کنترل نیمه فعال سازه سه طبقه محک به کمک شبکه سنسورهای بی‌سیم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• سید حسین فضائلی حسینی نژاد ¹
• عباس کرم الدین ²

¹ دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران

² دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران.

10.22067/jfcei.2023.79624.1195

چکیده

کنترل سازه ها به منظور جلوگیری از آسیب جدی به سازه‌ها، به یک موضوع برجسته در مهندسی زلزله تبدیل شده است. در سیستم های سنتی کنترل سازه از سیم برای ارتباط بین سنسورها، محرک‌ها، کنترل کننده‌ها و یکپارچه سازی کل سیستم به عنوان یک شبکه واحد استفاده می‌شد. بهره جوئی از سنسورهای بی‌سیم به منظور اندازه‌گیری، ارتباط و کنترل در سازه‌ها با پیشرفت تکنولوژی افزایش یافته است. از مزایای دیگر این سیستم، سهولت در پیاده سازی و کاهش هزینه های نصب می‌باشد. در این مقاله سازه سه طبقه غیر‌خطی محک به همراه میراگر مغناطیسی (MR) که به شبکه سنسورهای بی‌سیم مجهز شده است، مورد بررسی قرار گرفته است. سازه‌ی تحت تحریک زلزله در محیط شبیه ساز متلب 2018، با یک شبکه حسگر بی‌سیمِ شبیه سازی شده توسط TOSSIM ترکیب می‌شود. برای شبیه سازی واقعی شبکه از نویز و سیگنال‌های بی‌سیمِ جمع آوری شده از یک سازه واقعی استفاده شده است. در این شبکه از یک پروتکل دسترسی چندگانه تقسیم زمان TDMA استفاده شده است. این پروتکل به هر سنسور زمان خاصی برای ارسال اطلاعات اختصاص می‌دهد. برای کنترل پاسخ های سازه‌ی محک ازیک کنترل کننده فازی-ژنتیک استفاده شده است. سپس سازه مجهز به سنسورهای بی‌سیم و باسیم، تحت تحریک زلزله های مختلف مورد بررسی، مقایسه و ارزیابی قرار گرفت. بررسی معیارهای ارزیابی و نمودار های تاریخچه زمانی نشان از عملکرد مناسب سیستم بی‌سیم در کاهش پاسخ های سازه دارد. در عین حال سیستم بی‌سیم، باعث افزایش اندک میزان میانگین جابجائی و شتاب طبقات نسبت به حالت باسیم شده است.

کلیدواژه‌ها

• سازه محک
• سنسور های بی‌سیم
• سازه غیرخطی
• میراگر مغناطیسی
• کنترل نیمه فعال

---

عنوان مقاله [English]

Semi-active control of three-story benchmark structure using a wireless sensor network

نویسندگان [English]

• Hossein Fazaeli Hosseini Nejad ¹
• abbas karamodin ²

¹ Department of Civil Engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran

² Department of Civil Engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran

چکیده [English]

Control of structures in order to prevent serious damage to structures has become a prominent issue in earthquake engineering. In traditional structural control systems, wires were used to communicate between sensors, actuators, controllers and integrate the entire system as a single network. Using of wireless sensors for measurement, communication and control in structures has increased with the advancement of technology. The use of this technology has attracted the attention of engineers due to the reduction of installation costs and flexible system. In this article, the benchmark nonlinear three-story structure with magnetorheological damper (MR) equipped by wireless sensor network is investigated. The seismically excited building is combined with a wireless sensor network simulated by TOSSIM in the MATLAB simulator environment. For real network simulation, noise and wireless signals collected from a real structure have been used. In this network, a time division multiple access protocol (TDMA) is used. This protocol assigns a specific time to each sensor to send information. The benchmark structure is trained by a fuzzy-genetic controller. Then, the structure equipped with wire and wireless sensors was evaluated under the various earthquakes. Examining the evaluation criteria and time history charts shows the proper performance of the wireless system in reducing structural responses. At the same time, the wireless system has caused a slight increase in the average displacement and acceleration of floors compared to the wired mode.

کلیدواژه‌ها [English]

• Benchmark structure
• Wireless sensor
• nonlinear building
• magnetorheological damper
• Semi active control

مراجع

1. -H. Loh et al., "Experimental verification of a wireless sensing and control system for structural control using MR dampers," Earthquake Engineering & Structural Dynamics, vol. 36, no. 10, pp. 1303-1328, 2007.
2. R. Farrar, G. Park, D. W. Allen, and M. D. Todd, "Sensor network paradigms for structural health monitoring," Structural Control and Health Monitoring, vol. 13, no. 1, pp. 210-225, 2006.
3. P. Lynch and K. J. Loh, "A summary review of wireless sensors and sensor networks for structural health monitoring," Shock and vibration digest, vol. 38, no. 2, pp. 91-130, 2006.
4. Wang, R. A. Swartz, J. P. Lynch, K. H. Law, K.-C. Lu, and C.-H. Loh, "Application of Decentralized Wireless Sensing and Control in Civil Structures," in US-Taiwan Workshop on Smart Structural Technology for Seismic Hazard Mitigation, Taipei, Taiwan, 2006.
5. P. Lynch and K. H. Law, "Decentralized control techniques for large-scale civil structural systems," in Proc. of the 20th Int. Modal Analysis Conference (IMAC XX), pp. 406-413, February 4, 2002.
6. Sun, B. Li, S. J. Dyke, C. Lu, and L. Linderman, "Benchmark problem in active structural control with wireless sensor network," Structural Control and Health Monitoring, vol. 23, no. 1, pp. 20-34, 2016.
7. E. Linderman, Smart wireless control of civil structures. University of Illinois at Urbana-Champaign, 2013.
8. Y. Fallah and T. Taghikhany, "Time‐delayed decentralized H2/LQG controller for cable‐stayed bridge under seismic loading," Structural Control and Health Monitoring, vol. 20, no. 3, pp. 354-372, 2013.
9. A. Swartz and J. P. Lynch, "Strategic network utilization in a wireless structural control system for seismically excited structures," Journal of structural engineering, vol. 135, no. 5, pp. 597-608, 2009.
10. Ohtori, R. Christenson, B. Spencer Jr, and S. Dyke, "Benchmark control problems for seismically excited nonlinear buildings," Journal of engineering mechanics, vol. 130, no. 4, pp. 366-385, 2004.
11. J. Dyke, F. Yi, S. Frech, and J. D. Carlson, "Application of Magnetorheological Dampers to Seismically Excited Structures, 361," in Proceedings of the 17th International Modal Analysis Conference, vol. 3727, p. 410, March 1999.
12. Spencer Jr, S. Dyke, M. Sain, and J. Carlson, "Phenomenological model for magnetorheological dampers," Journal of engineering mechanics, vol. 123, no. 3, pp. 230-238, 1997.
13. Fazaeli Hosseini Nejad and A. Karamodin, "Semi-active control of three-story benchmark structure using LQG algorithm with a fuzzy-genetic system," Journal of Structural and Construction Engineering, vol. 9, no. 5, pp. 107-123, 2022 .(in Persian)