نشریه علمی سازه و فولاد

نشریه علمی سازه و فولاد

کاربرد الگوریتم بهینه‌سازی پرندگان شکاری (BPBO) در تعیین پارامترهای بهینه میراگرهای جرمی تنظیم‌شده برای کنترل لرزه‌ای سازه‌ها

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشکدگان فنی دانشگاه تهران، دانشکده مهندسی عمران
چکیده
امروزه توجه قابل‌ملاحظه‌ای به توسعۀ روش‌های کنترل ارتعاشات لرزه‌ای سازه‌ها معطوف شده است. در میان کلیۀ تجهیزات میراکنندۀ ارتعاشات، میراگر جرمی تنظیم‌شده، به‌دلیل سادگی مکانیکی، مقرون‌به‌صرفه‌بودن و عملکرد قابل‌اطمینان، یکی از فناوری‌های مناسب محسوب می‌شود. عملکرد مطلوب این سامانه‌ها به انتخاب بهینۀ پارامترهای جرم، سختی و میرایی وابسته است. در مطالعۀ حاضر با هدف غلبه بر این چالش و یافتن مقادیر ایده‌آل پارامترهای میراگر، تحت اثر زلزله، از الگوریتم بهینه‌سازی پرندگان شکاری (BPBO)، به‌عنوان یک روش نوین و اثربخش در این عرصه، بهره گرفته شده است. در این پژوهش، بهبود عملکرد میراگر با دو معیار کاربردی ارزیابی شده است: 1- کاهش بیشینه جابه‌جایی بام؛ 2- کاهش جذر میانگین مربعات بیشینه جابه‌جایی تمامی طبقات.
نتایج تحلیل‌ها نشان می‌دهد استفاده از پارامترهای بهینۀ استخراج‌شده توسط BPBO منجربه کاهش معنی‌دار پاسخ لرزه‌ای نسبت به حالت بدون میراگر و همچنین نسبت به مقادیر تنظیم کلاسیک می‌شود. با استفاده از روش حاضر، میانگین کاهش جابه‌جایی برای معیار اول به حدود 3/38 درصد و برای معیار دوم به حدود 5/38 درصد رسیده است. همچنین کاهش بیشینه جابه‌جایی بام برای معیار اول 5/36 درصد و برای معیار دوم 4/36 درصد محاسبه شده است. این ارقام در مقایسه با یافته‌های مطالعات گذشته، بهبود چشم‌گیری را نمایان می‌سازد و گویای توانایی بالاتر روش پیشنهادی در استهلاک انرژی زلزله و کنترل جابه‌جایی‌های سازه است. بررسی همگرایی الگوریتم نیز کارایی مناسب آن را در مسائل بهینه‌سازی غیرخطی سازه‌ای نشان می‌دهد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Applying the Birds of Prey-Based Optimization Algorithm (BPBO) to Find Optimal Parameters of Tuned Mass Dampers for Seismic Control of Structures

نویسندگان English

Habibollah Ahmadi
S.M. Zahrai
Department of Civil Engineering, University of Tehran
چکیده English

In recent years, structural vibration control has received considerable attention as an effective strategy for mitigating seismic responses in buildings. Among various passive control devices, the Tuned Mass Damper (TMD) has emerged as one of proper solutions due to its mechanical simplicity, cost-efficiency, and reliable performance. The effectiveness of a TMD, however, strongly depends on the proper selection of its design parameters, including mass, stiffness, and damping ratio. Determining these optimal parameters remains a critical and challenging task in structural control design. To address this issue, the present study employs the Birds of Prey-Based Optimization (BPBO) algorithm, a recently developed metaheuristic method inspired by the cooperative hunting strategies of predatory birds. The algorithm is applied to optimize the parameters of a TMD installed in a benchmark 10-story shear building model subjected to seismic excitation. Two objective functions are considered: (1) minimizing the maximum roof displacement and (2) minimizing the overall structural drift, quantified using the root mean square (RMS) of peak floor displacements. 
Numerical simulations indicate that the BPBO-optimized TMD achieves significant reductions in structural response. The average displacement reduction reaches approximately 38.3% for the first objective function and 38.5% for the second. In addition, the maximum roof displacement decreases by 36.5% and 36.4%, respectively. These findings demonstrate the effectiveness and robustness of the BPBO algorithm in identifying optimal TMD parameters and highlight its potential as a competitive optimization tool for seismic vibration control applications. The convergence analysis further confirms the algorithm’s efficiency and reliability in solving nonlinear structural optimization problems.

کلیدواژه‌ها English

Passive Control
Tuned Mass Damper
Metaheuristic Algorithms
Birds of Prey-Based Optimization Algorithm
Control of Vibration
[1] Frahm, H., (1911), “Device for damping vibrations of bodies”, U.S. Patent 989,958.
[2] Den Hartog, J.P. (1956), “Mechanical Vibrations”, New York: McGraw Hill Inc.
[3] Sadek, F., Mohraz, B., Taylor, A.W., and Chung, R.M. (1997), "A method of estimating the parameters of tuned mass dampers for seismic applications", Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 26, pp.617-635.
[4] Lee, C.L., Chen, Y.T., Chung, L.L., and Wang, Y.P. (2006), “Optimal design the theories and applications of tuned mass dampers”, Engineering Structure. 28, pp.43-53.
[5] Pisal, A.Y. (2015), “Seismic response of multi-story structure with multiple tuned mass friction dampers”, International Journal of Advanced Structural Engineering. 7(1), pp.81-92.
[6] Salvi, J., and Rizzi, E. (2016), “Closed-form optimum tuning formulas for passive Tuned Mass Dampers under benchmark excitations”, Smart Structures and Systems, 17(2), pp.231-256.
[7] Salvi, J., and Giaralis, A. (2016), “Performance Assessment of a novel energy harvesting-enabled tuned mass-damper-inerter (EH-TMDI) for white noise-excited structures”, EACS 6th European Conference on Structural Control, 151.
[8] Monteiro, D.K., Matos, D.B.M., Costa, P.O.B., and Miguel, L.F.F. (2024), “Optimization of tuned mass dampers parameters using Artificial Neural Networks”, XLV Ibero-Latin American Congress on Computational Methods in Engineering (CILAMCE).
[9] Khazaei, M., Vahdani, R., and Kheyroddin, A. (2020), “Optimal location of multiple tuned mass dampers in regular and irregular tall steel buildings plan”, Shock and Vibration, (1), pp.9072637.
[10] Kaveh, A., Mohammadi, S., Hosseini, O., and Keyhani, A., (2015), "Optimum parameters of tuned mass dampers for seismic applications using charged system search", IJST, Transactions of Civil Engineering, 39(C1), pp.21-40.
[11] Kamgar, R., Samea, P., Khatibinia, M. (2017), “Optimizing parameters of tuned mass damper subjected to critical earthquake”, Journal of Structure Design Tall Special Build, 27(17), pp.1460-1476.
[12] Basili, M., Busato, F., and Angelis, M.D. (2024), “Integrated seismic and energetic rehabilitation of existing buildings based on the tuned mass damper concept”, Results in Engineering,.24, pp.103552.
[13] Akhlagh Pasand, A., and Zahrai, S.M. (2024), “Seismic Control of Tall Buildings by Vertically Distributed Multiple Tuned Mass Dampers”, Structure Design Tall Special Build, 33(14), pp.2123.
[14] Djerouni, S., Elias, S., Abdeddaim, M., and Rupakhety, R. (2025), “Multi-tuned mass damper inerter (MTMDI) system for earthquake-induced vibration control of buildings”, Engineering Structures, 322, pp.119-139.
[15] Hadi, M.N.S., and Arfiadi, Y. (1998), “Optimal design of absorber for MDOF structures”, Structural Engineering ،124(11), pp.1272–1280,
[16] Hatami, F., Saberi Hoseinabad, H., and Rahai, A. (2016), “Using improved harmony search algorithm (IHAS) for optimal designing of tuned mass dampers (TMD)”, Engineering Mechanics Institute Conference, EMI International Conference, ASCE.
[17] Ghasemi, M., Akbari, M.A., Zare, M., Mirjalali, S., Deriche, M., Abualigah, L., and Khodadadi, N. (2025), “Birds of prey-based optimization (BPBO): a metaheuristic algorithm for optimization”, Springer Science and Business Media LLC. 18(4), 88.
[18] Mohtasham, M., Kazem, S., Yavar, G., and Hossein, M. (2013), “Designing optimal multiple tuned mass dampers using genetic algorithms (GAs) for mitigating the seismic response of structures”, Journal of Vibration and Control, 19(4),  pp.1–21.
[19] Agathoklis, G., and Francesco, P. (2017), “Optimum design of the tuned mass-damper-inerter for serviceability limit state performance in wind-excited tall buildings”, Procedia Engineering, 199 pp.1773–1778.
[20] Lavan, O. (2017), “Multi-objective optimal design of tuned mass dampers”,  Journal of Structure and Control Health Monit. 24(11).
[21] Gebrail, B., Sinan, M., and Xin-She, Y. (2018), “A novel bat algorithm based optimum tuning of mass dampers for improving the seismic safety of structures”, Journal of Engineering Structures, 159, pp.89–98
[22] Yang, F., Sedaghati, R., and Esmailzadeh, E. (2021), “Vibration suppression of structures using tuned mass damper technology: A state-of-the-art review”, Journal of Vibration and Control, 28(7-8), pp.812-836. 
[23] Wang, L., Nagarajaiah, S., Shi, W., and Zhou, Y. (2022), “Seismic performance improvement of base-isolated structures using a semi-active tuned mass damper”, Engineering Structures, 271, pp.114963.
[24] Cao, H. (2025), “Double tuned mass damper with a grounded inerter for structural vibration control”, Journal of Vibration and Control.
[25] MathWorks. (2024), MATLAB (Version R2024b) [Computer software]. Natick, MA: The MathWorks Inc.

  • تاریخ دریافت 03 دی 1404
  • تاریخ بازنگری 25 اسفند 1404
  • تاریخ پذیرش 10 اردیبهشت 1405
  • تاریخ اولین انتشار 10 اردیبهشت 1405
  • تاریخ انتشار 01 دی 1404