عنوان پایان‌نامه
راهکارهایی به منظور کاهش ارتعاشات نامطلوب کابل ها در پل های کابلی ایستاده تحت اثر بار باد
- رشته تحصیلی
- مهندسی عمران - سازه
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 2122;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 71090
- تاریخ دفاع
- ۱۸ شهریور ۱۳۹۴
- دانشجو
- سروش سالاری
- استاد راهنما
- محمد رحیمیان, سید امیر کیوان قربانی تنها
- چکیده
- کابل‌های ایستاده اجزای مهم سازه‌ای هستند که تاثیر بسیار زیادی بر روی رفتار سازه‌های کابلی دارند. کابل‌ها به دلیل انعطاف‌پذیری بالا و میرایی ذاتی کم در مقابل تحریکات خارجی بسیار حساس هستند. در این تحقیق، ابتدا یک مدل دو بعدی از یک کابل افقی دارای شکم‌دادگی در نرم‌افزار OpenSees ساخته شده است. سیستم‌های TMD غیرفعال با نسبت جرم، محل نصب و تعداد میراگرهای جرمی متفاوت به مدل اضافه شده‌اند. سپس یک مدل اجزا محدود سه‌بعدی از یک کابل شیب‌دار با شکم‌دادگی ناشی از وزن در نرم‌افزار مذکور ساخته شده است. ابتدا دو گروه اصلی سیستم‌های کنترل غیرفعال بر روی مدل دوم نصب شده‌اند. گروه اول شامل میراگرهایی می‌شود که یک سمت آن‌ها به زمین و سمت دیگر به کابل متصل است. گروه دوم شامل TMDهایی است که محدودیت مکانی برای محل نصب ندارند. در مرحله نهایی، یک سیستم TMD ابتکاری متحرک پیشنهاد داده شده است. این سیستم که از یک میراگر نیمه‌فعال تشکیل می‌شود، می‌تواند در طول کابل حرکت کرده و در مکان بهینه مستقر شود. مکان بهینه برای استقرار این سیستم TMD با استفاده از یک الگوریتم نوین مکان‌یابی تعیین می‌گردد. 8 الگوریتم کنترل مختلف شامل 6 الگوریتم فازی مجزا و الگوریتم اسکای‌ـ‌هوک در دو حالت پیوسته و خاموش‌ـ‌روشن برای کنترل ارتعاش مورد استفاده قرار گرفته و با سیستم کنترل غیرفعال معادل مقایسه شده است. با مقایسه‌ی سیستم‌های کنترل پیشنهادی با نتایج حاصل از سیستم‌های کنترل‌نشده، کارایی آن‌ها براساس معیارهای ارزیابی مختلف سنجیده شده است. نتایج نشان می‌دهد سیستم کنترل غیرفعال به خوبی ارتعاش کابل را کاهش می‌دهد و فرکانس بهینه TMD به فرکانس مود اول کابل نزدیک است. هرچه جرم TMD بیشتر شود، کارایی سیستم کنترل بهبود می‌یابد. با توجه به اینکه در اغلب موارد نقطه وسط کابل دارای بیشینه جابه‌جایی است، نقطه میانی کابل برای نصب ابزار غیرفعال مناسب‌تر است. به علاوه، مقایسه‌ی دو گروه اصلی سیستم‌های کنترل غیرفعال نشان می‌دهد که سیستم‌های گروه دوم با صرف هزینه بسیار کمتری بازدهی بیشتری نسبت به سیستم‌های گروه اول از خود نشان می‌دهند. همچنین، کارایی سیستم‌های کنترل نیمه‌فعال مختلف با یکدیگر مقایسه می‌شوند و تاثیر الگوریتم ابتکاری مکان‌یابی نیز بررسی می‌شود. نتایج نشان می‌دهد با اینکه سیستم‌های نیمه‌فعال پیشنهادی به صورت موثری تغییرمکان‌های کابل را کاهش می‌دهند، اثر چندانی بر روی کاهش تنش ندارند. داده‌های خروجی، همکاری موثر الگوریتم مکان‌یابی را در بهبود عملکرد سیستم‌های کنترل تأیید می‌کند. الگوریتم مکان‌یابی به صورت ویژه باعث کاهش مقادیر نُرم جابه‌جایی کابل می‌شود. به طور کلی، الگوریتم‌های کنترل فازی عملکرد بسیار موثرتری در مقایسه با الگوریتم‌های اسکای‌ـ‌هوک و سیستم غیرفعال از خود نشان می‌دهند.
- Abstract
- Stay cables are crucial elements that greatly influence the structural behavior of cable structures such as cable stayed bridges, suspension bridges, and other cable structures. Cable elements are susceptible to external excitations due to their high flexibility and low inherent damping. In this study, first, a primary two dimensional (2-D) model of a horizontal sagged cable coupled with the TMD is simulated in OpenSees software. Nine passive control systems with differences in number of TMDs, mass ratio, and TMD location are utilized. Second, a three dimensional (3-D) model of an inclined cable with sag is created using aforementioned software with finite element method. The two major kinds of passive control systems are applied to the latter cable model: first, transversely attached mechanical dampers, with one end connected to the cable and the other end to the ground; and second, tuned mass dampers (TMDs) which can be installed along the cable without position limitations. Finally, An innovative mobile TMD system is proposed which enables the TMD system to move along the cable and optimize its position. A control system comprised of a mobile TMD device incorporating a semi-active MR damper is implemented. Nine different control strategies, including six fuzzy strategies as well as a continuous sky-hook, an on-off sky-hook, and a passive-on strategy, are employed for the purpose of vibration mitigation. A Locating Algorithm (LA) is devised so as to optimize the TMD position. A specific load pattern containing a chirp signal is utilized in order to perform the nonlinear time history analyses. The control systems are subjected to different external excitations and their efficiency is evaluated by comparing the system's responses with those of the uncontrolled system based on different criteria. Passive control systems can effectively reduce the seismic response of stay cables by reducing the maximum displacement of the cable by up to 76 percent. The optimum frequency of TMD systems is close to the fundamental natural frequency of cable. Increasing the mass ratio of TMD leads to an increase in effectiveness of control system. The optimal location for installing the TMD is at the midpoint of the cable in which the maximum displacement is more likely to happen. Moreover, the results of comparative study between two major passive control systems show that in order to achieve an equal efficiency, an excessively much higher damping coefficient is needed in fixed transversely attached dampers compared to TMD systems. The results investigate the efficiency of different semi-active control systems in a comparative manner. The effect of LA is also examined. The results show that although the proposed control systems can effectively reduce the displacements of the cable, they are relatively incompetent to make a remarkable reduction in maximum and normed values of the cable tension. The output data certifies the significant contribution of LA for promoting the performance of control systems. This algorithm especially influences the reduction of normed values of displacement. Generally, the fuzzy control algorithms show a much higher performance compared with the passive-on and skyhook counterparts.
