This paper introduces a novel, rigorous, and efficient probabilistic methodology for the performance-based optimal design (PBOD) of semi-active tuned mass damper (SATMD) for seismically excited nonlinear structures. The proposed methodology is consistent with the modern performance-based earthquake engineering framework and aims to design reliable control systems. To this end, an optimization problem has been defined which considers the parameters of control systems as design variables and minimization of the probability of exceeding a targeted structural performance level during the lifetime as an objective function with a constraint on the failure probability of stroke length damage state associated with mass damper mechanism. The effectiveness of the proposed methodology is illustrated through a numerical example of performance analysis of an eight-story nonlinear shear building frame with hysteretic bilinear behavior. The SATMD with variable stiffness and damping have been designed separately with different mass ratios. Their performance has been compared with that of uncontrolled structure and the structure controlled with passive TMD in terms of probabilistic demand curves, response hazard curves, fragility curves, and exceedance probability of performance levels during the lifetime. Numerical results show the effectiveness, simplicity, and reliability of the proposed PBOD method in designing SATMD with variable stiffness and damping for the nonlinear frames where they have reduced the exceedance probability of the structure up to 49% and 44%, respectively.
The Mega-Sub Controlled Structure System (MSCSS), an innovative vibration passive control system for building structures, is improved by adding lead rubber bearings (LRBs) on top of the substructure. For the new system, a genetic algorithm is used to optimize the dynamic parameters and distributions of dampers and LRBs. The program uses various seismic performance indicators as optimization objectives, and corresponding results are compared. It is found that the optimization procedure for maximizing the energy dissipation ratio yields the best solutions, and optimized models have consistent seismic performances under different earthquakes. Seismic performances of optimized MSCSS models with and without LRBs, as well as the traditional Mega-Sub Structure model, are evaluated and compared under El Centro wave, Taft wave and 20 other artificial waves. In both elastic and plastic analysis, the model with LRBs shows significantly smaller story drift and horizontal acceleration than those of the other two models, and fewer plastic hinges are developed during severe earthquakes. Energy analysis also shows that LRBs installed in proper locations increase the deformation and energy dissipation of dampers, thereby significantly reduce the kinetic, potential, and hysteretic energy in the structure. However, LRBs do not have to be mounted on all the additional columns. It is also demonstrated that LRBs at unfavorable locations can decrease the energy dissipation for dampers. After LRBs are installed, the optimal damping coefficient and the optimal damping exponent of dampers are reduced to produce the best damping effect.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.23
no.2
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pp.37-44
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2023
In the case of a school building, even though it is a regular structure in terms of plan shape, if the masonry infill wall acts as a lateral load resisting element, it can be determined as a torsionally irregular building. As a result, the strength and ductility of the structure are reduced, which may cause additional earthquake damage to the structure. Therefore, in this study, a structure similar to a school building with torsional irregularity was selected as an example structure and the damping performance of the PC-BRB was analyzed by adjusting the eccentricity according to the amount of masonry infilled wall. As a result of nonlinear dynamic analysis after seismic reinforcement, the torsional irregularity of each floor was reduced compared to before reinforcement, and the beams and column members of the collapse level satisfied the performance level due to the reduction of shear force and the reinforcement of stiffness. The energy dissipation of PC-BRB was similar in the REC-10 ~ REC-20 analytical models with an eccentricity of 20% or less. REC-25 with an eccentricity of 25% was the largest, and it is judged that it is effective to combine and apply PC-BRB when it has an eccentricity of 25% or more to control the torsional behavior.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2000.04a
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pp.399-408
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2000
IN analyzing earthquake response of structures important focus is on their diaplacements and shear forces. However seismic technology of passive energy dissipation makes focus on the seismic energy distribution of structures. The passive dampers enhance the capability of energy dissipation by their hysteretic behavior thus preventing the structural plastic deformation. In this paper the building structure with an active controller is analyzed with the view of earthquake energy distribution under elastic and plastic behaviors. The active control makes an effect of increasing damping capability which absorbs most of the earthquake input energy. Finally the different active gains resulting from the plastic deformation are applied to the active analysis and control forces and earthquake energy response are compared.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2002.03a
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pp.367-372
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2002
In these days, The base isolation system is often used to improve the seismic capacity of the structures instead of conventional techniques of strengthening the structural members. The purpose of this study is to evaluate dynamic properties and mechanical characteristics of the 10tonf-LRB(Lead-Rubber Bearing). Experimental studies were performed to obtain the hysteretic behavior, effective shear stiffness( $K_{eff}$), equivalent damping( $H_{eq}$ ), capacity of energy dissipation( $W_{D}$) of six 10tonf-LRB. Especially, in this study, the response of the LRB for high loading frequency(0.5Hz~3.0Hz) was estimated. The effective shear stiffness of the LRB decreases and the capacity of energy dissipation increases as the shear strain amplitude increases. But the shear behavior of the LRB is not affected sensitively by loading frequency.y.y.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.13
no.2
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pp.85-93
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1993
Base isolation systems are economic and efficient for the control of structural vibration. In this study, the base isolators of LRB(laminated rubber bearing) type which have been generally used are fabricated and tested. From the static and dynamic tests, the characteristics of the base isolators, considering strain-hardening, hysteretic damping and horizontal stiffnesses, etc., are verified and particularly the feasibility as base isolation devices is discussed. Consequently, the test results are compared with the analytical ones that are derived from idealization as a bilinear model.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2000.11a
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pp.620-623
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2000
The leaf spring is generally used effectively in load supporting because it has tension-diffused function in comparison with other springs. Nowadays the leaf spring is used widely in the suspensions of automobile and trains. The stiffness and the damping characteristics of the leaf spring being essential for the performance of vehicles, the exact evaluation is required. Various approximate formula are normally used for the leaf spring design. however, accuracy and trust are decreased because the contact and frictional characteristics between leaf plates are generally neglected. In this paper, nonlinear stiffness matrix of the leaf spring is solved by contact-element applying FEM for considering the contact and frictional characteristics between leaf plates. The results of proposed FE model are compared with test data.
The paper presents an application of the model to a practical problem of train-induced vibrations. The aim of this study is to vertify for performance of isolators which was developed in KRRI supported floating slab track. Laboratory tests on developed isolations show that the energy dissipation, under cyclic loading of constant amplitude, can be suitably represented by a combination of a viscous and a hysteretic damping. Also, other tests for structural performance are carried out, such as elastic material test, compression test and so on. The specimen, $400{\times}400{\times}300mm$, is placed between two stiff steel plates designed to uniformly distribute the compression stress on the surface.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.17
no.4
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pp.35-42
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2017
This study develops a new hybrid passive energy dissipation device for seismic rehabilitation of an existing structure. The device is composed of a friction damper combined with a steel plate with vertical slits as a hysteretic damper. Analytical model is developed for the device, and the capacity of the hybrid device to satisfy a given target performance is determined based on the ASCE/SEI 7-10 process. The effect of the device is verified by nonlinear dynamic analyses using seven earthquake records. The analysis results show that the dissipated inelastic energy is concentrated on the hybrid damper and the maximum interstory drift of the SMRF with damping system satisfies the requirement of the current code.
Since it is difficult to analytically express the Melnikov function when a dynamic system possesses multiple saddle fixed points with homoclinic and/or heteroclinic orbits, this paper investigates a vehicle model with nonlinear suspension spring and hysteretic damping element, which exhibits multiple heteroclinic orbits in the unperturbed system. First, an algorithm for Melnikov integrals is developed based on the Melnikov method. And then the amplitude threshold of road excitation at the onset of chaos is determined. By numerical simulation, the existence of chaos in the present system is verified via time history curves, phase portrait plots and $Poincar{\acute{e}}$ maps. Finally, in order to further identify the chaotic motion of the nonlinear system, the maximal Lyapunov exponent is also adopted. The results indicate that the numerical method of estimating chaotic threshold is an effective one to complicated vehicle systems.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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