The semi-active impact damper (SAID) is proposed to improve the damping efficiency of traditional passive impact dampers. In order to investigate its damping mechanism and vibration control effects on realistic engineering structures, a 20-story nonlinear benchmark building is used as the main structure. The studies on system parameters, including the mass ratio, damping ratio, rigid coefficient, and the intensity of excitation are carried out, and their effects both on linear and nonlinear indexes are evaluated. The damping mechanism is herein further investigated and some suggestions for the design in high-rise buildings are also proposed. To validate the superiority of SAID, an optimal passive particle impact damper ($PID_{opt}$) is also investigated as a control group, in which the parameters of the SAID remain the same, and the optimal parameters of the $PID_{opt}$ are designed by differential evolution algorithm based on a reduced-order model. The numerical simulation shows that the SAID has better control effects than that of the optimized passive particle impact damper, not only for linear indexes (e.g., root mean square response), but also for nonlinear indexes (e.g., component energy consumption and hinge joint curvature).
Zheng Lu;Mengyao Zhou;Jiawei Zhang;Zhikuang Huang;Sami F. Masri
Smart Structures and Systems
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제31권5호
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pp.455-467
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2023
Impact damper is a passive damping system that controls undesirable vibration with mass block impacting with stops fixed to the excited structure, introducing momentum exchange and energy dissipation. However, harmful momentum exchange may occur in the random excitation increasing structural response. Based on the mechanism of impact damping system, a semi-active impact damper (SAID) with controllable impact timing as well as a semi-active control strategy is proposed to enhance the seismic performance of engineering structures in this paper. Comparative experimental studies were conducted to investigate the damping performances of the passive impact damper and SAID. The extreme working conditions for SAID were also discussed and approaches to enhance the damping effect under high-intensity excitations were proposed. A numerical simulation model of SAID attached to a frame structure was established to further explore the damping mechanism. The experimental and numerical results show that the SAID has better control effect than the traditional passive impact damper and can effectively broaden the damping frequency band. The parametric studies illustrate the mass ratio and impact damping ratio of SAID can significantly influence the vibration control effect by affecting the impact force.
다양한 원인에 의해서 발생하는 구조물의 동적응답을 감소시키기 위하여 현재까지 여러 가지 형태의 동조질량감쇠기(Tuned Mass Damper; TMD)가 개발되었고 이에 대한 많은 연구가 수행되어 왔다. 본 연구에서는 구조물의 응답에 따라서 실시간으로 TMD의 감쇠를 변화시킬 수 있는 준능동 TMD(Semi-active TMD; STMD)의 제어성능을 다양한 형태의 하중을 적용하여 해석적으로 검토하였다. STMD를 구성하는 준능동 감쇠기의 감쇠력을 조절하기 위하여 skyhook 제어알고리즘을 이용하였다. 조화하중 및 임의의 동적하중을 직접가력하중과 지반진동하중 형태로 단자유도 구조물에 가하여 STMD와 일반적인 TMD의 제어성능을 비교하였다. 또한, 주구조물의 질량의 변화에 따른 TMD 및 STMD의 제어성능의 견실성을 비교하였다. 그리고, 가변감쇠장지 뿐만 아니라 MR 감쇠기를 사용한 STMD의 제어성능도 평가하여 새로운 진동제어장치로서의 활용가능성을 검토하였다. 수치해석을 수행한 결과 STMD는 TMD에 비하여 조화하중 및 임의의 동적하중에 대해서 매우 뛰어난 제어성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
In this work, the semi-active control of a large-sized bus suspension system with an MR damper was studied. An MR damper model that can aptly describe the hysteretic characteristics of an MR damper was adopted. Parameter values of the MR damper model were suitably modified by considering the maximum damping force of a passive damper used in the suspension system of a real large-sized bus. In addition, a fuzzy logic controller was developed for semi-active control of a suspension system with an MR damper. The vertical acceleration at the attachment point of the MR damper and the relative velocity between sprung and unsprung masses were used as input variables, while voltage was used as the output variable. Straight-ahead driving simulations were performed on a road with a random road profile and on a flat road with a bump. In straight-ahead driving simulations, the vertical acceleration and pitch angle were measured to compare the riding performance of a suspension system with a passive damper with that of a suspension with an MR damper. In addition, a single lane change simulation was performed. In the simulation, the lateral acceleration and roll angle were measured in order to compare the handling performance of a suspension system using a passive damper with that of a suspension system using an MR damper.
Structural control systems have uncertainties in their structural parameters and control devices which by using reliability analysis, uncertainty can be modeled. In this paper, reliability of controlled structures equipped with semi-active Magneto-Rheological (MR) dampers is investigated. For this purpose, at first, the effect of the structural parameters and damper parameters on the reliability of the seismic responses are evaluated. Then, the reliability of MR damper force is considered for expected levels of performance. For sensitivity analysis of the parameters exist in Bouc- Wen model for predicting the damper force, the importance vector is utilized. The improved first-order reliability method (FORM), is used to reliability analysis. As a case study, an 11-story shear building equipped with 3 MR dampers is selected and numerically obtained experimental data of a 1000 kN MR damper is assumed to study the reliability of the MR damper performance for expected levels. The results show that the standard deviation of random variables affects structural reliability as an uncertainty factor. Thus, the effect of uncertainty existed in the structural model parameters on the reliability of the structure is more than the uncertainty in the damper parameters. Also, the reliability analysis of the MR damper performance show that to achieve the highest levels of nominal capacity of the damper, the probability of failure is greatly increased. Furthermore, by using sensitivity analysis, the Bouc-Wen model parameters which have great importance in predicting damper force can be identified.
In this paper, to overcome local damages of structures, an uncertainty of structural model, installing sensors of structures, and economics of building system, decentralized semi-active magnetorheological(MR) damper using the displacement or velocity transferred to the response of floor installed damper is proposed. Relative magnitude between the control force of dampers and the story shear force is difined as design variables and the performance indices response spectra analysis through nonlinear time history analysis excited by seismic loads is performed according to this design variables. And the performance of this decentralized MR damper is compared with previous centralized LQR control algorithm using 3-stories benchmark building structure excited by El Centro (1940, N.S) in order to evaluate the application of building structures.
The objective of this paper is to investigate the Intelligence control characteristics of a digital damper. This paper deals with a two-degree-of-freedom suspension using the damper with ER fluid for a quarter vehicle system. The control law for semi-active suspensions modeled in this study is developed using passive and ANFIS control method. Computer simulation results show that the semi-active suspension with ER damper has good performances of ride quality.
본 연구에서는 지진하중을 받는 인접한 건물의 진동제어를 위한 준능동 제어장치의 제어성능을 검토하였다. 준능동 제어장치로는 MR 감쇠기를 사용하였다. MR 감쇠기로 연결된 인접한 건물을 효과적으로 제어하기 위하여 퍼지제어알고리즘을 사용하였다. MR 감쇠기로 연결된 인접한 건물의 제어시 한쪽 건물의 응답을 저감시키는 것은 다른 한 쪽 건물의 응답을 증가시키는 효과를 가져온다. 따라서 연결된 건물의 제어는 서로 상충되는 특성이 있기 때문에 다목적 최적화문제로 귀결된다. 따라서 본 연구에서는 다목적 유전자알고리즘을 사용하여 MR 감쇠기를 제어하는 퍼지제어알고리즘을 최적화하였다. 수치해석을 통하여 준능동 MR 감쇠기를 이용한 인접건물의 연결제어효과를 검토하였고 매우 우수한 성능을 나타내는 것을 확인하였다.
A semi-active mass damping (SMD) system with magnetorheological (MR) dampers focusing on low- and mid-rise buildings is proposed in this paper. The main purpose of this study is to integrate the reliable characteristics of the traditional tuned mass damper (TMD) and the superior performance of the active mass damper (AMD) to the new system. In addition, the commonly seen solution of deploying dense seismic dampers throughout the structure nowadays to protect the main structure is also expected to switch to the developed SMD system on the roof with a similar reduction performance. In order to demonstrate this concept, a full-size three-story steel building representing a typical mid-rise building was used as the benchmark structure to verify its performance in real life. A numerical model with the interpolation technique integrated was first established to accurately predict the behavior of the MR dampers. The success of the method was proven through a performance test of the designated MR damper used in this research. With the support of the MR damper model, a specific control algorithm using a continuous-optimal control concept was then developed to protect the main structure while the response of the semi-active mass damper is discarded. The theoretical analysis and the experimental verification from a shaking table test both demonstrated the superior mitigation ability of the method. The proposed SMD system has been demonstrated to be readily implemented in practice.
A new semi-active control strategy for seismic response reduction using a neuro-controller and a magnetorheological (MR) fluid damper is proposed. The proposed control system consists of the improved neuro-controller and the bang-bang-type controller. The improved neuro-controller, which was developed by employing the training algorithm based on a cost function and the sensitivity evaluation algorithm replacing an emulator neural network, produces the desired active control force, and then the bang-bang-type controller causes the MR fluid damper to generate the desired control force, so long as this force is dissipative. In numerical simulation, a three-story building structure is semi-actively controlled by the trained neural network under the historical earthquake records. The simulation results show that the proposed semi-active neuro-control algorithm is quite effective to reduce seismic responses. In addition, the semi-active control system using MR fluid dampers has many attractive features, such as the bounded-input, bounded-output stability and small energy requirements. The results of this investigation, therefore, indicate that the proposed semi-active neuro-control strategy using MR fluid dampers could be effectively used for control of seismically excited structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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