کنترل لرزه‌ای سازه‌ها برمبنای معیارهای کنترل‌پذیری و پایداری سیستم کنترلی

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز

10.22034/ceej.2024.62032.2363

چکیده

استفاده از سیستم‌های کنترل ارتعاش مناسب و کارآمد به‌منظور تقلیل پاسخ‌های لرزه‌ای، از اهم مباحث طراحی سازه‌ها می‌باشد که همواره مورد توجه و علاقه محققان بوده است. در این پژوهش، جهت بررسی تأثیر کنترل‌پذیری و پایداری (Stability) سیستم کنترلی بر پاسخ‌های لرزه‌ای، مدل‌های سازه‌ای سه، شش، ده و بیست‌ویک طبقه مجهزبه مهاربند شورون (Chevron)، میراگر سیال ویسکوز و محرک فعال، در حالات کنترل‌نشده، کنترل غیرفعال و کنترل ترکیبی (Hybrid) انتخاب شدند. سپس معادلات حرکت به فرم فضای حالت توصیف شد و کنترل‌پذیری، پایداری یا ناپایداری سیستم‌های کنترلی ارزیابی گردید. جهت پایدارسازی سیستم کنترل هیبریدی، الگوریتم تنظیم‌کننده مرتبه دوم خطی (LQR (Linear Quadratic Regulator)) برای محاسبه ماتریس بهره بازخورد حالت و نیروی محرک تنظیم‌کننده فعال مورد استفاده قرار گرفت. با شبیه‌سازی مدل فضای حالت (State space) معادلات حرکت و شتاب حرکت زمین در متلب، پاسخ‌های لرزه‌ای مدل‌ها استخراج گردید. بررسی تاریخچه زمانی پاسخ‌ها از قبیل جابه‌جایی طبقات، جابه‌جایی مهاربندها، نیروی میراگر و نیروی محرک فعال، نشان داد که در سیستم‌های کنترلی ناپایدار دامنه پاسخ مهاربندها و میراگرها در طول رخداد زمین‌لرزه واگرا شدند. تأثیر پایدارسازی با مهاربند شورون بر کاهش پاسخ‌های لرزه‌ای، تنها در برخی طبقات مشاهده گردید؛ درحالی‌که پایدارسازی با محرک فعال، تا حدودی بر کاهش جابه‌جایی لرزه‌ای تمام طبقات اثر گذاشت. ارزیابی کلی نتایج نشان داد که اگر از مهاربند، میراگر و محرک فعال، به‌طور هم‌زمان در یک طبقه، به تعداد کافی و در مکان مناسب، استفاده گردد، به‌شرط تأمین پایداری سیستم کنترلی، پاسخ مهاربندها و میراگرها همگرا شده و جابه‌جایی لرزه‌ای مهاربندها و طبقات به‌شدت کاهش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Seismic Control of Structures Based on the Controllability and Stability of the Controlling System Criteria

نویسندگان [English]

  • Ali Ejtemaee
  • Hedayat Veladi
  • Bahman Farahmand Azar
  • Hosein Ghaffarzadeh
  • Siamak Talatahari
Faculty of Civil Engineering. University of Tabriz, Tabriz, Iran.
چکیده [English]

In the present paper, the effect of controllability and control system stability was investigated. For this purpose, three, six, ten, and twenty-one-story structural models equipped with Chevron braces, viscous fluid dampers, and active regulators were selected in uncontrolled, passive-controlled, and hybrid-controlled structures. In order to stabilize the hybrid control system, the linear quadratic regulator algorithm was utilized to calculate the state feedback gain matrix and actuator response. Broadly, the results revealed that if a sufficient number of braces, dampers, and actuators are utilized in the stabilized hybrid control system, the response of braces and dampers is converged and the seismic displacement of braces and floors is decreased properly.

کلیدواژه‌ها [English]

  • State space
  • Controllability
  • Linear quadratic regulator
  • Stable control system
  • Unstable control system
Babaei M, Moradi M, “Multi-objective optimization of steel frames with added viscous dampers using imperialist competitive algorithm”, Computational Engineering and Physical Modeling, 2022, 5 (1), 69-88. https://doi.org/10.22115/cepm.2022.345345.1212
Cetin H, Ersin A, Baki O, “Optimal design and distribution of viscous dampers for shear building structures under seismic excitations”, Frontiers in Built Environment, 2019, 5, 90. https://doi.org/10.3389/fbuil.2019.00090
Chacko, Sanjay J, Rajesh Joseph A, “On LQR controller design for an inverted pendulum stabilization: SJ Chacko, RJ Abraham”, International Journal of Dynamics and Control, 2023, 11 (4), 1584-1592. https://doi.org/10.1007/s40435-022-01079-0
Cheng FY, Jiang H, Lou K, Smart Structures: Innovative Systems for Seismic Response Control (1st ed.). CRC Press, 2008. https://doi.org/10.1201/9781420008173
El Ouni MH, Abdeddaim M, Elias S, Kahla NB, “Review of vibration control strategies of high-rise buildings”, Sensors, 2022, 22 (21), 8581. https://doi.org/10.3390/s22218581
Garrido H, Curadelli O, Ambrosini D, “On the assumed inherent stability of semi-active control systems”, Engineering Structures, 2018, 159, 286-298. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2018.01.009
Ghaffarzadeh H, Alizadeh Dehrod E, Aghayi Par H, “Semi-active fuzzy control of structures subjected to near-fault ground motions having forward directivity and fling step using friction damping system with amplifying braces (fdsab)”, Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering, 2015, 39 (C2), 299-317. https://doi.org/10.22099/ijeee.2015.3136
Ground, Simulating Near-Fault Long-Period, Pacific Earthquake Engineering Research Center, 2011.
Hazaveh NK, Chase JG, Rodgers GW, Pampanin S, Kordani R, “Seismic behavior of a self-centering system with 2-4 viscous damper”, Journal of Earthquake Engineering, 2020, 24 (3), 470-484. https://doi.org/10.1080/13632469.2018.1453415
Hazaveh NK, Rad A, Chase G, Pampanin S, “Seismic behaviour of a non-linear structure with passive D3 viscous damper”, 2021. https://doi.org/10.1080/13632469.2018.1453415
He W, Kang J, Yang S, Liu W, Liu W, “Experimental research on the seismic characteristics of a precast frame structure with a viscous damper”, Journal of Earthquake Engineering, 2023, 27 (4), 959-980. https://doi.org/10.1080/13632469.2022.2078516
Hongyan G, Liang H, Tong G, Liu F, Liu Y, Liu X, Jia Z, Paul J, “Research on vibration mechanism and control technology of building structure under earthquake action”, Journal of Vibroengineering, 2021, 23 (6), 1395-1406. https://doi.org/10.21595/jve.2021.22090
Jian L, Song F, Huang Y, “Research on semiactive control of civil engineering structure based on neural network”, Wireless Communications and Mobile Computing, 2020, (1), 8842031. https://doi.org/10.1155/2020/8842031
Kınay G, Turan G, “A hybrid control of seismic response by passive and semi-active control strategies”, Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 2012, 2 (1), 27-36. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2018.12.016
Kurata N, Takuji K, “Reliability of applied semiactive structural control system”, Journal of Structural Engineering, 2003, 129 (7), 914-921. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9445(2003)129:7(914)
Lingala A, Anil Kumar M, “Torsional vibration control of a structure using fluid viscous dampers”, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2021, 1197 (1), IOP Publishing. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1197/1/012046
López-Queija J, Robles E, Jugo J, Alonso-Quesada S, “Review of control technologies for floating offshore wind turbines”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2022, 167, 112787. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112787
Modiri F, Darvishan E, “Active structural control by backstepping design considering soil-structure interaction effects”, Journal of Rehabilitation in Civil Engineering, 2022, 10 (4), 97-108. https://doi.org/10.1007/978-94-007-2033
PEER C, “PEER ground motion database, Pacific Earthquake Engineering Research Center”, University of California, Berkeley, CA, http://ngawest2, berkeley. edu, 2013
Pourzeynali, S, Lavasani HH, Modarayi AH, “Active control of high-rise building structures using fuzzy logic and genetic algorithms”, Engineering Structures, 2007, 29 (3), 346-357. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2006.04.015
Saaed, Tarek Edrees, George Nikolakopoulos, Jan-Erik Jonasson, Hans Hedlund. “A state-of-the-art review of structural control systems”, Journal of Vibration and Control, 2015 21 (5), 919-937. https://doi.org/10.1177/1077546313478294
Velagić J, Osmić N, Klovo V, Lačević H, “Design of LQR controller for 3D trajectory tracking of octocopter unmanned aerial vehicle”, In 2022 8th International Conference on Control, Decision and Information Technologies (CoDIT), IEEE 2022, 1, 63-68. https://doi.org/10.1109/CoDIT55151.2022.9803884
Xu YL, He J, “Smart civil structures”, CRC Press, 2017. https://doi.org/10.1117/12.50178
Xu ZD, Guo YQ, Zhu JT, Xu FH, “Intelligent vibration control in civil engineering structures”, Academic Press, 2016. https://doi.org/10.1016/C2012-0-00334-1
Zhenkai Z, Yongbo P, “Reliability based optimization for semi-actively controlled seismic structures”, 13th International Conference on Applications of Statistics and Probability in Civil Engineering (ICASP13), Seoul, South Korea, May 26-30, 2019. https://doi.org/10.22725/ICASP13.144