Enhancing Earthquake Performance of Civil Structures Via Structural Control

Abstract

In this study, two different benchmark buildings (3 and 20-story) are employed to attenuate structural responses under seismic disturbances. As control devices, active (actuators), semi-active (Magneto-rheological dampers), passive (Tuned mass dampers and Friction Pendulum Bearings), and hybrid controllers are utilized. The 3-story structure is modeled linearly and employed to apply to different control strategies. Some control algorithms: LQR, PDD-state-feedback, pole-placement, $H_{\infty}$, $ H_2 $, are used with active and semi-active control devices. As passive devices, TMDs and FPBSs are utilized on the nominal-linear model. Thereafter, hybrid controllers are employed: one composed of a TMD and actuator/MRD and one composed of an FPBS and actuator/MRD. A robust controller, $\mu$-synthesis, is employed to control the same linear structure having uncertainties in mass, stiffness, and damping matrices within reasonable ranges. A nonlinearly-modeled 20-story benchmark structure is employed to implement passive and hybrid control strategies. As passive devices, STMD and MTMD setups are employed. Further, a robust control algorithm is used through an actuator serially connected to the STMD. Subsequently, variations caused by nonlinearities are determined. These variations are regarded as uncertainties, and the $\mu$-synthesis is utilized in the design of a robust controller on a truncated linear model. Then, the designed robust control is employed to control the 20-story benchmark structure modeled nonlinearly. The structural responses in both frequency and time domains are discussed. Matlab, Python, and OpenSees framework (Tcl/Tk) were employed to realize all linear and nonlinear simulations throughout the study.

Bu çalışmada, sismik yükler altında yapısal tepkileri hafifletmek için iki farklı tipte kıyaslama binası (3 ve 20 katlı) kullanılmıştır. Kontrol cihazları olarak aktif (aktüatörler), yarı aktif (manyeto-reolojik damperler), pasif (ayarlanmış kütle sönümleyicileri ve sürtünmeli sarkaç yatakları) ve hibrit kontrolörler kullanılmaktadır. Farklı kontrol stratejilerini uygulama amacıyla, 3 katlı yapı doğrusal modellenmiştir. Aktif ve yarı aktif kontrol cihazları kullanılırken, LQR, PDD durum geri bildirimli, kutup-yerleştirme, $H_{\infty}$, $ H_2 $ kontrol algoritmaları uygulanmıştır. Pasif cihazlar olarak, nominal-doğrusal modelde TMD'ler ve FPBS'ler kullanılmıştır. Kullanılan kontrölörlere ek olarak, hibrit kontrolörler: Bir TMD ve aktüatör/MRD'den oluşan, ve bir FPBS ve aktüatör/MRD'den oluşan iki farklı model kullanılmıştır. Makul aralıklar içinde kütle, rijitlik ve sönümleme matrislerinde belirsizliklere sahip aynı doğrusal yapının deprem performansını arttırmak için gürbüz bir kontrolör olan $\mu$-sentez kullanılmıştır. Tezin son kısmında, pasif ve hibrit kontrol stratejilerini uygulamak için doğrusal olmayan 20 katlı bir kıyaslama yapısı modellenmiştir. STMD ve MTMD pasif kontrolör konfigurasyonları kullanılmıştır. Ayrıca, STMD'ye seri olarak bağlanmış bir aktüatör aracılığıyla gürbüz bir kontrol algoritması kullanılır. Bunun için, doğrusal olmama durumlarının neden olduğu varyasyonlar kestirilmiş ve bu varyasyonlar belirsizlik aralığının tespitinde kullanılmıştır. Elde edilen belirsizlikleri içeren 20 katlı doğrusal yapı için denetleyici tasarımında bir $ \mu -$ sentezinden faydalanılmıştır. Daha sonra, doğrusal olmayan şekilde modellenen 20 katlı kıyaslama yapısını kontrol etmek için tasarlanan gürbüz kontrolör kullanılır. Sonuç olarak, doğrusal olmayan temelli belirsizlikler için gürbüz bir kontrol elde edilir. Son olarak, hem frekans hem de zaman alanlarındaki yapısal tepkiler tartışılır. Çalışma boyunca, tüm doğrusal ve doğrusal olmayan simülasyonları gerçekleştirmek için Matlab, Python ve OpenSees (Tcl/Tk) kullanılmıştır.