کنترل نیمه‌فعال سازه مجهز به میراگر MR با استفاده از روش نیومارک اصلاح شده مبتنی بر الگوریتم بهینه لحظه‌ای

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز

چکیده

در دهه­های اخیر، کارایی و تأثیر انواع ابزارهای کنترل نیمه­فعال در بهبود عملکرد لرزه­ای سازه­ها مورد مطالعه و توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است. در این میان، میراگر مغناطیسی (MR) به علت کاربرد آسان، ظرفیت تولید نیروی مناسب و مصرف انرژی کمتر، به عنوان یکی از پرکاربردترین تجهیزات کنترل نیمه­فعال شناخته شده است. این نوع میراگر دارای رفتاری کاملاً غیر خطی می­باشد و تا کنون مدل­های مکانیکی متعددی برای بیان ویژگی­های رفتاری آن معرفی شده است، مدل بوک-ون اصلاح شده به عنوان یکی از رایج­ترین این مدل­ها بوده و به خوبی رفتار میراگر را نمایش می­دهد. به دلیل غیر خطی بودن رفتار میراگر MR، معادله حرکت سازه مجهز به آن یک معادله درگیر بوده و همواره یافتن روشی برای حل این معادله یکی از مشکلات مطالعات عددی مربوط به این نوع میراگر می­باشد. در این مطالعه، با توجه به قابلیت روش نموی نیومارک در حل معادلات دینامیکی خطی و غیر خطی، از الگوریتم بهینه لحظه­ای جهت اصلاح و بهبود آن بهره گرفته شده و با استفاده از این شیوه پیشنهادی معادله حرکت سازه مجهز به میراگر MR حل می­گردد. همچنین جهت بررسی کارایی این الگوریتم یک مطالعه عددی بر روی سازه مبنای سه طبقه معرفی شده توسط کمیته ASCE انجام می­گیرد. نتایج این مطالعه عددی و مقایسه آن با سایر استراتژی­ها حاکی از کارآمدی روش نموی نیومارک اصلاح شده پیشنهادی مبتنی بر الگوریتم بهینه لحظه­ای، در حل معادله دیفرانسیل غیر خطی و کاهش ارتعاشات سازه مبنا تحت اثر تحریکات لرزه­ای می­باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Semi-active Control of Structures with MR Damper Using Modified Newmark Method Based on Instantaneous Optimal Control Algorithm

نویسندگان [English]

  • Javad Katebi
  • Samira Mohammadyzadeh
Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz
چکیده [English]

Magnetorheological (MR) fluid damper shows great promising in semi-active control of civil engineering structures, in which, fault-safe, low-power consumption, force controllability and rapid response are its advantageous. However, a major drawback that hinders its application rests with the non-linear force/displacement and hysteretic force/velocity characteristics. With regard to building control, it is crucial that a tractable model of the MR damper should be available before any design in realizable controller. There are several MR damper models proposed in the literature using a range of techniques. Models obtained by a deterministic approach include Bingham, phenomenological, Bouc-Wen models. The Bingham model cannot represents nonlinear behavior of MR damper and may be considered as a simple model for the hysteresis characteristic. The Bouc-Wen model uses a differential equation to depict the non-linear hysteresis with moderate complexity and is widely applied in building controls [1]. Nonlinear dependent relation between damper control force, floors displacement and velocity does not allow to solve governing equation of motion which makes the structure response analyzing impossible. There are a few new methods for estimating the response of structure with MR damper. In the present study modified Newmark-Beta method base on the instantaneous optimal control algorithm is used to estimate the response of the coupled system with MR damper, for the first time.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Semi-active control
  • MR damper
  • Optimal control algorithm
  • Newmark method
[1]      Spencer, J. Dyke, S. J., Sain, M. K., Carlson, J. D., "Phenomenological Model of a Magnetorheological Damper", Journal of Engineering Mechanics, 1996, 123 (3), 230-238.
[2]      Kwok, N. M., Ha, Q. P., Nguyen, M. T., Li, J., Samali, B., "Bouc-Wen Model Parameter Identification for a MR Fluid Damper Using Computationally Efficient GA", 2007, 46 (2), 167-179.
[3]      Dyke, S. J., Spencer, J. Sain, M. K., Carlson, J. D., "Modeling and Control of Magnetorheological Dampers for Seismic Response Reduction", Journal of Smart Material and Structures, 1996, 5 (5), 565-575.
[4]      Kwok, N. M., Ha, Q. P., Nguyen, M. T., Li, J., Samali, B., "Bouc-Wen Model Parameter Identification for a MR Fluid Damper Using Computationally Efficient GA", ISA Transactions, 2007, 46 (2), 167-179.
[5]      Seung, Y. O., Junho, S., Kwan-Soon, P., "Optimal Design of Hysteretic Dampers Connecting Adjacent Structures Using Multi-Objective Genetic Algorithm and Stochastic Linearization Method", Journal of  Engineering Structures, 2008, 30 (5), 1240-1249.
[6]     Zhu, W. Q., Luo, M., Dong, L., "Semi-active Control of Wind Excited Building Structures Using MR/ER Dampers", Journal of Probabilistic Engineering Mechanics, 2004, 19 (3), 279-285.
[7]      Dinh, Q., Truong, K., Kwan, A., "Nonlinear Black-Box Models and Force-Sensorless Damping Control for Damping Systems Using Magneto-Rheological Fluid Dampers", Journal of Sensors and Actuators, 2011, 167 (2), 556-573.
[8]      Dominguez, A., Sedaghati, R., Stiharu, I., "Modeling and Application of MR Dampers in Semi-adaptive Structures", Journal of Computers and Structures, 2008, 86 (3), 407-415.
[9]      Chung, L. L., Lin, R. C., Soong, T. T., Reinhorn, A. M., "Experiments on Active Control for MDOF Seismic Structures", Journal of Engineering Mechanics, 1989, 115 (8), 1609-1627.
[10]    Kim, S. B., Yun, C. B., "Sliding Mode Fuzzy Control: Theory and Verification on a Benchmark Structure", Journal of Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 2000, 29 (11), 1587-1608.
[11]    Joghataie, A., Mohebbi, M., "Optimal Control of Nonlinear Frames by Newmark and Distributed Genetic Algorithms", Journal of the Structural Design of Tall and Special Buildings, 2012, 21 (2), 77-95.
[12]    Yang, J. N., Akbarpour, A., Ghaemmaghami, "Optimal Control Algorithms for Earthquake Excited Buildings",  The 2nd International Symposium of Structural Control, Ontario, Canada, 15-17 July, 1985, pp 748-761.
[13]    Yang, J. N., Li, Z., Liu, S. C., "Stable Controllers for Instantaneous Optimal Control", Journal of Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1992, 118 (8), 1612-1630.
[14]   Bahar, O., Banan, M. R., Mahzoon, M., Kitagawa, Y., "Instantaneous Optimal Wilson-θ Control Method", Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 2003, 129 (11), 1268-1276.