کاربرد میراگر جرمی آلیاژ حافظه‌دار در کنترل ارتعاشات سکوی دریایی ثابت

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار عضو هیات علمی دانشکده مهندسی عمران دانشگاه علم و صنعت

2 دانشجوی دکتری مهندسی عمران، موسسه آموزش عالی اقبال لاهوری، مشهد، ایران

3 استاد دانشگاه سیستان و بلوچستان, دانشکده مهندسی شهید نیکبخت

4 استادیار مهندسی عمران، دانشکده فنی مهندسی، موسسه آموزش عالی آل طه، تهران، ایران

چکیده

در این تحقیق سعی بر این است که بتوان با استفاده از یک جاذب‌ دینامیکی جدید و کارا، لرزش‌های سکوی دریایی مرتعش شده توسط امواج را کنترل نمود. در دو دهه اخیر، تولید مواد هوشمند و کاربرد آنها در طراحی ابزارهای کنترلی پیشرفت قابل ملاحظه‌ای داشته است. آلیاژهای حافظه‌دار یکی از این مواد هوشمند بوده و قابلیت زیادی در مستهلک نمودن ارتعاشات دارند. بنابراین، در تحقیق پیش‌رو، از میراگر جرمی آلیاژ حافظه‌دار در کنترل ارتعاشات سکوی دریایی ثابت استفاده شده است. در این تحقیق، سکو و جاذب دینامیکی، به صورت سیستم چندین درجه آزادی جرم متمرکز مدل‌سازی شده و تاریخچه زمانی پاسخ‌های ارتعاش نیز با روش انتگرال‌گیری مستقیم برآورد گردیده‌اند. برای محاسبه نیروی میرایی سازه‌ای سیستم، روش میرایی رایلی توسعه‌یافته، و برای مدل‌سازی رفتار چرخه‌ای فنر آلیاژ حافظه-دار، مدل چندخطی ایده‌آل آن‌ها به کار گرفته شده است. به عنوان مطالعه موردی، یک سکوی فولادی با ارتفاع 90 متر به میراگر جرمی آلیاژ حافظه‌دار مجهز شده و پاسخ‌های ارتعاش آن، تحت برخورد چهار موج نامنظم، برآورد گردیده‌اند. کاهش میانگین انحراف ‌معیارهای جابحایی‌های عرشه، به مقدار 16 درصد و کاهش چگالی انرژی جابحایی‌های عرشه در شرایط تشدیدِ برخورد امواج با دوره بازگشت 2 سال، به مقدار 75 درصد، از نتایج تجهیز سکو به میراگر جرمی آلیاژ حافظه‌دار بهینه‌شده بوده‌اند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Application of Shape Memory Alloy Tuned Mass Damper in Vibration Control of Jacket type Offshore Structures

نویسندگان [English]

  • N Shabakhty 1
  • M. H Enferadi 2
  • M. R Ghasemi 3
  • H Varaee 4
1 School of Civil Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
2 Civil Engineering, Eqbal Lahoori Institute of Higher Education, Mashhad, Iran
3 Faculty of Civil Engineering, University of Sistan & Baluchestan, Zahedan,Iran
4 Civil Engineering, Ale- Taha Institute of Higher Education, Tehran, Iran
چکیده [English]

The effort has been made in this research to reduce the vibrations of the jacket platforms vibrated by irregular waves through dynamic vibration absorbers (DVAs). The production of intelligent materials and their application in the design of control devices have made significant progress in the past two decades. The shape memory alloy (SMA) is an intelligent material highly capable of damping vibrations. Hence, use has been made in this study, of the shape memory alloy tuned mass damper (SMA-TMD) to control the vibrations of the offshore jacket platforms. Here, the equations governing the platform/damper vibrations have been developed by simulating them as a multi-degree of freedom lumped mass system and analyzed by the direct integration method. To evaluate the structural damping force and the SMA hysteretic behavior, the extended Rayleigh damping model and idealized multi-linear constitutive model have been used, respectively. As a case study, a 90 m-high jacket platform (in 80 m-deep water) has been equipped with SMA-TMD and its dynamic responses have been estimated. An average decrease of 16 percent in the root mean square of the deck displacements and 75 percent reduction in the power spectral density function (in the resonance state) are the results of jacket platform equipped with optimized SMA-TMD.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Vibration Control
  • Offshore Jacket Platform
  • SMA-TMD
  • Idealized Constitutive Model
[1] Kandasamy, R. Cui, F. Townsend, N. Foo, C.C. Guo, J. Shenoi, A. Xiong, A. "A review of vibration control methods for marine offshore structures", Ocean Engineering. Vol. 127, pp. 279–297, Oct. 2016.

[2] Li, H.N. Huang, Z. Fu, X. Li G. "A re-centering deformation-amplified shape memory alloy damper for mitigating seismic response of building structures", Structural Control and Health Monitoring. Vol. 25(9), pp. 1-20, Jul. 2018.

[3] Jia, J. "Modern earthquake engineering: offshore and land-based structures (Hardback) ", Springr, Verlag Berlin Heidelberg, 2017.

[4] Vandiver, J.K. Mitome, S. "Effect of liquid storage tanks on the dynamic response of offshore platforms", Applied Ocean Research. Vol. 1(2), pp. 67-74, Apr. 1979.

[5] Kawano, k. Furukawa k. Venkataramana k. "Seismic response of offshore platform with TMD", 10th World Conference on Earthquake Engineering. Vol. 4, pp. 2241-2246, Madrid 1992.

[6] Zhang, B.L. Liu, Y.J. Ma, H. Tang, G.Y. "Discrete feedforward and feedback optimal tracking control for offshore steel jacket platforms", Ocean Engineering. Vol. 91, pp. 371–378, Nov. 2014.

[7] Rustighi, E. Bernnan, M.J. Mace, B.R. "A shape memory alloy adaptive tuned vibration absorber: design and implementation", Smart Material and Structures. Vol. 14(1), pp. 19-28, Nov. 2004.

[8]  Rustighi, E. Bernnan, M.J. Mace, B.R. "Real-time control of a shape memory alloy adaptive tuned vibration absorber", Smart Materials and Structures. Vol. 14, pp. 11184-1195, Sep. 2005.

[9] Huang, H. Chang, W.S. Mosalam, K.M. "Feasibility of shape memory alloy in a tuned mass damper to reduce excessive in-service vibration", Structural Control and Health Monitoring. Vol. 24(2), pp. 1-14, Feb. 2017.

[10] Nakamura, N. "Time history response analysis using extended Rayleigh damping model", Procedia Engineering. Vol. 199, pp 1472-1477, 2017.

[11] Hilber, H.M. Hughes, T.J.R. Taylor, R.L. "Improved numeric al dissipation for time integration algorithms in structural dynamics", Earthquake Engineering & Structural Dynamics. Vol. 5, pp. 283–292, July/September 1977.

[12] Ghasemi, M.R. Varaee, H. "Damping vibration-based IGMM optimization algorithm: fast and significant", Soft Computing. Vol. 2017,  pp. 1-31, Sep. 2017.

[13] Ozbulut, O.E. Roschke, P.N. Lin, P.Y. Loh, C.H. "GA-basded optimum design of a shape memory alloy device for seismic response mitigation", Smart Material and Structures. Vol. 19, pp. 1-14, Apr. 2010.

[14] MohdJani, J. Leary, M. Subic, A. Gibson, M.A. "A review of shape memory alloy research, Applications and Opportunities", Materials and Design. Vol. 56, pp. 1078–1113, Apr. 2014.

[15] Qian, H. Li, H. Song, G. Guo, W. “Recentering shape memory alloy passive damper for structural vibration control”, Mathematical Problems in Engineering, Vol. 2013.

[16] Song, G., Ma, N., Li, H.N., Applications of shape memory alloys in civil structures, Engineering Structures, Vol. 28, pp. 1266–1274, 2006.

[17] Hedayati Dezfuli, F. Shahria Alam, M. “Hysteresis model of shape memory alloy wire-based laminated rubber bearing under compression and unidirectional shear loadings”, Smart Materials and Structures, Vol. 24, pp. 1-19, 2015.

[18] Nasseri, T. Shabakhty, N. Afshar, M.H. "Study of fixed jacket offshore platform in the optimization design process under environmental loads", International Journal of Maritime Technology. Vol. 2, pp. 75-84, Sep. 2014.

[19] Ghodke, S. Jangid, R.S. "Equivalent linear elastic-viscous model of shape memory alloy for isolated structures", Advances in Engineering Software. Vol. 99, pp. 1-8, Sep. 2016.

[20] Asgarian, B. Moradi, S. "Seismic response of steel braced frames with shape memory alloy braces", Journal of Constructional Steel Research. Vol. 67, pp. 65-74, Jan. 2011.

[21] Enferadi, M.H. Ghasemi, M.R. Shabakhty, N. “Wave-induced vibration control of offshore jacket platforms through SMA dampers”, Applied Ocean Research, Vol. 90, pp. 1-13, 2019.

[22] جهانمرد، وحیدرضا، دستان، محمدعلی، تابش­پور، محمدرضا، سیف محمدسعید، مهدی­قلی، تولید رکورد تاریخچه زمانی امواج بر مبنای طیف حاصل از شرایط حدی منظقه خلیج فارس در دوره بازگشت­های مختلف، پنجمین همایش بین المللی صنایع فراساحل، تهران، انجمن مهندسی دریایی ایران، اردیبهشت 1391.

[23] Matsagar, V. " Advances in structural engineering: Dynamics, volume two ", Springer, India, 2015.