Hierarchical semiactive control of base-isolated structures
Authors:   , Bahar Arash 
Published: October 2023

En la ingeniería estructural, uno de los desafíos constantes es encontrar nuevas formas de proteger las estructuras de las fuerzas medioambientales. El aislamiento sísmico se ha mostrado como una forma efectiva de reducir la respuesta de la estructura principal y de mitigar el daño de equipos o elementos secundarios. Una desventaja de la mayoría de los sistemas de aislamiento se hace evidente en el caso de estructuras sometidas a terremotos cercanos. Estos suelen producir grandes deformaciones en los aisladores que pueden llegar a poner en peligro la estabilidad de la estructura. Para evitar esto se ha sugerido combinar aisladores con dispositivos adicionales de disipación de energía (sistema hibrido). En este contexto, se ha potenciado significativamente el interés por incorporar dispositivos cuyas propiedades se pueden ajustar en tiempo real durante un terremoto. Este tipo de sistemas se denominan semi-activos. Las fuerzas de control en los sistemas semi-activos se aplican como resultado del movimiento propio de la estructura. La fuerza en cuestión puede modificarse únicamente mediante el ajuste de ciertas propiedades mecánicas de los actuadores semi-activos. Además, las fuerzas de control actúan siempre en el sentido de oponerse al movimiento del sistema estructural y por tanto garantizan la estabilidad global de la estructura.
Específicamente, los amortiguadores magnetoreològicos (MR) parecen tener un buen potencial para avanzar en la aceptación del control estructural como una forma viable de atenuar el riesgo de las estructuras frente a cargas dinámicas. Sin embargo, debido a la inherente no linealidad de los amortiguadores MR, el primer paso en el diseño de una estrategia de control semi-activo es el desarrollo de un modelo matemático adecuado. Aquí, la identificación de sistemas juega un papel clave. La naturaleza de esta investigación es multidisciplinar porque trata con dos conceptos, la identificación de un dispositivo mecánico (amortiguador MR) y la solución de un problema de control estructural en una perspectiva de ingeniera civil. Como primer paso, se ha desarrollado un nuevo modelo, basado en el modelo Bouc-Wen normalizado, para describir el comportamiento de una gama más amplia de amortiguadores MR, de manera especial los que pueden ser más eficaces en el control de estructuras de ingeniería civil (amortiguadores MR de gran escala). Basado en este modelo, se ha extendido un método de identificación de los parámetros. La validación del método de identificación se ha llevado a cabo sobre un modelo caja negra de un amortiguador MR que es parte de un modelo numérico de edificio muy utilizado como banco de pruebas en la comunidad de investigadores en control estructural. La versatilidad del método se ha probado utilizando el amortiguador de MR en forma semi-activa, con un voltaje variable y operando en el edificio bajo la excitación de terremotos. Posteriormente, basado en el modelo Bouc-Wen extendido, se ha propuesto un nuevo modelo inverso para amortiguadores MR, el cual permite calcular el voltaje requerido para manipular los amortiguadores.
Finalmente, se ha presentado una estrategia jerárquica de control semi-activo Esta estrategia consta de cuatro pasos aplicados en tiempo real en cada instante de control:
1. Calcular la fuerza de control deseada global para ser aplicada en la base de la estructura.
2. Determinar la fuerza total que se está aplicando en instante de control actual por el conjunto de amortiguadores MR. Si esta fuerza es más pequeña que la fuerza deseada y tienen el mismo signo, esto significa que los amortiguadores MR necesitan aplicar más fuerza de amortiguamiento y entonces se va al paso 3. De lo contrario el voltaje de los amortiguadores MR se pone en 0.
3. Determinar el número de amortiguadores MR que están aplicando fuerza en la misma dirección que la fuerza de control deseada.
4. Calcular el voltaje a aplicar a cada amortiguador MR usando el modelo inverso.
El método (algoritmo) completo se ha simulado en el edificio tridimensional de pruebas utilizado por la comunidad de control estructural como modelo realista para experimentos numéricos de control de la respuesta sísmica. Los índices de rendimiento obtenidos muestran que el método semi-activo propuesto puede mejorar eficazmente el rendimiento del edificio bajo diferentes terremotos.
In structural engineering, one of the constant challenges is to find new better means of protecting structures from destructive environmental forces. One approach is seismic isolation, which has shown to not only reduce the response of the primary structure, but also reduce damage to equipment and other non-structural secondary elements. A drawback of most isolation systems appears when one considers the response of isolated structures subjected to earthquakes characterized by near-field motions. Such motions are likely to produce large isolation deformations, which may lead to buckling or rupture of isolators. To control these large deformations one way is to utilize supplemental dampers together with the isolation system (a hybrid system). However the benefits of isolation system may be significantly reduced for both moderate and strong earthquakes due to the transfer of energy into higher modes which can result in increased interstory drift and floor accelerations. One approach to improve the performance of an isolation system is to incorporate devices within the isolation system whose properties can be adjusted in real-time during earthquakes. Such devices are referred to as semi-active. The control forces in semi-active systems are developed as a result of the motion of the structure itself. They can only be modified through appropriate adjustment of mechanical properties of semi-active devices.
Furthermore, the control forces act to oppose the motion of the structural system and therefore promote the global stability of the structure.
Specifically the MR dampers appear to have significant potential to advance the acceptance of structural control as a viable means for dynamic hazard mitigation. However, because of the inherent nonlinearity of MR dampers, the first step in the design of a semiactive control is the development of an accurate model of the MR device. The system-identification issue plays a key role in control problems.
The nature of this research is multidisciplinary because it deals with two concepts, identification of a mechanical device (MR damper) as well as a structural control problem in a civil engineering perspective. As a first step, a new Bouc-Wen based normalized model has been developed to study the behavior of a wider range of MR dampers, specially the devices which can be more effective in the vibration control of real civil engineering structures (large-scale MR dampers). Based on this new model, an extension of a parameter identification method for MR dampers has been proposed. This extension allows to identify a larger class of MR dampers more accurately. The validation of the parameter identification method has been carried out using a black-box model of an MR damper that is a part of a smart base-isolated benchmark building model available in the community of researchers in structural control. The versatility of the parameter identification method has been tested using the MR damper as a semi-active device under time-varying voltage and earthquake excitation. Then, based on the proposed extended Bouc-Wen based normalized model, a new inverse model for MR dampers has been proposed. If two additional practical physical constraints are satisfied, then the voltage of the MR dampers can be manipulated by the inverse model.
Finally, a hierarchical semi-active control strategy for the control of the vibration response of the isolated buildings equipped with a set of parallel MR dampers has been presented. This strategy consists of four steps applied in real time at each control instant:
1. Compute the overall desired control force to be applied at the base of the structure.
2. Determine the total force applied at the current control instant by the set of MR dampers. If this force is smaller than the desired force and they have the same sign, this means that the MR dampers need to apply more damping force and go to step 3.
Otherwise the voltage of the MR dampers is set to 0.
3. Determine the number of dampers that are applying force in the same direction as the desired control force.
4. Compute the corresponding command voltage for each MR damper using the inverse model.
The whole method is simulated by considering the three-dimensional smart base isolated benchmark building which is also used by the structural control community as a state-of-the-art model for numerical experiments of seismic control attenuation. The resulted performance indices demonstrate that the proposed semi-active method can effectively improve the performance of the building under earthquake loading