5 ارائه شده است.

قطعات بخش

دستگاه الکترومکانیکی

یک میراگر جرمی تنظیم شده نیمه فعال دو جهته (BSTMD) با سختی تطبیقی، جرم متغیر و میرایی نیمه فعال در این بخش پیشنهاد شده است که می تواند پاسخ های لرزه ای سازه های پیچشی دو بعدی را کنترل کند. نمودار شماتیک BSTMD در شکل 1 نشان داده شده است.

BSTMD در شکل 1 می تواند به طور همزمان سفتی دو جهته، جرم و نسبت میرایی خود را در صفحه تغییر دهد. می تواند سفتی دو جهته را با تنظیم مجدد زاویه دستگاه فنر الماس تنظیم کند و سپس تغییر دهد.

معادلات دینامیک

هنگامی که بین مرکز جرم (CM) و مرکز سفتی (CS) خروج از مرکز وجود دارد، خروج از مرکز در جهت X وجود دارد. $e_{x}$ و جهت Y $e_{y}$ هر دو باعث پاسخ پیچشی تحت حرکات دو جهته زمین می شوند. برای بررسی اثر کنترل پاسخ لرزه ای دو جهته BSTMD پیشنهادی، برای مقایسه، دو TMD غیرفعال بهینه به ترتیب در جهت های X و Y و دو STMD یک طرفه با سختی و میرایی متغیر در جهت های X و Y اجرا شده اند.

شبیه سازی عددی

نتایج عددی در این بخش پیشنهاد و مورد بحث قرار گرفته است. مقادیر حداکثر و ریشه میانگین مربع (RMS) داستان برتر در جهت X و Y ( $J_{1}$ ∼ $J_{4}$ ) و پیچش ( $J_{5}$ & $J_{6}$ ) به عنوان شاخص های ارزیابی و حداکثر جابجایی بین لایه ها ( $J_{7}$ & $J_{8}$ ) و حداکثر برش پایه ( $J_{9}$ & $J_{10}$ ) در دو جهت نیز در نظر گرفته شده است. بنابراین در مجموع ده شاخص به شرح زیر مقایسه و تعریف شده است. $J_{1} = \max [abs (u_{xn})] / \max [abs ({\hat{u}}_{xn})]$ $J_{2} = rms (u_{xn}) / rms ({\hat{u}}_{xn})$ $J_{3} = \max [abs (u_{yn})] / \max [abs ({\hat{u}}_{yn})]$ $J_{4} = rms (u_{yn}) / rms ({\hat{u}}_{yn})$ $J_{5} = \max [abs]$

نتیجه گیری

برای کنترل پاسخ‌های لرزه‌ای یک سازه ساختمانی پیچشی نامتقارن دو بعدی، یک میراگر جرمی تنظیم‌شده نیمه فعال دو جهته (BSTMD) با سختی متغیر، جرم متغیر و میرایی متغیر در این مطالعه پیشنهاد شده‌است. BSTMD می تواند همزمان با فرکانس های آنی جهت ساختاری X و Y تحت حرکات زمینی دو جهته سازگار شود. سیستم الکترومکانیکی و الگوریتم کنترل ترکیبی BSTMD به تفصیل معرفی شده است. جهت X و Y است