ارزیابی عملکرد سیستم نوین کنترل سازه¬ای غیرفعال ترکیبی شامل جداساز قائم لرزه‌ای و میراگر جرمی تنظیم‌شونده

الموضوعات : آنالیز سازه - زلزله

محمدامین فدائی ¹ , مسعود نکویی ² , محمدرضا منصوری ³

1 - مربی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
2 - دانشیار، گروه مهندسی عمران، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
3 - گروه مهندسی عمران، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

تاريخ الإرسال : 18 الجمعة , ذو القعدة, 1446 تاريخ التأكيد : 24 الثلاثاء , ربيع الأول, 1447 تاريخ الإصدار : 28 السبت , ربيع الأول, 1447

الکلمات المفتاحية: سیستم کنترلی ترکیبی, جداساز قائم لرزه¬ای, میراگرجرمی تنظیم شونده, جداساز لرزه¬ای, زیرسیستم جرمی و سختی ,

ملخص المقالة :

روش جداسازی ¬جرمی قائم (VMI) یکی ¬ازرویکردهای نوین و درحال گسترش درکنترل لرزه‌ای سازه‌ها محسوب میشود. دراین روش، سازه به دو زیرسیستم جرمی و سختی تفکیک¬شده و ازطریق یک میراگر به یکدیگرمتصل می‌شوند. استفاده ازمیراگرجرمی¬تنظیم‌شونده (TMD) بر روی این¬دو زیرسیستم، منجربه کنترل مؤثر ارتعاشات سازه تحت اثربارهای جانبی می‌شود. سیستم کنترل ترکیبی پیشنهادی دراین پژوهش، با ترکیب دو سامانه غیرفعال VMI و TMD ایجاد شده و پارامترهای کلیدی آن، شامل سختی جداساز، فرکانس و میرایی TMD، در شرایط مختلف بررسی¬شده‌اند تا بیشترین میزان کارایی حاصل گردد. مدل‌های مورد بررسی شامل سازه‌های فولادی ۵ و ۱۵ طبقه بوده که تحت اثربارهای لرزه‌ای و هارمونیک تحلیل شده‌اند. نتایج نشان می‌دهد که این سیستم کنترلی ترکیبی، بهبود چشمگیری در پاسخ لرزه‌ای سازه نسبت به حالت‌های بدون کنترل و تنها با جداسازی¬جرمی¬قائم دارد. به‌طورخاص، کاهش 3۵ درصدی بیشینه تغییرمکان زیرسیستم¬جرمی، 4۵ درصدی بیشینه برش¬پایه و 3۰ درصدی بیشینه شتاب بام نسبت به سازه بدون جداسازی مشاهده شد. همچنین، درمقایسه با سازه مجهز به جداسازی¬جرمی¬قائم، مقادیر متناظر این کاهش‌ها به ترتیب 3۰، 2۶ و 2۷ درصد برآورد شد. کارایی این سیستم برای هردو بارگذاری لرزه‌ای و هارمونیک قابل¬توجه بوده و منجر به کاهش محسوس تغییرمکان-بام، برش¬پایه، بیشینه دریفت و شتاب در هردو زیرسیستم می‌شود. علاوه براین، سطح عملکرد کلی سازه بهبودیافته و رفتار آن عمدتاً درمحدوده خطی باقی می‌ماند که این امر، کاهش پاسخ سازه و میزان خرابی ناشی از بارهای جانبی را به دنبال دارد.

المصادر:

[1] Nekooei M, Ziyaeifar M. Vertical seismic isolation of structures. Journal of Applied sciences. 2008;8(24):4656-61. https://doi.org/10.3923/jas.2008.4656.466

[2] Moeinadini A, Ziyaeifar M, Nekooei M, editors. Facade isolation in seismic design of tall buildings. Structures; 2024: Elsevier. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2023.105416

[3] Abdi MS, Nekooei M, Jafari M-A. Seismic control of multi-degrees-of-freedom structures by vertical mass isolation method using MR dampers. J Earthquake Engineering Engineering Vibration. 202
; https://doi.org/10.1007/ s11803-024-2251-y

[4] Milanchian R, Hosseini M, Nekooei M. Vertical isolation of a structure based on different states of seismic performance. J Earthquakes Structures. 2017;13(2):103-18
https://doi.org/10.12989/eas.2017.13,2,103.

[5] Milanchian R, Hosseini M. Study of vertical seismic isolation technique with nonlinear viscous dampers for lateral response reduction. Journal of Building Engineering. 2019;23 :144-54.
https://doi.org/10.1016/j.jobe.2019.01.026

[6] Ziyaeifar M, Gidfar S, Nekooei M. A model for mass isolation study in seismic design of structures. Structural Control and Health Monitoring. 2012;19(6):627-45. https://doi.org/10.1002 /stc.459

[7] Nekooei M, Rahgozar N, Rahgozar N. Vertical seismic isolated rocking-core system. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Structures Buildings. 2021;174(8):627-36. https://doi.org/10.1680/jstbu.19.00158

[8] Zhu Y-P, Lang Z, Fujita K, Takewaki I. Analysis and design of non-linear seismic isolation systems for building structures—An overview. Frontiers in Built Environment. 2023;8:1084081. https://doi.org/10.3389/fbuil.2022.1084081

[9] Nekooei M, Ziyaeifar M, editors. Seismic behaviour of vertical mass isolated structures. AIP Conference Proceedings; 2008: American Institute of Physics. http://dx.doi.org/10.1063/1.2963769

[10] Farajiani F, Nekooei M, Mansoori MR, editors. Study of vertical mass isolation structures equipped with metallic dampers with a focus on the position of stiff subsystem. Structures;2021:Elsevier. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2021.06.003

[11] Den Hartog J, fourth edition Mechanical J. Vibrations: McGraw-Hill Book Company, Inc., New York; 1956.
[12] Sarkar S, Fitzgerald B. Design of Tuned Mass Damper Fluid Inerter for Wind-Induced Vibration Control of a Tall Building. Journal of Structural Engineering. 2024;150(3): 04023242. https://doi.org/10.1061/JSENDH.STENG-12599

[13] Shen J, Zhu S. Active tuned mass damper for a benchmark tall building using an energy-harvesting electromagnetic damper. Journal of Vibration Control. 2024:10775463241252215. https://doi.org/10.1177/107754632412522

[14] Hoang N, Fujino Y, Warnitchai P. Optimal tuned mass damper for seismic applications and practical design formulas. J Engineering structures. 2008;30(3):707-15. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2007.05.007

[15] Kang X, Huang Q, Wu Z, Tang J, Jiang X, Lei S, et al. A Review of the Tuned Mass Damper Inerter (TMDI) in Energy Harvesting and Vibration Control: Designs, Analysis and Applications. J CMES-Computer Modeling in Engineering. 2024;139(3).
https://doi.org/10.32604/cmes.2023.043936

[16] Gaur S, Elias S, Höbbel T, Matsagar VA, Thiele K. Tuned mass dampers in wind response control of wind turbine with soil-structure interaction. J Soil Dynamics Earthquake Engineering. 2020;132:106071
https://doi.org/10.1016/j. soildyn.2020.106071

[17] Nigdeli SM, Bekdaş G. Optimum tuned mass damper design in frequency domain for structures. J KSCE journal of civil engineering. 2017;21:912-22.
https://doi.org/10.1007/s12205-016-0829-2

[18] He H, Tan P, Hao L, Xu K, Xiang Y. Optimal design of tuned viscous mass damper for acceleration response control of civil structures under seismic excitations. J Engineering structures. 2022;252:113685.
https://doi.org/10.1016/j. engstruct.2021.113685

[19] Elias S, Djerouni S. Optimum tuned mass damper inerter under near-fault pulse-like ground motions of buildings including soil-structure interaction. Journal of Building Engineering. 2024;85:108674.
https://doi.org/10.1016/j.jobe. 2024.108674

[20] Cetin H, Aydin E. A new tuned mass damper design method based on transfer functions. KSCE Journal of Civil Engineering. 2019;23(10):4463-80.
https://doi.org/10.1007/s 12205-019-0305-x

[21] Sadek F, Mohraz B, Taylor AW, Chung RM. A method of estimating the parameters of tuned mass dampers for seismic applications. J Earthquake Engineering Structural Dynamics 1997; https://doi.org/10.1002/(SICI) 10969845 (199706)26:6<617::AID-EQE664>3.0.CO;2-Z

[22] Choo JF, Ha D-H, Lee D-H, Cho E-S. Improvement and Field Testing of Tuned Mass Piezo-Damper with Electricity-Generating Capacity. KSCE Journal of Civil Engineering 2022; https://doi.org/10.1007/s12205-022-0999-z

[23] Nekooei M, Ziyaeifar M, editors. Spectral investigation on the seismic behaviour of vertical mass isolated structures against earthquake. The 14th World Conference on Earthquake Engineering, 2008.

[24] Fadaie MA, Nekooei M, Mansouri M, editors. Seismic and harmonic response analysis of vertically mass isolated multi-story steel structures equipped with tuned mass dampers. Structures; 2025: Elsevier. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2025.108690

[25] Fadaie MA, Nekooei M, Javadi P. Effect of dry and saturated bentonite on plastic concrete. J KSCE Journal of Civil Engineering. 2019;23(8):3431-42. https://doi.org/ 10.1007/s12205-019-0835-2

[26] Wang L, Nagarajaiah S, Shi W, Zhou Y. Seismic performance improvement of base-isolated structures using a semi-active tuned mass damper. J Engineering Structures. 2022;271:114963. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2022.114963

[27] Ferretti M, Di Egidio A. Effectiveness in protecting rigid-block-like objects through horizontal and vertical seismic isolation. J Nonlinear Dynamics. 2024;112(21): 18745-66. https://doi.org/10.1007/s11071-024-09998-7

[28] Bibi T, Ali A, Naeem A, Zhang C, Ahmad N. To investigate different parameters of economic sliding based seismic isolation system. Journal of Earthquake Engineering. 2024;28(3):659-88.
https://doi.org/10.1080/13632469.2023. 2217935

[29] Abdi MS, Nekooei M, Jafari M-A. Numerical Investigation of a New Method for Seismic Control of Structures. J KSCE Journal of Civil Engineering. 2021;25(1):162-72. https://doi.org/10.1007/s12205-020-2368-0

[30] Wu Q, Yan H, Zhu H, Bai X. Shaking table test study on the seismic isolation effect of a hybrid passive control system. J Measurement. 2020;164:108125.
https://doi.org/10.1016/j. measurement.2020.108125

[31] Council AT. Quantification of building seismic performance factors: US Department of Homeland Security, FEMA; 2009.
[32] Engineers ASoC, editor Minimum design loads and associated criteria for buildings and other structures2017: American Society of Civil Engineers.
[33] Forcellini D, editor A 3-DOF system for preliminary assessments of the interaction between base isolation (BI) technique and soil structure interaction (SSI) effects for low-rise buildings. Structures; 2024: Elsevier.
https://doi.org/10.1016/j.istruc.2023.105754