Recent studies have discovered that a conventional passive isolation system may suffer from an excessive isolator displacement when subjected to a near-fault earthquake that usually has a long-period velocity pulse waveform. Semi-active isolation using variable friction dampers (VFD), which requires a suitable control law, may provide a solution to this problem. To control the VFD in a semi-active isolation system more efficiently, this paper investigates experimentally the possible use of a control law whose control logic is similar to that of the anti-lock braking systems (ABS) widely used in the automobile industry. This ABS-type controller has the advantages of being simple and easily implemented, because it only requires the measurement of the isolation-layer velocity and does not require system modeling for gain design. Most importantly, it does not interfere with the isolation period, which usually decides the isolation efficiency. In order to verify its feasibility and effectiveness, the ABS-type controller was implemented on a variable-friction isolation system whose slip force is regulated by an embedded piezoelectric actuator, and a seismic simulation test was conducted for this isolation system. The experimental results demonstrate that, as compared to a passive isolation system with various levels of added damping, the semi-active isolation system using the ABS-type controller has the better overall performance when both the far-field and the near-fault earthquakes with different PGA levels are considered.
This study aims to propose a performance-based design method of a novel passive base isolation system, BIO isolation system, which is inspired by an energy dissipation mechanism called 'sacrificial bonds and hidden length'. Fragility functions utilized in this study are derived, indicating the probability that a component, element, or system will be damaged as a function of a single predictive demand parameter. Based on PEER framework methodology for Performance-Based Earthquake Engineering (PBEE), a systematic design procedure using performance and fragility objectives is presented. Base displacement, superstructure absolute acceleration and story drift ratio are selected as engineering demand parameters. The new design method is then performed on a general two degree-of-freedom (2DOF) structure model and the optimal design under different seismic intensities is obtained through numerical analysis. Seismic performances of the biologically inspired (BIO) isolation system are compared with that of the linear isolation system. To further demonstrate the feasibility and effectiveness of this method, the BIO isolation system of a 4-storey reinforced concrete building is designed and investigated. The newly designed BIO isolators effectively decrease the superstructure responses and base displacement under selected earthquake excitations, showing good seismic performance.
Recently, earthquake proof technology has been widely applied to both new and existing structures and bridges. The analysis of bridge systems equipped with structural control devices, which possess large degrees of freedom and nonlinear characteristics, is a result in time-consuming task. Therefore, a piecewise exact solution is proposed in this study to simplify the seismic mitigation analysis process for bridge systems equipped with sliding-type isolators. In this study, the simplified system having two degrees of freedom, to reasonably represent the large number of degrees of freedom of a bridge, and is modeled to obtain a piecewise exact solution for system responses during earthquakes. Simultaneously, we used the nonlinear finite element computer program to analyze the bridge responses and verify the accuracy of the proposed piecewise exact solution for bridge systems equipped with sliding-type isolators. The conclusions derived by comparing the results obtained from the piecewise exact solution and nonlinear finite element analysis reveal that the proposed solution not only simplifies the calculation process but also provides highly accurate seismic responses of isolated bridges under earthquakes.
Base isolation is a well-established passive strategy for seismic response control of buildings. In this paper, an efficient framework is proposed for reliability-based design optimization (RBDO) of isolated buildings subjected to uncertain earthquakes. The framework uses reduced function evaluations method, as an efficient tool for structural reliability analysis, and an efficient optimization algorithm for optimal structural design. The probability of failure is calculated considering excessive base displacement, superstructure inter-storey drifts, member stress ratios and absolute accelerations of floors of the isolated building as failure events. The behavior of rubber bearing isolators is modeled using nonlinear hysteretic model and the variability of future earthquakes is modeled by applying a probabilistic approach. The effects of pulse component of stochastic near-fault ground motions, fixity-factor of semi-rigid beam-to-column connections, values of isolator parameters, earthquake magnitude and epicentral distance on the performance and safety of semi-rigidly connected base-isolated steel framed buildings are studied. Suitable RBDO examples are solved to illustrate the results of investigations.
Semi-active isolation systems based on leverage-type stiffness control strategies have been widely studied. The main concept behind this type of system is to adjust the stiffness in the isolator to match the fundamental period of the isolated system by using a simple leverage mechanism. Although this system achieves high performance under far-field earthquakes, it is unsuitable for near-fault strong ground motion. To overcome this problem, this study considers the potential energy effect in the control law of the semi-active isolation system. The minimal energy weighting (MEW) between the potential energy and kinetic energy was first optimized through a series of numerical simulations. Two MEW algorithms, namely generic and near-fault MEW control, were then developed to efficiently reduce the structural displacement responses. To demonstrate the performance of the proposed method, a two-degree-of-freedom structure was employed as a benchmark. Numerical results indicate that the dynamic response of the structure can be effectively dampened by the proposed MEW control under both far-field and near-fault earthquakes, whereas the structural responses resulting from conventional control methods may be greater than those for the purely passive control method. Moreover, according to experimental verifications, both the generic and near-fault MEW control modes yielded promising results under impulse-like earthquakes. The practicability of the proposed control algorithm was verified.
In this paper, the control algorithm and control methods for a combined system of shunt passive filter and series active filter in 3-phase 4-wire system are discussed. Moreover, the 3-phase 4-wire system is widely employed in distributing electric energy to several office building and manufacturing plants. In such systems, the third harmonic and odd multiples of $3^{rd}$($9^{th}$, $15^{th}$, etc.) are termed as triple and zero sequence components that do not cancel each other in the system neutral. As a result, the triple harmonics add together creating a primary source of excessive neutral current. Regarding this concern, this paper presents a new control scheme for a series hybrid active system. This series active power filter acts not only as a harmonic compensator but also as a harmonic isolator. Hence the required rating of the series active filter is much smaller than that of a conventional shunt active filter. However, the performance of the combined system is greatly influenced by the filtering algorithm employed in the active power filter. This paper proposes a series active power filter scheme based on performance function. Some experiments was executed and experimental results from a prototype active power filter confirm the suitability of the proposed approach.
Kim, Young-Keun;Kim, Hong-Bae;Kim, Eung-Hyun;Kim, Kyung-Soo
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.5
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pp.605-609
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2010
In modern surveillance equipment, infrared (IR) sensors are essential for detection and observation. The IR sensor is connected to a miniature cryogenic cooler to maintain the temperature at very low levels, i.e., temperatures as low as 77 K. However, the quality of the image captured by the sensor is degraded by the transmission of vibration disturbances from the cooler. Therefore, to maintain high image quality, the compressor vibration and the force transmitted to the sensor have to be mitigated. For the compressor vibration isolating system, a tuned dynamic vibration absorber, combined with a passive isolator, is proposed. A cryogenic compressor bracket and springs are designed to allow the absorber mass to mitigate the vibration jitter in the axial direction. The system design is analyzed and evaluated in terms of the dynamic suppression of the harmonic force at the operating frequency of the cooler.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.44
no.1
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pp.40-48
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2016
Micro-vibration induced by on-board appendages that have mechanical moving parts has always been treated as an useless objective that has to be isolated, in order to comply with a high-resolution mission requirement of the observation satellite. In this study, we proposed a tuned mass damper energy harvester combined with a conventional passive vibration isolator for exhibiting dual functions of both electrical energy harvesting and micro-vibration isolation. The feasibility of the proposed dual-function complex system has been demonstrated through the comparison with numerical simulations, based on the results of basic characteristic tests, and experiments of the harvested power and micro-vibration.
Jing Bian;Xuhong Zhou;Ke Ke;Michael C.H. Yam;Yuhang Wang;Zi Gu;Miaojun Sun
Smart Structures and Systems
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v.31
no.3
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pp.213-227
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2023
A passive prismatic-shaped isolation platform (PIP) is proposed to realize enhanced quasi-zero stiffness (QZS) effect. The design concept uses a horizontal spring to produce a tunable negative stiffness and installs oblique springs inside the cells of the prismatic structure to provide a tunable positive stiffness. Therefore, the QZS effect can be achieved by combining the negative stiffness and the positive stiffness. To this aim, firstly, the mathematical modeling and the static analysis are conducted to demonstrate this idea and provide the design basis. Further, with the parametric study and the optimal design of the PIP, the enhanced QZS effect is achieved with widened QZS range and stable property. Moreover, the dynamic analysis is conducted to investigate the vibration isolation performance of the proposed PIP. The analysis results show that the widened QZS property can be achieved with the optimal designed structural parameters, and the proposed PIP has an excellent vibration isolation performance in the ultra-low frequency due to the enlarged QZS range. Compared with the traditional QZS isolator, the PIP shows better performance with a broader isolation frequency range and stable property under the large excitation amplitude.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.9
no.2
s.42
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pp.37-46
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2005
To date, many viable smart base isolation systems have been proposed and investigated. In this study, a novel friction pendulum system (FPS) and an MR damper are employed as the isolator and supplemental damping device, respectively, of the smart base isolation system. A fuzzy logic controller (FLC) is used to modulate the MR damper because the FLC has an inherent robustness and ability to handle non linearities and uncertainties. A genetic algorithm (GA) is used for optimization of the FLC. The main purpose of employing a GA is to determine appropriate fuzzy control rules as well to adjust parameters of the membership functions. To this end, a GA with a local improvement mechanism is applied. This method is efficient in improving local portions of chromosomes. Neuro fuzzy models are used to represent dynamic behavior of the MR damper and FPS. Effectiveness of the proposed method for optimal design of the FLC is judged based on computed responses to several historical earthquakes. It has been shown that the proposed method can find optimal fuzzy rules and the GA optimized FLC outperforms not only a passive control strategy but also a human designed FLC and a conventional semi active control algorithm.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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