A non-clipped semi-active stochastic optimal control strategy for nonlinear structural systems with MR dampers is developed based on the stochastic averaging method and stochastic dynamical programming principle. A nonlinear stochastic control structure is first modeled as a semi-actively controlled, stochastically excited and dissipated Hamiltonian system. The control force of an MR damper is separated into passive and semi-active parts. The passive control force components, coupled in structural mode space, are incorporated in the drift coefficients by directly using the stochastic averaging method. Then the stochastic dynamical programming principle is applied to establish a dynamical programming equation, from which the semi-active optimal control law is determined and implementable by MR dampers without clipping in terms of the Bingham model. Under the condition on the control performance function given in section 3, the expressions of nonlinear and linear non-clipped semi-active optimal control force components are obtained as well as the non-clipped semi-active LQG control force, and thus the value function and semi-active nonlinear optimal control force are actually existent according to the developed strategy. An example of the controlled stochastic hysteretic column is given to illustrate the application and effectiveness of the developed semi-active optimal control strategy.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.14
no.3
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pp.123-130
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2010
The aim of this paper is a seismic performance evaluation of metallic damper devices which are efficient in workability and installation process. For this V shape and S shape dampers is considered. The strut figures of dampers are V shape and S shape and, the research parameters are strut height and angle of the dampers. ABAQUS program is used for nonlinear finite element analysis. The analysis is performed with the hysteretic curve that has maximum displacement with 50mm and has increased progressive. As a results of evaluating the yield strength, maximum strength and energy dissipation capacity of each device, V and S shape have a good strength capacity and the devices with strut angle $60^{\circ}$ and strut height 140 and 200mm are evaluated stable in seismic behaviors. The response of S shape is more efficient than that of V shape. In the yield strength estimation process, proposed formula can not estimate the yield strength of V and S shape dampers. Even though, the formula can not consider the variation of strut heights and strut angles. Finally the S shape damper is recommended in seismic performance than V shape damper.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2001.05a
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pp.289-294
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2001
Three kinds of viscoelastic damper model, which has a non-linear spring as an element is studied analytically and numerically. The behavior of the damper model shows non-linear hysteresis curves which is qualitatively similar to those of real viscoelastic materials. The motion is governed by a non-linear constitutive equation and an additional equation of motion. Harmonic balance method is applied to get analytic solutions of the system. The frequency-response curves show that multiple solutions co-exist and that the jump phenomena can occur. In addition, it is shown that separate solution branch exists and that it can merge with the primary response curve. Saddle-node bifurcation sets explain the occurrences of such non-linear phenomena.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.12
no.1
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pp.57-64
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2002
Three kinds of viscoelastic damper model, which has a non-linear spring as an element is studied analytically and numerically The behavior of the damper model shows non-linear hysteresis curves which is qualitatively similar to those of real viscoelastic materials. The motion is governed by a non-linear constitutive equation and an additional equation of motion. Harmonic balance method is applied to get analytical solutions of the system. The frequency-response curves sallow that multiple solutions co-exist and that the jump phenomena can occur. In addition, it is shown that separate solution branch exists and that it can merge with the primary response curve. Saddle-node bifurcation sets explain the occurrences of such non-linear Phenomena.
A Lead Extrusion Damper (LED) is experimentally studied under various frequencies and displacement amplitudes. Experimental results show that the force-displacement hysteresis loops of the LED are close to rectangular and the force-velocity hysteresis loops exhibit nonlinear hysteretic characteristic. Also, the LED can provide consistent energy dissipation without any stiffness degradation. Based on the experimental results, a mathematical model is then proposed to describe the effects of frequency and displacement on property of LED. It can be proved from the comparison between experimental and numerical results that the mathematical model can accurately describe the mechanical behavior of LED. Subsequently, the seismic responses of the Schwedler reticulated shell structure with LEDs are analyzed by ANSYS software, in which three different installation forms of LEDs are considered. It can be concluded that the LED can effectively reduce the displacement and acceleration responses of this type of structures.
Most of high-rise buildings in Japan*1 are structure with damping systems recently. The design procedure is performance-based design (PBD), which is based on the nonlinear response history procedure (NRHP) using 2 or 3-dimentional frame model. In addition, hysteretic property of steel plates or velocity-dependent property of viscous dampers are common practice for the damping system. However, for the selection of damping system, the easy dynamic analysis of recent date may lead the most of engineers to focus attention on the maximum response only without thinking how it shakes. By nature, the seismic design shall be to figure out the action of inertia forces by complex & dynamic loads including periodic and pulse-like characteristics, what we call seismic ground motion. And it shall be done under the dynamic condition. On the contrary, we engineers engineers have constructed the easy-to-use static loads and devoted ourselves to handle them. The structures with damping system shall be designed considering how the stiffness & damping to be applied to the structures against the inertia forces with the viewpoint of dynamic aspect. In this paper we reconsider the role of damping in vibration and give much thought to the basic of shake with damping from a standpoint of structural design. Then, we present some design examples based on them.
In order to protect a structure over its full life cycle, a novel tuned mass damper (TMD), the so-called semi-active eddy current pendulum tuned mass damper (SAEC-PTMD), which can retune its frequency and damping ratio in real-time, is proposed in this study. The structural instantaneous frequency is identified through a Hilbert-Huang transformation (HHT), and the SAEC-PTMD pendulum is adjusted through an HHT-based control algorithm. The eddy current damping parameters are discussed, and the relationship between effective damping coefficients and air gaps is fitted through a polynomial function. The semi-active eddy current damping can be adjusted in real-time by adjusting the air gap based on the linear-quadratic-Gaussian (LQG)-based control algorithm. To verify the vibration control effect of the SAEC-PTMD, an idealized linear primary structure equipped with an SAEC-PTMD excited by harmonic excitations and near-fault pulse-like earthquake excitations is proposed as one of the two case studies. Under strong earthquakes, structures may go into the nonlinear state, while the Bouc-Wen model has a wild application in simulating the hysteretic characteristic. Therefore, in the other case study, a nonlinear primary structure based on the Bouc-Wen model is proposed. An optimal passive TMD is used for comparison and the detuning effect, which results from the cumulative damage to primary structures, is considered. The maximum and root-mean-square (RMS) values of structural acceleration and displacement time history response, structural acceleration, and displacement response spectra are used as evaluation indices. Power analyses for one earthquake excitation are presented as an example to further study the energy dissipation effect of an SAECPTMD. The results indicate that an SAEC-PTMD performs better than an optimized passive TMD, both before and after damage occurs to the primary structure.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.17
no.5
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pp.36-41
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2016
In this study, numerical analyses were used to investigate the performance of a coupling control method for the dynamic responses of adjacent buildings under multiple hazards. Numerical simulations were done using the earthquake loads of regions with strong seismicity in Los Angeles, California, and the wind loads in regions with strong winds in Charleston, North Carolina. The artificial earthquake and wind loads were made using SIMQKE and Kaimal Spectrum based on ASCE 7-10. Ten-story and twenty-story adjacent buildings were selected as example structures, and nonlinear hysteretic dampers were used to connect them. The Bouc-Wen model was used to model the nonlinear hysteretic dampers. The results show that the proposed control method could effectively reduce the dynamic responses, and the optimal control designs were different for each hazard.
In this research, an earthquake-resistant structural system consisting of a pin-connected steel frame and a bracing with metallic fuses is proposed. Contrary to the conventional braced frames, the main structural elements are deemed to remain elastic under earthquakes and the seismic energy is efficiently dissipated by the damper-braces with an amplification mechanism. The superiority of the proposed damping system lies in easy manufacture, high yield capacity and energy dissipation, and an effortless replacement of damaged fuses after earthquake events. Furthermore, the stiffness and the yield capacity are almost decoupled in the proposed damper-brace which makes it highly versatile for performance-based seismic design compared to most other dampers. A special attention is paid to derive the theoretical formulation for nonlinear behavior of the proposed damper-brace, which is verified using analytical results. Next, a direct displacement-based design procedure is provided for the proposed system and an example structure is designed and analyzed thoroughly to check its seismic performance. The results show that the proposed system designed with the provided procedure satisfies the given performance objective and can be used for developing highly efficient low-damage structures.
This study investigates the seismic energy dissipation capacity of a hybrid passive damper composed of a friction and a hysteretic slit damper. The capacity of the hybrid device required to satisfy a given target performance of a reinforced concrete moment resisting frame designed with reduced design base shear is determined based on the ASCE/SEI 7-10 process, and the seismic performances of the structures designed without and with the hybrid dampers are verified by nonlinear dynamic analyses. Fragility analysis is carried out to investigate the probability of a specified limit state to be reached. The analysis results show that in the structure with hybrid dampers the residual displacements are generally reduced and the dissipated inelastic energy is mostly concentrated on the dampers. At the Moderate to Extensive damage states the fragility turned out to be smallest in the structure with the hybrid dampers.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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