This paper presents a design of a tuned liquid mass damper(TLMD) for controlling bi-directional response of high-rise building structure subjected to windload. The proposed damper behaves as a tuned mass damper(TMD) of which mass is regarded as the mass of a tuned liquid column damper(TLCD) and the case wall of the TLCD itself in one direction and the TLCD in the other direction. Because the proposed device has coupled design parameter along two orthogonal directions, it is very important to select designing components by optimal fine tuning. In the designing TLMD, for easy maintenance, the rubber-bearing with small springs was applied in TMD direction. In this study, the Songdo New City Tower 1A in Korea, which has been designed and constructed two TLCDs in order to control bi-directional response, was chosen as the model building structure. The results of rotation test proved the effectiveness of bi-directional behavior of TLMD.
본 연구에서는 동조질량감쇠기(TMD)와 동조액체 기둥감쇠기(TLCD)로 구성된 2방향 감쇠기의 제어성능을 실험적으로 검증하였다. 본 연구에 사용된 감쇠기는 한방향으로는 TMD로 거동하고, 다른 직교하는 방향에서는 TLCD로 거동하여 제어력이 발생하는 감쇠기이다. 우선, 제작된 감쇠기의 동적특성과 TMD와 TLCD에 의해 발생하는 제어력들의 연계효과를 조사하기 위한 진동대 실험을 수행하였다. 다음으로 이러한 실험결과를 바탕으로 감쇠기의 동적특성에 영향을 미치는 파라미터를 정량적으로 평가하였다. 본 연구에서 사용된 감쇠기가 입사각을 갖는 진동에 의해 가진될 때 TMD와 TLCD에 의해 연계된 제어력이 발생하는 것을 진동대 실험결과로부터 확인하였다. 또한, 감쇠기가 건축물의 2방향 응답제어에도 효과적으로 사용될 수 있음을 확인하였다.
A new type bi-directional damper using a tuned liquid column damper(TLCD) and a tuned sloshing damper(TSD) is introduced in this study. Two dampers are usually needed to reduce wind-induced responses of tall buildings since they are along and across wind ones. The proposed damper has the advantage of controlling both responses with one damper. One of objectives of this study is to derive analytical dynamics to investigate coupled effects due to TLCD and TSD. Another objective is to address the effect of coupled control force due to TLCD and TSD on the dynamic characteristic of the damper based on analytical dynamics. Shaking table test is undertaken to experimentally grasp dynamic characteristics of the damper under white noise excitation. Its dynamic characteristic is expressed by the transfer function from the shaking table acceleration to the control force generated from the damper. Finally, its design parameters are identified based on the coupled dynamics, which include the mass ratio of horizontal liquid column to total liquid for a TLCD, the participation factor of the fundamental liquid sloshing for a TSD and damping ratio for both cases.
In this study, the control performance of a Tuned Liquid Mass Damper(TLMD) manufactured to reduce the orthogonal bi-directional responses of building structures was experimentally evaluated. the TLMD using only one control device reduce bi-directional responses of building structures by making the TLMD behave as TMD and TLCD to the strong and weak axial direction of building structures. first, the control performance was evaluated by forcing sinusoidal waves to a test model that the TLMD is installed on the scale-downed building structure. Second, the real-time hybrid shaking table test was performed to evaluate the performance of the vibration control system made up of numerical part as a scale-downed building structural model and a physical experimental part as a TLMD. the superiority of bi-directional vibration control performance of the manufactured TLMD was verified by comparing the uncontrolled and controlled results of these tests.
A bi-directional tuned mass damper (BTMD) in which a mass connected by two translational springs and two viscous dampers in two orthogonal directions has been introduced to control coupled lateral and torsional vibrations of asymmetric building. An efficient control strategy has been presented in this context to control displacements as well as acceleration responses of asymmetric buildings having asymmetry in both plan and elevation. The building is idealized as a simplified 3D model with two translational and a rotational degrees of freedom for each floor. The principles of rigid body transformation have been incorporated to account for eccentricity between center of mass and center of rigidity. The effective and robust design of BTMD for controlling the vibrations in structures has been presented. The redundancy of optimum design has been checked. Non dominated sorting genetic algorithm (NSGA) has been used for tuning optimum stages and locations of BTMDs and its parameters for control of vibration of seismically excited buildings. The optimal locations have been observed to be reasonably compact and practically implementable.
Misaligned wind-wave and seismic loading render offshore wind turbines suffering from excessive bi-directional vibration. However, most of existing research in this field focused on unidirectional vibration mitigation, which is insufficient for research and real application. Based on the authors' previous work (Sun and Jahangiri 2018), the present study uses a three dimensional pendulum tuned mass damper (3d-PTMD) to mitigate the nacelle structural response in the fore-aft and side-side directions under wind, wave and near-fault ground motions. An analytical model of the offshore wind turbine coupled with the 3d-PTMD is established wherein the interaction between the blades and the tower is modelled. Aerodynamic loading is computed using the Blade Element Momentum (BEM) method where the Prandtl's tip loss factor and the Glauert correction are considered. Wave loading is computed using Morison equation in collaboration with the strip theory. Performance of the 3d-PTMD is examined on a National Renewable Energy Lab (NREL) monopile 5 MW baseline wind turbine under misaligned wind-wave and near-fault ground motions. The robustness of the mitigation performance of the 3d-PTMD under system variations is studied. Dual linear TMDs are used for comparison. Research results show that the 3d-PTMD responds more rapidly and provides better mitigation of the bi-directional response caused by misaligned wind, wave and near-fault ground motions. Under system variations, the 3d-PTMD is found to be more robust than the dual linear TMDs to overcome the detuning effect. Moreover, the 3d-PTMD with a mass ratio of 2% can mitigate the short-term fatigue damage of the offshore wind turbine tower by up to 90%.
To effectively extract the vast wind resource, offshore wind turbines are designed with large rotor and slender tower, which makes them vulnerable to external vibration sources such as wind and wave loads. Substantial research efforts have been devoted to mitigate the unwanted vibrations of offshore wind turbines to ensure their serviceability and safety in the normal working condition. However, most previous studies investigated the vibration control of wind turbines in one direction only, i.e., either the out-of-plane or in-plane direction. In reality, wind turbines inevitably vibrate in both directions when they are subjected to the external excitations. The studies on both the in-plane and out-of-plane vibration control of wind turbines are, however, scarce. In the present study, the NREL 5 MW wind turbine is taken as an example, a detailed three-dimensional (3D) Finite Element (FE) model of the wind turbine is developed in ABAQUS. To simultaneously control the in-plane and out-of-plane vibrations induced by the combined wind and wave loads, another carefully designed (i.e., tuned) spring and dashpot are added to the perpendicular direction of each Tuned Mass Damper (TMD) system that is used to control the vibrations of the tower and blades in one particular direction. With this simple modification, a bi-directional TMD system is formed and the vibrations in both the out-of-plane and in-plane directions are simultaneously suppressed. To examine the control effectiveness, the responses of the wind turbine without control, with separate TMD system and the proposed bi-directional TMD system are calculated and compared. Numerical results show that the bi-directional TMD system can simultaneously control the out-of-plane and in-plane vibrations of the wind turbine without changing too much of the conventional design of the control system. The bi-directional control system therefore could be a cost-effective solution to mitigate the bi-directional vibrations of offshore wind turbines.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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