مهندسی سازه و ساخت

مهندسی سازه و ساخت

مقایسه کمی میزان دقت روش شتاب مرتبه 3 با دیگر روشهای عددی-بررسی موردی سیستم های دو درجه آزاد خطی

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان
1 استادیار، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه قم، قم، ایران
2 دانشجوی کارشناسی ارشد سازه، دانشکده فنی مهندسی،دانشگاه قم،قم،ایران
چکیده
در این مقاله، روش عددی شتاب مرتبه 3 ارائه گردیده است. فرض اساسی این روش این است که تغییرات شتاب در بازه زمانی Δt به صورت یک چندجمله ای درجه سوم می باشد. برای مقایسه کمی میزان خطای این روش با دیگر روشهای عددی، دو سیستم دو درجه آزاد خطی مورد بررسی قرار گرفتند. این دو سیستم بدون میرایی بودند. طبقات اول و دوم سیستم شماره 1 دارای جرم و سختی یکسان بودند، اما جرم طبقات اول و دوم سیستم شماره 2 با یکدیگر برابر اما سختی طبقه دوم سیستم شماره 2 یک هزارم سختی طبقه اول آن بود. برای دو سیستم 1 و 2 یک بازه‌ی مناسبی از فرکانس‌های بارگذاری سینوسی با توجه به فرکانس‌های ارتعاش طبیعی آنها انتخاب گردید. ابتدا پاسخ دقیق(تحلیلی) این دو سیستم برای هر فرکانس بارگذاری محاسبه گردید و سپس با استفاده از 8 روش عددی مطرح شده در این مقاله پاسخ تقریبی این دو سیستم محاسبه شد و مقادیر میانگین خطا و ضریب تغییرات خطا برای این هشت روش عددی به دست آورده شد. این هشت روش شامل روش شتاب مرتبه2، روش شتاب مرتبه 3، روش نیومارک (شتاب متوسط)، روش نیومارک (شتاب خطی)، روش ویلسون، روش تفاضل مرکزی، روش جنینگز و روش جنینگز ارتقاء یافته میگردید. مهم ترین نتایج به دست آمده از مقایسه ی میانگین خطا ها و ضریب تغییرات این روشها بدین صورت بود که در اکثر روش ها با افزایش t∆ ، میانگین خطا افزایش می یافت. همچنین، با افزایش t∆ ، میانگین خطای روش شتاب مرتبه ۳ نسبت به میانگین روش شتاب مرتبه ۲ کاهش چشمگیری داشت. علاوه بر این، روش جنینگز ارتقا یافته کمترین میانگین خطا را برای دو سیستم ۱ و ۲ برای تمام t∆ها داشت و برای روش های ویلسون و تفاضل مرکزی بیشترین میزان خطا برای t∆ های مختلف مشاهده گردید.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Quantitative comparison of the accuracy of the 3rd order acceleration method with other numerical methods - case study of linear two-degree-of-freedom systems

نویسندگان English

Masooud Mahmoudabadi 1
fateme ansari 2
fateme hatefi ardakani 2
1 Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Faculty of Technology and the University of Qom, Qom, Iran
2 Structural Master's student Faculty of Engineering, Qom University, Qom,, Iran
چکیده English

The 3rd order numerical acceleration method is presented. The basic assumption of this method is that the acceleration changes in the time interval Δt is a polynomial of the third degree. To quantitatively compare the error rate of this method with other numerical methods, two linear two-degree-of-freedom systems were investigated. The first and second floors of system 1 had the same mass and stiffness, but the mass of the first and second floors of system 2 were equal to each other, but the stiffness of the second floor of system 2 was one thousandth of the stiffness of the first floor. For systems 1 and 2, a suitable range of sinusoidal loading frequencies was selected according to their natural vibration frequencies. First, the exact (analytical) response of these two systems was calculated for each loading frequency, and then the approximate response of these two systems was calculated using the 8 numerical methods proposed in this article, and the average error values and the coefficient of error variation were calculated for these eight numerical methods. These eight methods include 2nd order acceleration method, 3rd order acceleration method, Newmark method (average acceleration), Newmark method (linear acceleration), Wilson method, central difference method, Jennings method and improved Jennings method. The most important results obtained from the comparison of the average errors of these methods were that in most methods, the average error increased with the increase of ∆t. Also, with the increase of ∆t, the average error of the 3rd order acceleration method significantly decreased compared to the average of the 2nd order acceleration method. In addition, the improved Jennings method had the lowest average error for both systems 1 and 2 for all ∆t, and for Wilson and central difference methods, the highest amount of error was observed for different ∆t.

کلیدواژه‌ها English

Dynamics of linear structures
weighted residual integral
direct time integration
root mean square error
coefficient of variation
[1] Gholampour, A.A., Ghasemiye, M., Fallahnejad, H. Direct Time Integration Method for Nonlinear Structural Problems”, Proceedings of the 6th National Congress on Civil Engineering, Semnan University, Iran, Semnan, Spring 2011.(in Persian)
[2] Chang, S. Y., “Accurate integration of nonlinear systems using Newmark explicit method”, Journal of Mechanics, 25(3), pp 289-297, 2009.
[3] Mahmoudabadi, M., Taghavi, B., Hassani, S.M.R., Hosseini, S.M.J., Improvement of the Jennings method using spline interpolation function for numerical calculation of the response coefficient of linear single-degree-of-freedom systems”, Journal of Earthquake Science and Engineering, Online publication:2023. (in Persian)
[4] Mahmoodabadi, M., Hosseini, S.M.J., Comparison nonlinear spectra of elastoplastic systems resulting from two excitation interpolation methods”, Ferdowsi Civil Engineering Journal, Vol. 36, No. 4 ,winter 2024.(in Persian)
[5] Chopra, A., “Dynamics of Structures: Theory and Applications to Earthquake Engineering”, 3rd ed., Prentice-Hall, Upper Saddle River, New Jersey,2007.

  • تاریخ دریافت 24 خرداد 1403
  • تاریخ بازنگری 30 مرداد 1403
  • تاریخ پذیرش 15 مهر 1403