Optimization of control forces of a hybrid system based on TMDI and magnetorheological dampers for the reduction of response in structures subject to seismic excitations

Abstract

Mitigating structural vibrations induced by dynamic loads is a critical area of research in structural engineering. Control strategies like passive, semi-active, active, and hybrid offer varying levels of effectiveness, but each has inherent limitations. This investigation proposes a hybrid control system that integrates a Tuned Mass Damper Inerter (TMDI) with a Magnetorheological (MR) damper, managed by a Whale Optimization Algorithm (WOA) combined with fuzzy logic control (FLC). The TMDI enhances energy dissipation through an optimized inertial mechanism, while the MR damper provides adaptable real-time damping with minimal energy consumption. The WOA optimizes the TMDI design parameters and determines the optimal control forces for the MR damper. At the same time, fuzzy logic dynamically adjusts the activation of the MR damper based on structural response variations. The results demonstrate that the proposed hybrid system achieves an important reduction in the structural response. By selectively activating MR dampers only when necessary, the system prevents unnecessary stiffness increases and reduces energy consumption, operational costs, and maintenance requirements. These findings highlight the potential of hybrid control strategies in achieving efficient and effective structural vibration mitigation, making them a promising solution for improving seismic resilience while optimizing energy efficiency.

La mitigación de las vibraciones estructurales inducidas por cargas dinámicas es un área de investigación crucial en la ingeniería estructural. Las estrategias de control, como las pasivas, semiactivas, activas e híbridas, ofrecen distintos niveles de efectividad, pero cada una presenta limitaciones inherentes. Esta investigación propone un sistema de control híbrido que integra un Tuned Mass Damper Inerter (TMDI) con un amortiguador magnetoreológico (MR), gestionado mediante un Algoritmo de Optimización de la Ballena (WOA) combinado con control difuso (FLC). El TMDI mejora la disipación de energía a través de un mecanismo inercial optimizado, mientras que el amortiguador MR proporciona amortiguamiento adaptable en tiempo real con un consumo mínimo de energía. El WOA optimiza los parámetros de diseño del TMDI y determina las fuerzas de control óptimas para el amortiguador MR, mientras que el control difuso ajusta dinámicamente su activación en función de las variaciones en la respuesta estructural. Los resultados demuestran que el sistema híbrido propuesto logra una reducción significativa en la respuesta estructural. Al activar selectivamente los amortiguadores MR solo cuando es necesario, el sistema evita incrementos innecesarios de rigidez y reduce el consumo energético, los costos operativos y los requerimientos de mantenimiento. Estos hallazgos destacan el potencial de las estrategias de control híbrido para lograr una mitigación eficiente y efectiva de las vibraciones estructurales, lo que las convierte en una solución prometedora para mejorar la resiliencia sísmica y optimizar la eficiencia energética.