Conventional tuned mass dampers are located on the top floor of tall buildings, which reduce the fundamental mode response of buildings. Higher modes may have a greater contribution toward the acceleration response of tall buildings. To reduce this, additional tuned mass dampers are required and could be substituted as building equipments. This paper shows, with a numerical ezample, how the lecate tuned mass damper in order to reduce the higher mode response effectively
Tuned mass dampers (TMDs) have been a prevalent vibration control device for suppressing excessive vibration because of environmental loadings in contemporary tall buildings since the mid-1970s. A TMD must be tuned to the natural frequency of the primary structure to be effective. In practice, a TMD may be assembled in situ, simultaneously with the building construction. In such a situation, the respective dynamic properties of the TMD device and building cannot be identified to determine the tuning status of the TMD. For this purpose, a methodology was developed to obtain the parameters of the TMD and primary building on the basis of the eigenparameters of any two complex modes of the combined building-TMD system. The theory was derived in state-space to characterize the nonclassical damping feature of the system, and combined with a system identification technique to obtain the system eigenparameters using the acceleration measurements. The proposed procedure was first demonstrated using a numerical verification and then applied to real, experimental data of a large-scale building-TMD system. The results showed that the procedure is capable of identifying the respective parameters of the TMD and primary structure and is applicable in real implementations by using only the acceleration response measurements of the TMD and its located floor.
Many types of tuned mass dampers (TMDs), such as active TMDs, multiple TMDs, hybrid TMDs etc., have been studied to effectively reduce the dynamic responses of a structure subjected to various types of dynamic loads. In this study, we replace a passive damper by a semi-active tuned mass damper to improve the control performance of conventional TMDs (STMD). An idealized variable damping device is used as semi-active dampers. These semi-active dampers can change the properties of TMDs in real time based on the dynamic responses of a structure. The control performance of STMD is investigated with respect to various types of excitation by numerical simulation. Groundhook control algorithm is used to appropriately modulate the damping force of semi-active dampers. The control effectiveness between STMD and a conventional passive TMD, both under harmonic and random excitations, is evaluated and compared for a single-degree-of-freedom (SDOF) structure. Excitations are applied to the structure as a dynamic force and ground motion, respectively. The numerical studies showed that the control effectiveness of STMD is significantly superior to that of the passive TMD, regardless of the type of excitations.
Kontoni, Denise-Penelope N.;Farghaly, Ahmed Abdelraheem
Earthquakes and Structures
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제17권4호
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pp.425-434
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2019
The most effective passive vibration control and seismic resistance options in a reinforced concrete (RC) high-rise building (HRB) are the base isolation and the tuned mass damper (TMD) system. Many options, which may be suitable or not for different soil types, with different types of bearing systems, like rubber isolator, friction pendulum isolator and tension/compression isolator, are investigated to resist the base straining actions under five different earthquakes. TMD resists the seismic response, as a control system, by reducing top displacement or the total movement of the structure. Base isolation and TMDs work under seismic load in a different way, so the combination between base isolation and TMDs will reduce the harmful effect of the earthquakes in an effective and systematic way. In this paper, a comprehensive study of the combination of TMDs with three different base-isolator types for three different soil types and under five different earthquakes is conducted. The seismic response results under five different earthquakes of the studied nine RC HRB models (depicted by the top displacement, base shear force and base bending moment) are compared to show the most suitable hybrid passive vibration control system for three different soil types.
본 연구는 지진동을 받는 구조물의 응답을 제어하기 위한 하이브리드 LQG 기법의 효용성을 조사하는 것이 목적이다. 입력 기진력은 엘센트로 지진이며 지반 가속도을 적절히 조절하여 구조물이 탄성 범위내에서 거동하도록 하였다. 수동 제어 장치로서 최상층에 설계된 TMD는 LQG 제어 알고리즘에 의해 통제되며 능동 제어기와 함께 하이브리드 제어 시스템을 이룬다. 이 기법을 통해 제어된 변위 응답을 비교한 결과 순수하게 능동 제어를 한 경우에 비해 훨씬 작은 크기의 입력으로도 변위를 제어할 수 있었으며 센서의 위치는 최상층에 부착하는 것이 가장 효과적인 것으로 나타났다.
지진동에 대처하기 위한 구조물의 능동제어기를 설계할 때, 모델링의 오차 및 외란의 불확실성을 무시하고 진행하면 제어성능이 크게 퇴화될 수 있다. 심지어 시스템 전체가 불안정하게 되어 제진이 불가능하게 될 가능성도 배제할 수 없다. 본 연구의 목적은 슬라이딩 모드제어기(SMC)라 불리는 비선형제어기의 제어성능을 TMD가 장착된 구조물에 설계하여 그 적용 가능성을 검토하는 것이다. 이때 가진 외란은 FFT 해석으로 탁월주파수를 분석한 3개의 지진동이다. SMC로 제어한 결과, 구조물의 질량과 강성이 ${\pm}30%$ 섭동되어도 강인성을 유지하고 있음을 확인할 수 있었다. 다만, 오버슈트가 증대되고 정정시간이 증가하는 등 과도응답성능은 다소 퇴화되는 것을 확인할 수 있었다. 전반적으로 SMC는 모델링 및 외란의 불확실성에 대해 강인함을 유지하고 지진동을 효과적으로 제어하는 능동제어법으로 TMD 구조물과 결합시켜 지진동제어에 적용해 볼 수 있는 유용한 기법이라 판단된다.
수동동조질량감쇠기의 진동제어 효과는 질량감쇠기와 구조물과의 동조로 인하여 나타나고 있다. 그러나 바닥판 구조물의 질량과 강성의 변화로 인하여 실제 구조물에 있어서 비동조 현상이 일어나기도 한다. 이러한 상황에서는 수동동조질량감쇠기의 성능이 비효율적이며 경우에 따라서는 구조물의 진동을 증가시키기도 한다. 본 논문에서는 기계나 사람에 의한 바닥판 구조물의 진동을 줄이기 위하여 자기유체감쇠기의 적용성을 알아보고자 한다. 준 능동제어와 groundhook 제어 알고리즘을 적용하여 준능동감쇠기의 성능과 수동질량감쇠기의 성능을 비교 분석하였다. 또한 비동조 상황에서의 준능동감쇠가와 수동질량감쇠기의 견인성을 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 자기유체감쇠기는 동조상황에서 우수한 제어 성능을 가지고 있으며 비동조 상황에서도 우수한 견인성을 보여주고 있다.
본 연구에서는 초고층건물의 풍응답을 저감시키기 위하여 스마트 TMD(STMD)를 활용한 퍼지 하이브리드 제어기법을 제안하였다. 효과적인 제어알고리즘을 개발하기 위하여 STMD의 응답저감에 우수한 성능을 보이는 스카이훅(skyhook) 제어기와 구조물의 응답저감에 뛰어난 그라운드훅(groundhook) 제어알고리즘을 사용하였다. 본 연구에서는 두 제어기를 적절히 조합하기 위하여 최적의 가중치를 실시간으로 결정하는 퍼지 하이브리드 제어기를 개발함으로써 일반적인 가중합방식의 하이브리드 제어기법의 성능을 개선하였다 제안된 제어기의 성능을 검토하기 위하여 풍하중을 받는 76층 사무소 건물을 예제구조물로 사용하였다. MR감쇠기를 이용하여 STMD를 구성하였고, STMD의 제어성능을 평가하기 위하여 TMD및 ATMD의 성능과 비교하였다. 수치해석을 통하여 STMD의 제어성능이 TMD에 비하여 월등히 뛰어남을 확인할 수 있었다. 또한 퍼지 하이브리드 제어기법을 사용하면 스카이훅 및 그라운드훅 제어기를 효과적으로 조합하여 STMD와 건물의 응답을 동시에 줄일 수 있음을 확인하였다.
This study deals with new application method of the connecting tuned mass damper (CTMD) system for efficient vibration control of adjacent twin structures which have the same dynamic properties such as natural frequency and damping characteristics to each other. In the existing research, the vibration control of the twin structures has a limit to the application of the conventional damper-connection method of the twin structures. Due to the same frequency characteristics leading to the equally vibrating behaviors, it is impossible to apply the conventional connection method of the adjacent structures. In order to overcome these limitations induced by the symmetry of the dynamic characteristics, we propose a new CTMD-based control system that adopts the conventional connection configuration but unbalances the symmetric system by arranging the control device asymmetrically and then can finally achieve the efficient control performance. In order to demonstrate the applicability of the proposed system, numerical simulations of the optimally designed proposed system have been performed in comparison with the optimal design results of the existing independent single tuned mass damper (STMD) control system and the another optimal control system previously proposed by the same author, hereafter called CTMD-OsTMD. The comparative results of the control performances among STMD, CTMD-OsTMD and the proposed CTMD systems verified that the newly proposed control system can be a control-efficient and cost-effective system for vibration suppression of the two adjacent twin structures.
Suspension bridges have the extended in plan configuration which makes them prone to dynamic events like earthquake. The longer span lead to more flexibility and slender of them. So, control systems seem to be essential in order to protect them against ground motion excitation. Tuned mass damper or in brief TMD is a passive control system that its efficiency is practically proven. Moreover, its parameters i.e. mass ratio, tuning frequency and damping ratio can be optimized in a manner providing the best performance. Meta-heuristic optimization algorithm is a powerful tool to gain this aim. In this study, TMD parameters are optimized in different-length suspension bridges in three distinct cases including 3, 4 and 5 TMDs by observer-teacher-learner based algorithm under a complete set of ground motions formed from both near-field and far-field instances. The Vincent Thomas, Tacoma Narrows and Golden Gate suspension bridges are selected for case studies as short, mean and long span ones, respectively. The results indicate that All cases of used TMDs result in response reduction and case 4TMD can be more suitable for bridges in near and far-field conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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