کاهش ارتعاش ساختاری از طریق جاذب مبتنی بر مکانیسم تقویت اینرسی

کاهش ارتعاشات لرزه ای یک موضوع داغ در حوزه مهندسی عمران است. از نظر تئوری، سه نوع استراتژی کنترل ارتعاش وجود دارد: استراتژی کنترل ارتعاش غیرفعال، استراتژی کنترل نیمه فعال و استراتژی کنترل فعال. در مقایسه، استراتژی کنترل ارتعاش غیرفعال به طور گسترده ای برای محافظت از سازه های مهندسی عمران استفاده می شود، زیرا انرژی اضافی مورد نیاز نیست. تا به امروز، بسیاری از روش‌های کنترل ارتعاش غیرفعال توسعه یافته‌اند. در میان روش‌های کنترل ارتعاش غیرفعال موجود، میراگر جرمی تنظیم شده (TMD) به عنوان یک دستگاه ساده و مؤثر سرکوب ارتعاش پذیرفته شده است [1]، [2]، [3]، [4].

به طور سنتی، یک TMD یک سیستم دمپر جرم- فنر است. هنگامی که برای اولین بار در سال 1909 پیشنهاد شد، میرایی TMD نادیده گرفته شد. محققان دریافتند که پاسخ‌های دینامیکی ساختار هدف مجهز به TMD بدون میرا فقط در یک ناحیه فرکانس کوچک در نزدیکی فرکانس ویژه TMD قابل سرکوب است. خارج از این منطقه، پاسخ های دینامیکی ساختار اولیه بسیار بزرگ است. بنابراین، کاربردهای TMD بدون میرایی بسیار محدود است. بعدها، از جمله اثر میرایی، عملکرد کاهش ارتعاش TMD تا حد زیادی بهبود یافت. Ormondroyd و Den Hartog [1] دریافتند که پاسخ های دینامیکی ساختار اولیه را می توان با بهینه سازی سفتی و میرایی TMD به حداقل رساند. مربوط به هارمونیک و نویز سفید تحریکات تصادفی،�∞و�2روش های بهینه سازی به ترتیب توسعه داده شد [2]. راه حل های شکل بسته برای پارامترهای بهینه TMD به طور جامع توسط Warburton [5] مورد بررسی قرار گرفت. بر اساس این مطالعات بنیادی، تعداد زیادی TMD برای کاهش ارتعاشات دینامیکی سازه توسعه یافته و مورد استفاده قرار گرفت. با این حال، همچنین مشخص است که TMD هنوز هم معایبی دارد. به عنوان مثال، جرم بزرگ اضافی و در نتیجه فضای نصب بزرگ ممکن است مورد نیاز باشد. همچنین، معمولاً یک جابجایی بزرگ بین جاذب و ساختار اولیه لازم است تا امکان حرکت ضد فاز TMD نسبت به ساختار اولیه فراهم شود که ممکن است دشواری طراحی را افزایش دهد. علاوه بر این، عملکرد کاهش لرزه ای TMD ممکن است زمانی که اثر اشتباه رخ می دهد بدتر شود [6].

با هدف دستیابی به عملکرد بهتر کاهش ارتعاش، TMD های جدید با پیکربندی های غیر سنتی پیشنهاد شدند [7]، [8]. برای مثال، زو و همکارانش عملکردهای کاهش ارتعاش TMD ها را با جاذب های متعدد متصل به سیستم اولیه به صورت سری یا موازی مطالعه کردند [9]، [10]. آنها دریافتند که سری TMD های چندگانه موثرتر و قوی تر از سایر انواع TMD با نسبت جرم یکسان هستند. Cheung و Wong یک TMD غیر سنتی پیشنهاد کردند که در آن دمپر چسبناک خطی جرم جاذب را به جای جرم اصلی به طور مستقیم به زمین متصل می کند [11]، [12]. به طور تحلیلی ثابت شد که TMD غیر سنتی پیشنهادی نسبت به TMD سنتی کاهش بیشتری در پاسخ سرعت حداکثر ارتعاش سیستم اولیه ارائه می‌کند.

اخیراً، جفت کردن دستگاه‌های اینترتر به TMD سنتی، دستگاه‌های جدید کاهش ارتعاش غیرفعال توسعه یافته‌اند [13]، [14]، [15]. از نظر تئوری، اینرتر یک سیستم مکانیکی است که اینرسی (همچنین به عنوان جرم ظاهری نامیده می شود) می تواند صدها برابر بیشتر از جرم واقعی باشد [16]، [17]، [18]. این خاصیت دینامیکی ویژه می تواند عملکرد عالی کنترل ارتعاش را با هزینه جرم کم به دست آورد. در سال 2012، ایکاگو و همکارش نوع جدیدی از دستگاه کنترل ارتعاش غیرفعال به نام دمپر جرم چسبناک تنظیم شده (TVMD) را توسعه دادند [19]، [20]. با استفاده از�∞و�2روش‌های بهینه‌سازی، راه‌حل‌های شکل بسته برای پارامترهای بهینه برای TVMD نیز برای کاهش پاسخ‌های دینامیکی ساختار اولیه تحت تحریک‌های مختلف به‌دست آمده‌اند [21، [22]، [23]، [24].

در سال 2014، لازار و همکاران.[25] یک سیستم جدید کنترل ارتعاش غیرفعال مبتنی بر اینرتر، به نام سیستم میراگر اینرسی تنظیم شده (TID)، برای کاهش ارتعاشات ساختاری در معرض تحریکات پایه پیشنهاد کرد. از نظر تئوری، TID دستگاهی است که مشابه TMD سنتی کار می کند، با این تفاوت که جرم واقعی با جرم ظاهری، یعنی بی اثر بودن اینرتر، جایگزین می شود. قرار است جایگزینی امیدوارکننده برای TMD باشد، زیرا این دستگاه می‌تواند به راحتی نسبت اینرسی به جرم زیادی را بدون افزایش جرم فیزیکی خود به دست آورد [26]، [27]. جنگید و همکارانش از جمله میرایی سازه اصلی، پارامترهای بهینه را برای TID با استفاده از تکنیک جستجوی عددی ارزیابی کردند [28]. در سال 2014، یکی دیگر از سیستم های جدید کنترل ارتعاش غیرفعال مبتنی بر اینرتر، به نام TMDI تنظیم شده، معرفی شد [6]. در چنین سیستمی، بخشی از جرم فیزیکی جاذب با اینرتر جایگزین می شود. د دومنیکو و همکاران [29] و [30] دریافتند که تقاضای جابجایی سازه های جدا شده از پایه را می توان با اتصال یک TMDI به کف جداسازی به طور قابل توجهی کاهش داد.

از سوی دیگر، سیستم‌های مکانیکی تقویت اینرسی مختلف نیز به منظور افزایش عملکرد کاهش ارتعاش سیستم‌های کنترل ارتعاش غیرفعال سنتی توسعه داده شدند. در سال 2007، یلماز و همکاران. [31]، [32] یک دستگاه مکانیکی به نام مکانیسم تقویت اینرسی (IAM) برای بزرگ کردن شکاف باند فرکانس کریستال‌های آوایی توسعه دادند. IAM یک سیستم مکانیکی مثلثی شکل است که می تواند نیروهای اینرسی دو جرم جانبی کوچک متصل را تقویت کند. بعدها، این دستگاه برای بهبود عملکرد کاهش ارتعاش روش‌های کاهش ارتعاش غیرفعال در مهندسی عمران معرفی شد [33]. در سال 2020، چنگ و همکاران، دستگاه IAM را به TMD سنتی متصل کردند. [34] یک دستگاه کاهش ارتعاش غیرفعال جدید به نام IAM تقویت‌شده TMD (IAM-TMD) برای سرکوب پاسخ‌های لرزه‌ای ساختاری پیشنهاد کرد. چاودری و همکاران [35]، [36] سختی منفی اینرسی-تقویت کننده-پایه-عایق و سختی منفی TMD تقویت کننده اینرسی را برای کاهش ارتعاش ساختاری پیشنهاد کردند.

در این مطالعه، با جایگزینی کامل جرم مرده TMD سنتی با استفاده از دستگاه IAM، یک دستگاه جدید کاهش ارتعاش غیرفعال، یعنی جذب کننده مبتنی بر IAM (IAM-A) پیشنهاد شده است. عملکرد برتر کاهش ارتعاش IAM-A پیشنهادی به صورت تئوری و عددی بررسی شده است. ابتدا، با نادیده گرفتن میرایی کل سیستم، مکانیسم کاهش ارتعاش تنظیم IAM-A پیشنهادی مورد بحث قرار می‌گیرد. تأثیرات پارامتر هندسی IAM بر روی ویژگی تنظیم IAM-A ارائه شده است. دوم، از جمله میرایی IAM-A،�2و�∞روش‌های بهینه‌سازی به ترتیب برای به حداقل رساندن پاسخ‌های دینامیکی ساختار اولیه تحت تحریک‌های تصادفی و هارمونیک استفاده می‌شوند. راه حل های شکل بسته برای پارامترهای طراحی IAM-A پیشنهادی به صورت تئوری مشتق شده اند. با توجه به TMD سنتی با جرم مرده یکسان، عملکرد کاهش ارتعاش IAM-A ارزیابی می‌شود. سوم، برای بررسی بیشتر اثربخشی سیستم IAM-A پیشنهادی، پاسخ‌های تاریخچه زمانی یک سیستم SDOF با IAM-A، با TMD و بدون کنترل انجام می‌شود. نتایج عددی ثابت می‌کند که به دلیل تقویت اینرسی سیستم IAM پیشنهادی، IAM-A پیشنهادی از TMD سنتی بهتر عمل می‌کند. پاسخ‌های لرزه‌ای سازه اولیه سرکوب می‌شوند. در همین حال،

بقیه مقاله به شرح زیر سازماندهی شده است. بخش 2 مفهوم اساسی IAM-A پیشنهادی را ارائه می کند. معادلات حاکم برای سازه مجهز به IAM-A ارائه شده است. در همین حال، مکانیسم کاهش ارتعاش تنظیم IAM-A بدون میرایی مورد مطالعه قرار گرفته است. مطابق با تحریکات نویز سفید ثابت، مشتقات نظری برای فرمول های فرم بسته برای پارامترهای طراحی IAM-A با استفاده از بخش 3 ارائه شده است.�2روش بهینه سازی در بخش 4، با در نظر گرفتن تحریکات هارمونیک، عبارات تحلیلی برای پارامترهای بهینه IAM-A با استفاده از�∞روش بهینه سازی بخش 5 پاسخ های لرزه ای یک سازه را با جاذب های مختلف (با IAM-A، با TMD و بدون کنترل) مقایسه می کند. نتیجه گیری در بخش 6 خلاصه می شود.