بهینه‌سازی پارامترهای میراگرهای جرمی تنظیم‌شده با استفاده از الگوریتم‌‌های فراابتکاری-مطالعه موردی یک قاب برشی 10 طبقه

زهرائی, سید مهدی; احمدی, حبیب اله

بهینه‌سازی پارامترهای میراگرهای جرمی تنظیم‌شده با استفاده از الگوریتم‌‌های فراابتکاری-مطالعه موردی یک قاب برشی 10 طبقه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

سید مهدی زهرائی

حبیب اله احمدی

دانشکده عمران دانشگاه تهران

چکیده

یکی از روش‌های مؤثر و پرکاربرد در کنترل غیرفعال[i] سازه‌ها تحت اثر تحریکات ناشی از زلزله، استفاده از میراگر جرمی تنظیم‌شده[ii] (TMD) است. تعیین پارامترهای بهینه این میراگرها همواره به عنوان چالشی مهم در طراحی سازه‌ها مطرح بوده است. بنابراین هدف اصلی پژوهش حاضر یافتن مقادیر بهینه پارامترهای این نوع میراگرها، تحت تحریکات لرزه‌ای است. دراین راستا، از چهار الگوریتم‌ بهینه‌سازی با قابلیت‌های مختلف برای تعیین پارامترهای بهینه میراگر جرمی به منظور دست‌یابی به بیشینه کاهش پاسخ استفاده شده است. این الگوریتم‌ها شامل الگوریتم بهینه‌سازی مبتنی بر جغرافیای زیستی[iii] (BBO)، الگوریتم کلونی زنبورعسل مصنوعی[iv] (ABC)، الگوریتم بهینه‌ساز فرهنگی[v] (CA) و الگوریتم کرم شب‌تاب[vi] (FA) هستند. تابع هدف به‌کار رفته در این مطالعه، حداکثر تغییرمکان بام سازه حین ارتعاش در نظر گرفته شده است. برای یک مطالعه موردی مربوط به یک سازه 10 طبقه مرجع، نتایج نشان می‌دهد با تعیین پارامترهای میراگر جرمی تنظیم شده به کمک الگوریتم‌های استفاده شده، مقدار میانگین کاهش جابجایی حدود 38% و مقدار کاهش حداکثر جابجایی طبقه بام حدود 5/36% بدست آمده است که در مقایسه با مطالعات پیشین بهبود محسوسی را نشان می‌دهد. این نتیجه بیان‌گر قابلیت بالاتر الگوریتم‌های فراابتکاری پیشنهادی در جذب انرژی زلزله و کاهش جابجایی‌های طبقات است.

[i] Passive Control

[ii] Tuned Mass Damper (TMD)

[iii] Bio-geography Based Optimization(BBO)

[iv] Artificial Bee Colony Algorithm(ABC)

[v] Cultural Algorithm(CA)

[vi] Firefly Algorithm(FA)

کلیدواژه‌ها

کنترل غیرفعال

میراگر جرمی تنظیم‌شده

بهینه‌سازی

الگوریتم‌های فراابتکاری

کنترل ارتعاشات

موضوعات

کنترل نوفه و ارتعاش

عنوان مقاله English

Optimization of Tuned Mass Damper Parameters Using Metaheuristic Algorithms-Case study of a shear 10-story Frame

نویسندگان English

Seyed Mehdi Zahrai

Habibollah Ahmadi

School of Civil Engineering, University of Tehran

چکیده English

Tuned Mass Dampers (TMDs) are widely recognized as effective passive control mechanisms for mitigating structural vibrations induced by seismic events. A critical aspect of their design involves the precise calibration of TMD parameters, which remains a significant engineering challenge. This research systematically addresses this issue by leveraging advanced metaheuristic optimization techniques to determine optimal TMD configurations under earthquake excitation. Four nature-inspired optimization techniques, Biogeography Based Optimization (BBO), Artificial Bee Colony (ABC), Cultural Algorithm (CA), and Firefly Algorithm (FA) were implemented and compared by selecting their distinct exploration-exploitation balance capabilities. These metaheuristic algorithms were used to systematically determine optimal TMD parameters, with the specific objective of minimizing peak roof displacement during seismic events.

Numerical simulations conducted on a benchmark 10-story building model reveal a significant enhancement in seismic performance. The proposed approach achieves an average reduction in inter-story drift of approximately 38%, alongside a 36.5% decrease in the maximum roof displacement. These results signify a marked improvement over those attainable through conventional TMD design methods reported in the existing literature. The outcome underscores the heightened efficacy of the presented metaheuristic-driven framework in dissipating seismic energy and controlling displacement demands, thereby demonstrating its potential for improving the resilience of structures against earthquakes.

کلیدواژه‌ها English

Passive Control

Tuned Mass Damper

Optimization

Metaheuristic Algorithms

Control of Vibration

[1] Frahm, Hermann. "Device for damping vibrations of bodies." U.S. Patent 989,958, issued April 18, 1911.

[2] Den Hartog, Jacob Pieter. Mechanical vibrations. Courier Corporation, 1985.

[3] Sadek, Fahim, Bijan Mohraz, Andrew W. Taylor, and Riley M. Chung. "A method of estimating the parameters of tuned mass dampers for seismic applications." Earthquake Engineering & Structural Dynamics 26, no. 6 (1997): 617-635.

[4] Lee, Chien-Liang, Yung-Tsang Chen, Lap-Loi Chung, and Yen-Po Wang. "Optimal design theories and applications of tuned mass dampers." Engineering structures 28, no. 1 (2006): 43-53.

[5] Pisal, Alka Y., and R. S. Jangid. "Seismic response of multi-story structure with multiple tuned mass friction dampers." International Journal of Advanced Structural Engineering (IJASE) 6, no. 1 (2014): 46.

[6] Salvi, Jonathan, and Egidio Rizzi. "Closed-form optimum tuning formulas for passive tuned mass dampers under benchmark excitations." Smart Structures and Systems 17, no. 2 (2016): 231-256.

[7] Salvi, J., and A. Giaralis. "Performance assessment of a novel energy harvesting-enabled tuned mass-damper-inerter (eh-tmdi) for white noise-excited structures."

[8] Monteiro, Daniele Kauctz, Letícia Fleck Fadel Miguel, Patrick de Oliveira Batista da Costa, and Daniel Barbosa Mapurunga Matos. "Optimization of tuned mass dampers parameters using Artificial Neural Networks." In Ibero-Latin American Congress on Computational Methods in Engineering (45.: 2024.: Maceió). Belo Horizonte: ABMEC, 2024. 2024.

[9] Khazaei, Mohsen, Reza Vahdani, and Ali Kheyroddin. "Optimal location of multiple tuned mass dampers in regular and irregular tall steel buildings plan." Shock and Vibration 2020, no. 1 (2020): 9072637.

[10] Kaveh, A., S. Mohammadi, O. Khadem Hosseini, A. Keyhani, and V. R. Kalatjari. "Optimum parameters of tuned mass dampers for seismic applications using charged system search." Iranian Journal of Science and Technology. Transactions of Civil Engineering 39, no. C1 (2015): 21.

[11] Kamgar, Reza, Parham Samea, and Mohsen Khatibinia. "Optimizing parameters of tuned mass damper subjected to critical earthquake." The Structural Design of Tall and Special Buildings 27, no. 7 (2018): e1460.

[12] Basili, Michela, Filippo Busato, and Maurizio De Angelis. "Integrated seismic and energetic rehabilitation of existing buildings based on the tuned mass damper concept." Results in Engineering 24 (2024): 103552.

[13] Akhlagh Pasand, Ali, and Seyed Mehdi Zahrai. "Seismic control of tall buildings using vertically distributed multiple tuned mass dampers." The Structural Design of Tall and Special Buildings 33, no. 14 (2024): e2123.

[14] Djerouni, Salah, Said Elias, Mahdi Abdeddaim, and Rajesh Rupakhety. "Multi-tuned mass damper inerter (MTMDI) system for earthquake-induced vibration control of buildings." Engineering Structures 322 (2025): 119139.

[15] Hadi, Muhammad NS, and Yoyong Arfiadi. "Optimum design of absorber for MDOF structures." Journal of Structural Engineering 124, no. 11 (1998): 1272-1280.

[16] Hatami, F., H. Saberi Hoseinabad, and A. Rahai. "Using improved harmony search algorithm (IHAS) for optimal designing of tuned mass dampers (TMD)."

[17] Simon, Dan. "Biogeography-based optimization." IEEE transactions on evolutionary computation 12, no. 6 (2008): 702-713.

[18] Yang, Xin-She. Nature-inspired metaheuristic algorithms. Luniver press, 2010.

[19] Karaboga, Dervis. "An idea based on honey bee swarm for numerical optimization." (2005): 1-10.

[20] Reynolds, Robert G. "An introduction to cultural algorithms." In Proceedings of the third annual conference on evolutionary programming, vol. 24, no. 26, pp. 131-139. 1994.