Karunaratne, Nivithigala P.K.V.;Thambiratnam, David P.;Perera, Nimal J.
Earthquakes and Structures
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제11권6호
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pp.1001-1025
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2016
Building structures generally have inherent low damping capability and hence are vulnerable to seismic excitations. Control devices therefore play a useful role in providing safety to building structures subject to seismic events. In recent years semi-active dampers have gained considerable attention as structural control devices in the building construction industry. Magneto-rheological (MR) damper, a type of semi-active damper has proven to be effective in seismic mitigation of building structures. MR dampers contain a controllable MR fluid whose rheological properties vary rapidly with the applied magnetic field. Although some research has been carried out on the use of MR dampers in building structures, optimal design of MR damper and combined use of MR and passive dampers for real scale buildings has hardly been investigated. This paper investigates the use of MR dampers and incorporating MR-passive damper combinations in building structures in order to achieve acceptable levels of seismic performance. In order to do so, it first develops the MR damper model by integrating control algorithms commonly used in MR damper modelling. The developed MR damper is then integrated in to the seismically excited structure as a time domain function. Linear and nonlinear structure models are evaluated in real time scenarios. Analyses are conducted to investigate the influence of location and number of devices on the seismic performance of the building structure. The findings of this paper provide information towards the design and construction of earthquake safe buildings with optimally employed MR dampers and MR-passive damper combinations.
본 논문에서는 작동유의 최대 동점성 계수가 400cSt까지 변하는 조건에서 항공기 도어 댐퍼용 칼날형 댐핑 오리피스를 설계하였다. 전산 유동 해석과 실험을 통하여 칼날 오리피스의 유량계수를 분석하였고, 오리피스의 크기와 칼날 각도, 유동방향, 레이놀즈수가 미치는 영향을 고려하였다. 이 결과를 바탕으로 오리피스의 크기에 따라 댐퍼의 성능 기준을 충족시키기 위해 제한해야 하는 댐퍼의 쿨롱 마찰력 범위를 유도하였다.
한국지진공학회 2000년도 추계 학술발표회 논문집 Proceedings of EESK Conference-Fall 2000
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pp.496-500
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2000
대형 구조물의 진동제어를 위하여 MR 유체 댐퍼를 사용한 반능동 제어기법에 대하여 연구하였다. 기존에 많이 사용되고 있는 수동제어기법은 일단 제어장치를 설치한 후에는 구조물에 실제로 작용하고 있는 외부 하중의 현재 특성에 대해서 적절히 반응할 수 없다는 제한을 가지고 있으며, 이를 극복하기 위하여 연구되어온 능동제어기법은 구조물이 진동을 감소시키기 위하여 구조물에 직접적으로 가해지는 커다란 제어력을 요구하며, 이로 인해 경우에 따라서는 불안정한 상태가 유발될 수도 있다는 점이 단점으로 지적되고 있다. 최근에 Spencer 등은 반능동 제어기법을 제안하였는데, 이는 수동제어장치의 제어특성을 On-Line 으로 조절하는 방식으로서 제어 가능한 수동제어기법으로도 불리운다. 구조물의 진동제어에 필요한 제어력이, 특수한 제어기구에서 발생되는 인위적인 힘이 아니라, 적절한 구조부재에서 발생되는 자연적인 부재력이므로, 무엇보다 강인하고 신뢰할 수 있는 제어기법이며, 이때 제어장치의 구조적 특성을, 측정된 구조물의 응답에 맞추어 적절히 조절함으로써 다양한 외부하중에 대해 보다 효율적인 제어가 이루어질 수 있도록 한 방법이다. 반능동제어를 위한 제어기로서는 Variable Orifice Dampers, Friction Controllable Isolators, Variable Stiffness Devices, Electro-Rheological (ER) Fluid Damper, Magneto-Rheological(MR) Fluid Damper등이 제안되고 있으며, 본 논문에서는 반응속도가 빠르고, 적은 파워만을 요구하며, 커다란 제어력을 낼 수 있는 MR Damper를 사용하여 지진하중을 받는 구조물의 반능동 제어게 대하여 연구하였다. MR Damper의 특성이 비선형이므로 이에 적합한 Sliding Mode Fuzzy Control(SMFC)기법을 사용하였으며 이때 SMFC 의 최적 설계를 위하여 Genetic Algorithm을 적용하였다. 제안된 제어기법의 실제 적용성을 검증하기 위하여 기존이 제어결과와 비교 검토하였으며, 그 결과로부터 MR Damper를 사용한 반능동 제어기법이 구조물의 진동제어에 매우 효과적임을 확인할 수 있었다.
This paper presents results from an investigation of the structural behaviour of a very slender 90 m high steel chimney erected at V$\ddot{a}$xj$\ddot{o}$ in southern Sweden in 1995. The chimney is equipped with a mechanical friction-type damper at the top. Due to a mistake during erection and installation of the chimney the transport fixings of the damper were not released properly and the chimney developed extensive oscillations in the very first period of service. This caused a great number of fatigue cracks to occur within a few months of service. After the functioning of the damper had been restored and the fatigue cracks were repaired an extensive program was initiated in 1996 to monitor the structural behaviour of the chimney under wind loading. In the investigation data were collected for more than six years of continuous measurements and regular observations of the chimney. The data obtained have some general relevance with respect to wind data, behaviour of a slender structure under wind loading, and the effect of a mechanical damper. Also some theoretical studies were performed as part of the investigation of the chimney.
Long steel stay cables, which are mainly used in cable-stayed bridges, are easy to vibrate because of their low inherent damping characteristics. A lot of methods for vibration reduction of stay cables have been developed, and several techniques of them have been implemented to real structures, though each has its limitations. Recently, it was reported that smart (i.e. semi-active) dampers can potentially achieve performance levels nearly the same as comparable active devices with few of the detractions. Some numerical and experimental studies on the application of smart damping systems employing an MR fluid damper, which is one of the most promising smart dampers, to a stay cable were carried out; however, most of the previous studies considered only one specific control algorithm in which they are interested. In this study, the performance verification of MR fluid damper-based smart damping systems for mitigating vibration of stay cables by considering the four commonly used semi-active control algorithms, such as the control algorithm based on Lyapunov stability theory, the maximum energy dissipation algorithm, the modulated homogeneous friction algorithm and the clipped-optimal control algorithm, is systematically carried out to find the most appropriate control strategy for the cable-damper system.
The vertical extension of a building in general remodeling process increases both gravity and seismic loads by simply adding masses to the building. In this study, a vertical extension structural module(VESM) is proposed for enhancing seismic performance of the existing buildings by utilizing the story-increased parts. The proposed VESM is composed of steel column, steel beam, and beam-end rotational damper. The steel columns are connected to the shear walls and transfer the wall rotation in out-of plane to the steel beam, and then the beam-end rotational damper dissipates the earthquake-induced energy. Numerical analysis result from a cantilever beam of which end-rotation is restricted by rotational damper indicates that the displacement, base shear, and base overturning moment of the existing structures showing cantilever behavior can be significantly reduced by using the proposed method. Also, it is observed that friction-type rotational damper is effective than viscous one.
Semi-submersible drilling rigs are offshore plants that perform functions such as ocean exploration for oil and gas acquisition, drilling and production, and storage and unloading of crude oil and gas. Semi-submersible drilling rigs use watertight dampers as emergency buoyancy holders. Since the watertight damper is an emergency shutoff device, it is mainly driven by a pneumatic driving system that can operate without a power supply. The pneumatic driving system has highly non-linear characteristics due to compressibility of air and external disturbance such as static and Coulomb friction. In this paper, a new control algorithm is proposed for a watertight damper driving system based on the sliding mode control with a disturbance observer. To evaluate control performance and robust stability of the designed controller, the control results were compared with the results obtained using the state feedback controller. As a result, it was confirmed that the pneumatic driving system for driving the watertight damper using the sliding mode controller with a disturbance observer can obtain excellent control performance against the parameter changes and the disturbance input.
This study dealt with investigating the seismic performance of the smart and shape memory alloy (SMA) and magnets plus rubber-spring (MRS) dampers and their effects on the seismic resistance of multiple-span simply supported bridges. The rubber springs in the MRS dampers were pre-compressed. For this aim, a set of experimental works was performed together with developing nonlinear analytical models to investigate dynamic responses of the bridges subjected to earthquakes. Fragility analysis and probabilistic assessment were conducted to assess the seismic performance for the overall bridge system. Fragility curves were then generated for each model and were compared with those of as-built. Results showed dampers could increase the seismic capacity of bridges. Furthermore, from system fragility curves, use of damper models reduced the seismic vulnerability in comparison to the as-built bridge model. Although the SMA damper showed the best seismic performance, the MRS damper was the most appropriate one for the bridge in that the combination of magnetic friction and pre-compressed rubber springs was cheaper than the shape memory alloy, and had the similar capability of the damper.
The Hybrid Mass Damper (HMD) has proven effective in mitigating vibrations in high-rise structures subject to seismic and wind-induced excitations. One derivative configuration of the HMD mounts an Active Mass Damper (AMD) atop a Tuned Mass Damper (TMD). However, the control efficacy of such HMDs may be compromised when confronted with loads that exceed their design parameters. Additionally, the confined structural space within high-rise structures often limits the feasibility and economic viability of retrofitting HMD systems. This study introduces an Acceleration-based Fuzzy Power Approach Rate Sliding Mode Control (AFP-SMC) algorithm aimed at enhancing the control efficacy of HMDs while minimizing their stroke and force output requirements. Employing the Canton Tower as a research prototype, an analytical model incorporating HMDs was established, and a comparative analysis between the AFP-SMC and Linear Quadratic Gaussian (LQG) control algorithms was conducted for efficacy. The control performance of the AFP-SMC control algorithm under different control parameter variations was investigated. Furthermore, by experimentally assessing the AMD subsystem within the Canton Tower, friction and ripple force formulas were derived to bolster the analytical model, thereby validating the robustness of the AFP-SMC algorithm. The results show that the proposed AFP-SMC algorithm effectively reduces the vibration response of the structure and the stroke and control force output of HMDs, and exhibits superior overall control performance and robustness compared to the LQG algorithm.
This paper presents the result of a comparison study to evaluate the performance of several semi-active control algorithms for use with large-scale MR damper applied to a building structure under seismic excitation using real-time hybrid test method. Recently, a variety of semi-active control algorithm studies are developed and generally evaluated the performance by using numerical analysis. In this paper real-time hybrid test method was applied to performance evaluating of semi-active control algorithms including a clipped optimal algorithm and the modulated homogeneous friction algorithm.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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