SUPERVISOR
Saeed Behbahani,AmirMehdi Halabian
سعید بهبهانی (استاد مشاور) امیرمهدی حلبیان (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammad Sadegh Soheilipour
محمدصادق سهیلی پور
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Nonlinear Analysis of Seismic Control of Smart Structures Equipped with MR Dampers Using Optimization Algorithms
In recent decades, increasing the safety and effectiveness of structures against natural hazards such as, severe earthquakes using the structural control has attracted the attention of many researchers.different types of structural control systems in terms of energy requirements and influence on the system are divided in three major groups of passive, active and semi-active. Semi-active systems combine the best features of both passive and active control systems and have a better performance in structural response control. They provide the reliability of passive devices, and the adaptability of fully active devices. Fluid dampers controlled by a magnetic field (Magnetorheological Damper) is of semi-active devices have attracted much attention in recent years. In this research, the MR dampers operation and different models to predict the nonlinear dynamic behavior of this dampers is described. The Bouc-Wen model is used to simulate the dynamic behavior of damper. The Performance of MR dampers in the 3-story and 20-story full-scale nonlinear benchmark problem has been evaluated under various excitation. These excitations includes various levels of far-field and near-field records. In order to represent the nonlinear behavior, a bilinear hysteresis model for structural member bending is used to model the plastic hinges. In this study, a Fuzzy-Genetic control algorithm is used to command the damper. In particular, a fuzzy logic controller whose rule base determined by a multi-objective genetic algorithm is designed to determine the command voltage of MR dampers to optimize the displacement, acceleration and base shear of structure simultaneously. In this study, a multi-objective optimization method, namely Non-dominated Sorting Genetic Algorithm version II (NSGA-II), is employed. The results show that developed controllers can significantly decrease the peak displacement and drift of the structure while simultaneously reducing maximum absolute acceleration and maximum base shear. Also, it is shown that the controllers proposed in this study can compensate for a change in the structural parameters due to possible damage in the structure and successfully perform under various excitation cases. Also it is shown that the controllers proposed in this study can effectively reduce the response of the structure during the earthquake excitation. Studies have indicated that increasing the input energy to the structure and intensity of responses, the performance of control system will improve. The results show that proposed control system is able to have the same or in some cases better performance than the active system with far less energy consumption. Furthermore, in comparison with the passive system (operation of MR damper with constant voltage), performance of semi-active control system is much higher and in some cases the passive system is not able to reduce the response and causes to increase the acceleration and base shear of the structure. . Key words Semi-active control system, MR dampers, Bouc-Wen dynamic model, Fuzzy controller, Multi-objective genetic algorithm, NSGA II
در چند دهه ی اخیر، افزایش کارایی و ایمنی سازه ها در برابر خطرات طبیعی از قبیل زلزله های شدید، با استفاده از ایده ی کنترل سازه ها توجه محققین بسیاری را به خود جلب کرده است. سیستم‌های مختلف کنترل سازه ها بر حسب میزان انرژی مورد نیاز و نحوه ی تأثیرگذاری روی سیستم به سه گروه عمده ی غیرفعال، فعال و نیمه فعال تقسیم می شوند. سیستم‌های نیمه فعال، با توجه به دارا بودن ویژگی های هر دو گروه، یعنی قابل‌اطمینان بودن سیستم‌های کنترل غیرفعال و سازگاری و انطباق‌پذیری سیستم‌های کنترل فعال، عملکرد نسبی بهتری در کنترل پاسخ سازه ها دارند. میراگرهای با سیال قابل‌کنترل توسط میدان مغناطیسی(Magnetorheological Damper) از ابزارهای کنترل نیمه فعال بوده که در سالیان اخیر بسیار مورد توجه قرارگرفته است. این دسته از ابزار کنترل نسبت به اعمال میدان مغناطیسی، تغییر شدیدی در رفتار جریان سیال از خود نشان داده و از یک سیال با حالت جریان آزاد و ویسکوز خطی، به یک ماده شبه جامد و با مقاومت قابل‌کنترل تبدیل می شود؛ به دلیل سادگی مکانیکی، محدوده ی عملکرد بالا و عدم نیاز به منبع انرژی خارجی پر قدرت، میراگرهای MR در کنترل سازه ها بسیار مورد توجه قرارگرفته‌اند. در این پایان نامه، نحوه ی عملکرد میراگرهای MR شرح داده‌شده و پس از بررسی مدل های مختلف موجود جهت پیش‌بینی رفتار دینامیکی غیرخطی این میراگرها، از مدل بوک-ون جهت شبیه سازی رفتار دینامیکی میراگر استفاده‌شده است. عملکرد میراگرهای MR در سازه های تمام مقیاس 3 و 20 طبقه ی بنچ مارک غیرخطی تحت اثر تحریک های مختلف مورد ارزیابی قرارگرفته است. این تحریکات شامل زلزله های دور گسل و نزدیک گسل با مقیاس های مختلف می باشد. برای بیان رفتار غیرخطی از یک مدل هیسترزیس دوخطی لنگر-انحنا جهت مدل‌سازی مفاصل پلاستیک استفاده‌شده است. در این مطالعه از الگوریتم کنترل فازی-ژنتیک به منظور فرمان دهی میراگر استفاده‌شده است؛ در حقیقت کنترل‌کننده‌ی فازی که پایگاه قوانین آن به وسیله‌ی الگوریتم ژنتیک چند هدفه(Multi-objective Genetic Algorithms) تعیین می شود، طراحی‌شده و ولتاژ میراگر را به گونه‌ای تنظیم می کند که تغییر مکان، شتاب و برش پایه در سازه به صورت همزمان بهینه شود. الگوریتم بهینه سازی چندهدفه که از آن استفاده‌شده است، الگوریتم ژنتیک با مرتب‌سازی نامغلوب سریع و نخبه گرا (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm ver. II) می باشد. به منظور ارزیابی سودمندی سیستم کنترل ارائه‌شده عملکرد آن با الگوریتم های کنترل دیگر مقایسه شده است. نتایج نشان می دهد سیستم کنترل توسعه داده‌شده قابلیت کنترل همزمان پاسخ تغییرمکان، شتاب وبرش پایه را به میزان قابل‌توجهی دارا می باشد. بررسی های صورت گرفته بیانگر این مطلب است که سیستم کنترل علاوه بر این که حداکثر پاسخ های سازه را به طرز موثری کاهش می دهد، سازه را در طول مدت زمان زلزله نیز، به نحو بسیار مطلوبی کنترل می نماید. همچنین با افزایش انرژی ورودی به سازه و افزایش شدت پاسخ ها، عملکرد سیستم کنترل در کاهش پاسخ بهبود می یابد. نتایج حاصله نشان می دهند سیستم کنترل نیمه فعال ارائه‌شده توانسته با صرف میزان انرژی به مراتب کمتر، عملکردی مشابه و در بعضی شرایط بهتر از سیستم کنترل فعال داشته باشد. بعلاوه در مقایسه با سیستم غیرفعال مشابه (عملکرد میراگر MR با ولتاژ ثابت در طول مدت زمان زلزله)، عملکرد سیستم کنترل نیمه فعال بسیار بالاتر بوده و در بعضی از حالات سیستم غیرفعال در کاهش پاسخ عملکردی نداشته و حتی افزایش مقادیر شتاب و برش پایه در سازه را در پی داشته است. کلمات کلیدی : سیستم کنترل نیمه فعال، میراگرهای MR، مدل دینامیکی بوک-ون، کنترل فازی، الگوریتم ژنتیک چند هدفه، الگوریتم NSGA II