Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2003.10a
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pp.153-160
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2003
The objective of optimal placement of dampers for a structure is to maximize the effective-ness of the vibration control with the same number of dampers. While many optimal placement methods of linear viscous dampers have been proposed and used, there are only a few methods for MR dampers. Here some optimal location indices for M dampers are proposed, which are similar to those for linear viscous dampers and show how large the structural responses on each floor are. Every time an additional MR damper is implemented, the optimal location index on each floor is measured, and then the next damper is installed on the floor with the maximum location index. In these sequential procedures, the peak interstory drift, the peak interstory velocity and the absolute acceleration of each floor are selected as the optimal location indeices. Four different earthquakes with various scales are loaded to the 20-story nonlinear benchmark building model (Otori et al. 2000, 2002). Passive On/on algorithms are used in order to represent the control algorithm of M dampers.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2003.09a
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pp.467-472
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2003
The objective of optimal placement of dampers for a structure is to maximize the effectiveness of the vibration control with the same number of dampers. While many optimal placement methods of linear viscous dampers have been proposed and used, there are only a few methods for MR dampers. Here some optimal location indices for MR dampers are proposed, which are similar to those for linear viscous dampers and show how large the structural responses on each floor we. Every time an additional MR damper is implemented, the optimal location index on each floor is measured, and then the next damper is installed on the floor with the maximum location index. In these sequential procedures, the peak interstory drift, the peak interstory velocity and the absolute acceleration of each floor are selected as the optimal location indeices. Four different earthquakes with various scales are loaded to the 20-story nonlinear benchmark building model (Otori et at. 2000, 2002). Passive On/Off algorithms are used in order to represent the control algorithm of MR dampers.
Oil, hysteretic and inertial mass dampers are representatives of passive dampers used for smart enhancement of seismic performance of building structures. Since oil dampers have a nonlinear relief mechanism and hysteretic dampers possess nonlinear restoring-force characteristics, several difficulties arise in the evaluation of buildings including such dampers. The purpose of this paper is to propose a practical method for simultaneous optimal use of such dampers. The optimum design problem is formulated so as to minimize the maximum interstory drift under design earthquakes in terms of a set of damper quantities subject to an equality constraint on the total cost of dampers. The proposed method to solve the optimum design problem is a successive procedure which consists of two steps. The first step is a sensitivity analysis by using nonlinear time-history response analyses, and the second step is a modification of the set of damper quantities based upon the sensitivity analysis. Numerical examples are conducted to demonstrate the effectiveness and validity of the proposed design method.
One of the most effective countermeasures for mitigating cable vibration is to install mechanical dampers near the anchorage of the cable. Most of the dampers used in the field are so-called passive dampers where their parameters cannot be changed once designed. The parameters of passive dampers are usually determined based on the optimal damper force obtained from the universal design curve for linear dampers, which will provide a maximum additional damping for the cable. As the optimal damper force is chosen based on a predetermined principal vibration mode, passive dampers will be most effective if cable undergoes single-mode vibration where the vibration mode is the same as the principal mode used in the design. However, in the actual engineering practice, multi-mode vibrations are often observed for cables. Therefore, it is desirable to have dampers that can suppress different modes of cable vibrations simultaneously. In this paper, MR dampers are proposed for controlling multi-mode cable vibrations, because of its ability to change parameters and its adaptability of active control without inquiring large power resources. Although the highly nonlinear feature of the MR material leads to a relatively complex representation of its mathematical model, effective control strategies can still be derived for suppressing multi-mode cable vibrations based on nonlinear modelling, as proposed in this paper. Firstly, the nonlinear Bouc-wen model is employed to accurately portray the salient characteristics of the MR damper. Then, the desired optimal damper force is determined from the universal design curve of friction dampers. Finally, the input voltage (current) of MR damper corresponding to the desired optimal damper force is calculated from the nonlinear Bouc-wen model of the damper using a piecewise linear interpolation scheme. Numerical simulations are carried out to validate the effectiveness of the proposed control algorithm for mitigating multi-mode cable vibrations induced by different external excitations.
Seismic retrofitting of existing buildings and design of earth-quake resistant buildings are important issues associated with earthquake-prone zones. Use of metallic-yielding dampers as an energy dissipation system is an acceptable method for controlling damages in structures and improving their seismic performance. In this study, the optimal distribution of dampers for reducing the seismic response of steel frames with multi-degrees freedom is presented utilizing the uniform distribution of deformations. This has been done in a way that, the final configuration of dampers in the frames lead to minimum weight while satisfying the performance criteria. It is shown that such a structure has an optimum seismic performance, in which the maximum structure capacity is used. Then the genetic algorithm which is an evolutionary optimization method is used for optimal arrangement of the steel dampers in the structure. In continuation for specifying the optimal accurate response, the local search algorithm based on the gradient concept has been selected. In this research the introduced optimization methods are used for optimal retrofitting in the moment-resisting frame with inelastic behavior and initial weakness in design. Ultimately the optimal configuration of dampers over the height of building specified and by comparing the results of the uniform deformation method with those of the genetic algorithm, the validity of the uniform deformation method in terms of accuracy, Time Speed Optimization and the simplicity of the theory have been proven.
Computational Structural Engineering : An International Journal
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v.3
no.1
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pp.61-68
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2003
A recently developed semi-active control system employing magneto-rheological (MR) fluid dampers is applied to vibration control of a wind excited tall building. The semi-active control system with MR fluid dampers appears to have the reliability of passive control devices and the adaptability of fully active control systems. The system requires only small power source, which is critical during severe events, when the main power source may fail. Numerical simulation studies are performed to demonstrate the efficiency of the MR dampers on the third ASCE benchmark problem. Multiple MR dampers are assumed to be installed in the 76-story building. Genetic algorithm is applied to determine the optimal locations and capacities of the MR dampers. Clipped optimal controller is designed to control the MR dampers based on the acceleration feedback. To verify the robustness with respect to the variation of the external wind force, several cases with different wind forces are considered in the numerical simulation. Simulation results show that the semi-actively controlled MR dampers can effectively reduce both the peak and RMS responses the tall building under various wind force conditions. The control performance of the MR dampers for wind is found to be fairly similar to the performance of an active tuned mass damper.
In this study, first, transformation process of damping ratios, whose are evaluated in active control analysis, into damping matrix resulting from installed viscous dampers is illustrated. Then, a method is followed to maximize the effect of response reduction, which leads to optimum locations and size of viscous dampers using sensitivity analysis. Highly coupled nonlinearity between damping ratios and dampers makes it hard to find the optimal size of dampers. Therefore, the nonlinearity is transformed to linear problem with small increments of damping ratios and the size of dampers can be found. However, there are many cases for the size of dampers satisfying the small increment of damping ratios, so it is necessary to select minimum size using optimization technique. To determine optimum locations of dampers, dampers are assumed to be installed between the different stories and their locations are selected corresponding corresponding to the degree of damping size. Numerical examples for the frame structure and the shear wall structure show that optimum locations and size of dampers are different form each other depending on the characteristics of modal responses of the structures. The proposed method in this study can be applied to get optimum locations of active controller in the active control.
In this paper, a systematic technique is proposed for the optimal placement and design of nonlinear dampers for building structures. The concept of Output Frequency Response Function (OFRF) is applied to analytically represent the output frequency response of a building frame where nonlinear viscous dampers are fitted for suppression of vibration during earthquakes. An effective algorithm is derived using the analytical representation to optimally determine the locations and parameters of the nonlinear dampers. Various numerical examples are provided to verify the effectiveness of the optimal designs. A comparison of the vibration suppression performance with that of the frame structure under a random or uniform damping allocation is also made to demonstrate the advantages of the new designs over traditional solutions.
Over the past few decades, seismic retrofitting of structural systems has been significantly improved by the adoption of various methods such as FRP composite wraps, base isolation systems, and passive/active damper control systems. In parallel with this trend, probabilistic risk assessment (PRA) for structural and nonstructural components has become necessary for risk mitigation and the achievement of reliable designs in performance-based earthquake engineering. The primary objective of the present study was to evaluate the effect on piping fragility at T-joints due to seismic retrofitting of structural systems with passive energy-dissipation devices (i.e., linear viscous dampers). Three mid-rise building types were considered: without any seismic retrofitting; with distributed damper systems; with optimal placement of dampers. The results showed that the probability of piping system failure was considerably reduced in a Multi Degree of Freedom (MDOF) building retrofitted with optimal passive damper systems at lower floor levels. This effect of damper systems on piping fragility became insignificant as the floor level increased.
The aeroelastic stability of bridge decks equipped with multiple tuned mass dampers is studied. The problem is attacked in the time domain, by representing self-excited loads with the aid of aerodynamic indicial functions approximated by truncated series of exponential filters. This approach allows to reduce the aeroelastic stability analysis in the form of a direct eigenvalue problem, by introducing an additional state variable for each exponential term adopted in the approximation of indicial functions. A general probabilistic framework for the optimal robust design of multiple tuned mass dampers is proposed, in which all possible sources of uncertainties can be accounted for. For the purposes of this study, the method is also simplified in a form which requires a lower computational effort and it is then applied to a general case study in order to analyze the control effectiveness of regular and irregular multiple tuned mass dampers. A special care is devoted to mistuning effects caused by random variations of the target frequency. Regular multiple tuned mass dampers are seen to improve both control effectiveness and robustness with respect to single tuned mass dampers. However, those devices exhibit an asymmetric behavior with respect to frequency mistuning, which may weaken their feasibility for technical applications. In order to overcome this drawback, an irregular multiple tuned mass damper is conceived which is based on unequal mass distribution. The optimal design of this device is finally pursued via a full domain search, which evidences a remarkable robustness against frequency mistuning, in the sense of the simplified design approach.
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