Reliability of Structural Vibration Control Systems

Ojaghzadeh Mohammadi, Seyyed Davood (2019) Reliability of Structural Vibration Control Systems. Masters thesis, University of Mohaghegh Ardabili.

[img] Text

Download (1MB)
Official URL:


Abstract: Reliability analysis of structural vibration control systems including Passive Tuned Mass Damper with constant parameters, Passive Tuned Mass Damper with Variable Parameters and Active Tuned Mass Damper with Nero-Fuzzy Controller was studied in this research. To obtain more realistic results, soil-structure-interaction was included in the analytical model as well. Two points of views were considered for designing the structural control systems. In the first approach, parameters of Tuned Mass Dampers (TMD) were obtained to minimize the lateral vibrations of the structure which is called Displacement-Based design in this research. In the second method, the parameters of TMD obtained to maximize the performance of the controlling system which is called Reliability-Based design in this study. Monte Carlo Simulation (MCS) was used for reliability analysis. Considering many samples in MCS to achieve the precise results and the long process of optimization problem makes the reliability-based design a time consuming process. To solve time problem, Artificial Neural Network (ANN) used for determining the performance of controlling system instead of direct using of MCS. For each parameter some values were considered based on the reasonable interval for problem at hand. Therefore, the TMDs defined base on these parameters and their performance evaluated by using MCS with high number of samples to find the precise results. Afterwards, for each story one ANN trained to find the performance of controlling system to mitigate the lateral vibration of that story. The trained ANNs are able to evaluate the performance of controlling system in a fraction of second while direct using of MCS needs several hours to do calculation for each set of TMDs parameters. By using trained ANNs, it is possible to design the controlling system by optimization algorithms like Genetic Algorithm (GA) which was used in this study. Generating artificial records is another subject which studied in this research. Unfortunately there are not enough suitable recorded earthquakes for designing purposes. Therefore, many researchers tried to generate Artificial Records (ARs) in recent years. Two methods proposed in this study for generating ARs. In the first method, wavelet packet transform and Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm were used to generate ARs with required frequency content in terms of Power Spectral Density Function (PSDF). The second method, proposed to avoid using complicated mathematical for generating ARs. In this method, some real earthquake records will be combined in the form of weighted sum of segments of real records and GA is used to find the appropriate weights so that the AR has the required Pseudo Spectral Acceleration (PSA). TMD with variable parameters was proposed and designed as another subject in this research. Finally, an active TMD proposed by using Artificial Nero-Fuzzy Neural Network. Research Aim: In the displacement-based design method, the controlling system is designed for a predefined certain value of applied loads on structure, stiffness of the structure in terms of cross-sectional dimension of structural members, elasticity modulus of material, damping ratio, and soil characteristics in terms of density, damping and shear wave speed. All these parameters are uncertain and their value has effect on the design of controlling system. Therefore, the performance of designed controlling system may reduce significantly in a real condition. Thus, the role of uncertainty of these parameters was studied in this research. Research method: Monte Carlo Simulation was used for reliability analysis of controlling system in this research. Wavelet packet transform, power spectral density function and pseudo spectral acceleration were used for analysis of frequency content of generated artificial records. Artificial neural networks were used for prediction of performance of controlling systems and nero-fuzzy neural network was used to estimate the applied forces by actuators. Also, genetic algorithm and particle swarm optimization were used for optimization problem. Findings: It was understood that it is possible to generate several artificial records which have required frequency content although they could be different in their appearance. In addition, it was found that considering soil-structure-interaction has an important role in designing the controlling systems especially for medium and soft soils. Furthermore, it was shown that although displacement-based design could lead the design to more mitigation of lateral vibrations for a certain condition of loads, structural properties and soil characteristics but reliability-based design will find a controlling system which behaves more flexible for different condition of mentioned parameters in a real case. Conclusion: based on this study considering SSI effect is very important for structures on medium and soft soils. In addition, considering reliability concept in designing the controlling system is an essence because the applied loads and characteristics of structure and soil are not certain parameters and it is not possible to evaluate them exactly or they may be changed during the life time of the structure. Keywords: tuned mass damper, reliability-based design, Monte Carlo simulation, soil-structure-interaction, artificial earthquake record

Item Type: Thesis (Masters)
Persian Title: بررسی قابلیت اعتماد سیستم‌های کنترل ارتعاشات سازه‌ای
Persian Abstract: چکیده: در این تحقیق قابلیت اعتماد سیستم‌های کنترل ارتعاشات سازه‌ای شامل میراگر جرم تنظیم شده غیر فعال با پارامترهای ثابت، میراگر جرم تنظیم شده با پارامترهای متغیر و میراگر جرم تنظیم شده فعال با کنترلر نرو-فازی مورد بررسی قرار گرفته است و به منظور دستیابی به نتایج واقعی‌تر، اندرکنش خاک و سازه با استفاده از مدل مخروطی در تحلیل سازه منظور شده است. در طراحی این میراگرها، دو دیدگاه مورد نظر بوده است. دیدگاه اول تعیین پارامترهای میراگر جرم تنظیم شده بگونه‌ای که جابجایی جانبی سازه را به حداقل برساند که در این تحقیق طراحی براساس جابجایی نامیده می‌شود. در روش دوم که در این رساله طراحی براساس قابلیت اعتماد نامیده می‌شود، پارامترهای میراگر جرم تنظیم شده بگونه‌ای تعیین می‌شوند تا سیستم کنترلی با در نظر گرفتن عدم قطعیت‌های موجود در تعیین بارهای وارد بر سازه، سختی سازه و شرایط خاک زیر سازه، بیشترین کارایی را داشته باشد. برای تعیین قابلیت اعتماد یا کارایی سیستم کنترلی، از آنالیز مونت کارلو استفاده شده است. با توجه به اینکه برای رسیدن به نتایج دقیق در آنالیز مونت کارلو می‌بایست از تعداد زیادی نمونه تصادفی استفاده نمود و با توجه به فرایند طولانی الگوریتم‌های بهینه‌یابی، پروسه طراحی براساس قابلیت اعتماد در عمل بسیار زمان‌بر می‌شود. برای حل این مشکل از شبکه عصبی مصنوعی برای تخمین کارایی سیستم کنترلی استفاده شده است. با در نظر گرفتن محدوده‌ای منطقی برای پارامترهای سیستم کنترلی، برای هر پارامتر مقادیری درنظر گرفته شده است و به این ترتیب تعدادی میراگر جرم تنظیم شده تعریف می‌گردد. کارایی هر کدام از این کنترلرها با استفاده از آنالیز مونت کارلو و با درنظر گرفتن تعداد زیادی نمونه تصادفی با دقت کافی برای اهداف مهندسی بدست آمده است. سپس به تعداد طبقات سازه، شبکه عصبی مصنوعی آموزش داده شده است تا کارایی سیستم کنترلی را برای طبقه مورد نظر با داشتن پارامترهای کنترلر بدون انجام مستقیم آنالیز مونت کارلو بدست آورد. به این ترتیب شبکه عصبی مصنوعی آموزش دیده که جایگزین آنالیز مونت کارلو می‌شود، قادر است در کسری از ثانیه کارایی کنترلر را ارائه دهد در حالی که با استفاده مستقیم از آنالیز مونت کارلو برای تخمین کارایی آن چندین ساعت زمان لازم است. در این شرایط امکان طراحی سیستم کنترلی با استفاده از الگوریتم‌های بهینه‌یابی که در این رساله از الگوریتم ژنتیک استفاده شده است، فراهم گردیده است. مورد دیگری که در این تحقیق به آن پرداخته شده است، تولید رکورد مصنوعی می‌باشد. با توجه به اینکه برای بسیاری از مناطق دنیا رکورد زلزله مناسب ثبت شده برای استفاده در تحلیل و طراحی سازه موجود نمی‌باشد، بسیاری از محققین در سالهای اخیر تلاش در ارائه روش‌هایی برای تولید رکورد مصنوعی نموده‌اند. در این رساله دو روش برای تولید رکورد مصنوعی ارائه شده است. در روش پیشنهادی اول با استفاده از تبدیل ویولت پاکت و الگوریتم بهینه‌یابی اجتماع ذرات، رکوردهای مصنوعی تولید شده است که دارای محتوای فرکانسی موردنظر در قالب تابع چگالی طیف توان مطلوب باشند. در روش پیشنهادی دوم بدون استفاده از ریاضیات پیچیده، تلاش شده است با ترکیب چند رکورد واقعی زلزله بصورت مجموع وزندار و تعیین وزن‌ها با استفاده از الگوریتم ژنتیک، رکوردهای مصنوعی تولید شوند که دارای شبه شتاب طیفی مطلوب برای مقاصد طراحی باشند. در انتها نیز با استفاده از شبکه عصبی نرو-فازی یک سیستم کنترلی فعال طراحی و مورد بررسی قرار گرفته است. هدف: در روش طراحی بر اساس جابجایی، سیستم کنترل سازه مورد نظر برای یک مجموعه از شرایط از پیش تعیین شده شامل بارهای وارد بر سازه، خصوصیات سختی سازه شامل ابعاد مقطع عرضی اعضاء سازه و مدول الاستیسیته، میرایی سازه و خصوصیات خاک منطقه شامل چگالی خاک، میرایی و سرعت موج برشی، طراحی می‌گردد. با توجه به اینکه همه پارامترهای بیان شده که در طراحی سیستم کنترلی نقش دارند پارامترهای غیر قطعی هستند، کارایی سیستم کنترلی طراحی شده بر اساس جابجایی با تغییر هر کدام از این پارامترها ممکن است کاهش پیدا کرده و نقش لازم در کاهش ارتعاشات سازه را نداشته باشد. لذا در این تحقیق به بررسی نقش عدم قطعیت در مقدار این پارامترها بر روی کارایی سیستم کنترلی پرداخته شده و طراحی بر اساس قابلیت اعتماد مورد بررسی قرار گرفته است. روش‌شناسی پژوهش: در این تحقیق از آنالیز مونت کارلو برای آنالیز قابلیت اعتماد سیستم کنترل ارتعاشات سازه استفاده شده است. در بخش تولید رکورد مصنوعی برای بررسی محتوای فرکانسی از تبدیل ویولت، تابع چگالی طیف توان و شبه شتاب طیفی بهره گرفته شده است. در زمینه بهینه‌یابی از الگوریتم‌های ژنتیک و اجتماع ذرات و برای تخمین کارایی سیستم کنترل ارتعاشات سازه از شبکه عصبی مصنوعی و برای کنترل فعال سازه از شبکه عصبی مصنوعی نرو-فازی استفاده شده است. یافته‌ها: در انجام این رساله مشاهده گردید که می‌توان رکوردهای مصنوعی تولید نمود که اگرچه در شکل ظاهری متفاوت هستند ولی دارای محتوای فرکانسی مطلوب می‌باشند. همچنین تاثیر درنظر گرفتن اندرکنش خاک و سازه در طراحی سیستم کنترلی برای خاک‌های نسبتا نرم و نرم قابل ملاحظه می‌باشد. علاوه بر این مشاهده گردید که اگرچه برای یک شرایط خاص طراحی بر اساس جابجایی منجر به کنترل بیشتر ارتعاشات سازه می‌گردد ولی طراحی بر اساس قابلیت اعتماد منجر به سیستم کنترلی خواهد شد که می‌تواند در شرایط مختلف بارهای وارد بر سازه رفتار مناسب‌تری از خود نشان داده و ارتعاشات سازه را کنترل نماید. نتیجه‌گیری: با توجه به پژوهش انجام شده می‌توان نتیجه گرفت که درنظر گرفتن اثر خاک زیر سازه به‌ غیر از سازه‌هایی که بر روی خاک سخت قرار دارند ضروری بوده و در طراحی سیستم کنترلی نقش مهمی دارد. این بدین معنی است که اگر در طراحی سیستم کنترلی اثر اندرکنش خاک و سازه لحاظ نشود ممکن است سیستم کنترلی در شرایط واقعی کارایی لازم را نداشته باشد. علاوه بر این با توجه به اینکه مقدار بارهای وارد بر سازه و خصوصیات سازه ساخته شده و شرایط خاک منطقه پارامترهایی هستند که امکان تعیین مقدار دقیق و قطعی آنها وجود ندارد و یا با گذشت زمان ممکن است تغییر نماید، طراحی بر اساس قابلیت اعتماد یک ضرورت محسوب می‌شود. نتایج نشان می‌دهد که نمی‌توان از یک سیستم کنترلی طراحی شده برای یک شرایط خاص انتظار داشت که در شرایط مختلف کارایی مناسبی داشته باشد.
Subjects: Faculty of Engineering > Department of Civil Engineering
Divisions > Faculty of Engineering > Department of Civil Engineering
Divisions: Subjects > Faculty of Engineering > Department of Civil Engineering
Faculty of Engineering > Department of Civil Engineering
Date Deposited: 13 Jun 2020 05:15
Last Modified: 13 Jun 2020 05:15

Actions (login required)

View Item View Item