The main objective of this paper is the robust multi-objective optimization design of semi-active tuned mass damper (STMD) system using genetic algorithms and fuzzy logic. For optimal design of this system, it is required that the uncertainties which may exist in the system be taken into account. This consideration is performed through the robust design optimization (RDO) procedure. To evaluate the optimal values of the design parameters, three non-commensurable objective functions namely: normalized values of the maximum displacement, velocity, and acceleration of each story level are considered to minimize simultaneously. For this purpose, a fast and elitist non-dominated sorting genetic algorithm (NSGA-II) approach is used to find a set of Pareto-optimal solutions. The torsional effects due to irregularities of the building and/or unsymmetrical placements of the dampers are taken into account through the 3-D modeling of the building. Finally, the comparison of the results shows that the probabilistic robust STMD system is capable of providing a reduction of about 52%, 42.5%, and 37.24% on the maximum displacement, velocity, and acceleration of the building top story, respectively.
Tuned mass dampers (TMDs) have been installed in many high-rise buildings, to improve their resiliency under dynamic loads. However, high-rise buildings may experience natural frequency changes under ambient temperature fluctuations, extreme wind loads and relative humidity variations. This makes the design of a TMD challenging and may lead to a detuned scenario, which can reduce significantly the performance. To alleviate this problem, the current paper presents a proposed approach for the design of a robust and efficient TMD. The approach accounts for the uncertain natural frequency, the optimization objective and the input excitation. The study shows that robust design parameters can be different from the optimal parameters. Nevertheless, predetermined optimal parameters are useful to attain design robustness. A case study of a high-rise building is executed. The TMD designed with the proposed approach showed its robustness and effectiveness in reducing the responses of high-rise buildings under multidirectional wind. The case study represents an engineered design that is instructive. The results show that shear buildings may be controlled with less effort than cantilever buildings. Structural control performance in high-rise buildings may depend on the shape of the building, hence the flow patterns, as well as the wind direction angle. To further increase the performance of the robust TMD in one lateral direction, active control using LQG and fuzzy logic controllers was carried out. The performance of the controllers is remarkable in enhancing the response reduction. In addition, the fuzzy logic controller may be more robust than the LQG controller.
The effectiveness of conventional tuned liquid dampers (TLDs) in controlling the wind-induced response of tall flexible structures has been indicated. However, the impaired control effect in the detuning condition or a considerably high mass cost of liquid may be incurred in ensuring the high-level serviceability. To provide an efficient TLD-based solution for wind-induced vibration control, this study proposes a serviceability-oriented optimal design method for isolated TLDs (ILDs) and derives analytical design formulae. The ILD is implemented by mounting the TLD on the linear isolators. Stochastic response analysis is performed for the ILD-equipped structure subjected to stochastic wind and white noise, and the results are considered to derive the closed-form responses. Correspondingly, an extensive parametric analysis is conducted to clarify a serviceability-oriented optimal design framework by incorporating the comfort demand. The obtained results show that the high-level serviceability demand can be satisfied by the ILD based on the proposed optimal design framework. Analytical design formulae can be preliminarily adopted to ensure the target serviceability demand while enhancing the structural displacement performance to increase the safety level. Compared with conventional TLD systems, the ILD exhibits higher effectiveness and a larger frequency bandwidth for wind-induced vibration control at a small mass ratio.
In the past decades, much effort has been made towards the study of single-mode-based vibration controls with dynamic energy absorbers such as single or multiple Tuned Mass Dampers(TMDs). With the increase of bridge span length and the tendency of the bridge cross-section being more slender and streamlined, multi-mode coupled vibrations as well as their controls have become very important for large bridges susceptible to strong winds. As a simple but effective device, the TMD system especially the semi-active one has become a promising option for such coupled vibration controls. However, despite various studies of optimal controls of single-mode-based vibrations with TMDs, research on the corresponding controls of the multi-mode coupled vibrations is very rare so far. For the development of a semi-active control strategy to suppress the multi-mode coupled vibrations, a comprehensive parametric analysis on the optimal variables of this control is substantial. In the present study, a multi-mode control strategy named "three-row" TMD system is discussed and the general numerical equations are developed at first. Then a parametric study on the optimal control variables for the "three-row" TMD system is conducted for a prototype Humen Suspension Bridge, through which some useful information and a better understanding of the optimal control variables to suppress the coupled vibrations are obtained. This information lays a foundation for the design of semi-active control.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.31
no.6
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pp.301-308
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2018
This paper presents an optimal design method of a hybrid structural control system considering multi-hazard. Unlike a typical structural control system in which one system is designed for one specific type of hazard, a simultaneous optimal design method for both active and passive control systems is proposed for the mitigation of seismic and wind induced vibration responses of structures. As a numerical example, an optimal design problem is illustrated for a hybrid mass damper(HMD) and 30 viscous dampers which are installed on a 30 story building structure. In order to solve the optimization problem, a self-adaptive Harmony Search(HS) algorithm is adopted. Harmony Search algorithm is one of the meta-heuristic evolutionary methods for the global optimization, which mimics the human player's tuning process of musical instruments. A self-adaptive, dynamic parameter adjustment algorithm is also utilized for the purpose of broad search and fast convergence. The optimization results shows that the performance and effectiveness of the proposed system is superior with respect to a reference hybrid system in which the active and passive systems are independently optimized.
Ha, Dong-Ho;Koh, Hyun-Moo;Ok, Seung-Yong;Lee, Sun-Young
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.11
no.4
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pp.33-42
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2007
This paper describes the state-of-the art research activities on seismic isolation systems for improving the seismic capacities of the bridges in Korea. Though Korea is located in a region of low-to-moderate seismicity, the construction of seismic isolation systems has increased rapidly. The application of seismic isolation system has become popular worldwide because of its stable behavior and economical construction especially for bridge structures. Since optimal reliability level of isolated bridges can be determined as the one that provides the highest net life-cycle benefit to society, or the minimum Life-Cycle Cost (LCC), an optimal design procedure based on minimum LCC concept is more expedient for the design of seismically isolated bridges in areas of low-to-moderate seismicty. To verify the adequacy of the new design concept based on the LCC minimization, experimental studies on seismically isolated bridge are introduced as well, which include pseudo-dynamic test of scaled pier and dynamic field test of full-scale. With the application of seismic isolation systems, many kinds of dampers to improve the seismic capacity of structure are also applied not only to new bridges but also to existing bridges.
The present study aims at proposing an analytical method for semi-active structural control by using block pulse functions. The performance of the resulting controlled system and the requirements of the control devices are highly dependent on the control algorithm employed. In control problems, it is important to devise an accurate analytical method with less computational expenses. Block pulse functions (BPFs) set proved to be the most fundamental and it enjoyed immense popularity in different applications in the area of numerical analysis in systems science and control. This work focused on the application of BPFs in the control algorithm concerning decrease the computational expenses. Variable orifice dampers (VODs) are one of the common semi-active devices that can be used to control the response of civil Structures during seismic loads. To prove the efficiency of the proposed method, numerical simulations for a 10-story shear building frame equipped with VODs are presented. The controlled response of the frame was compared with results obtained by controlling the frame by the classical clipped-optimal control method based on linear quadratic regulator theory. The simulation results of this investigation indicated the proposed method had an acceptable accuracy with minor computational expenses and it can be advantageous in reducing seismic responses.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.1
no.3
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pp.29-35
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1997
The megastructure combined with the modular concept is an effcient structural system adequate for ultra-tail buildings for the future. An ingeneous structural control system can be developed by separating the internal subframe in one or many modules from the external megaframe, thus taking advantage of the effect of tuned mass dampers without adding any aditional mass. This so called mega-subcontrol system is generally modeled by a 20DF system for parametric study and for finding optimal values of the parameters. In this study the equation of motion for the system is obtained frist and the preconditions for the simplified modeling are investigated. Finally the optimal value for the subsreucture strffness is fomputed with given mass and damping ratios and transfer functions for responses are abtained for white noise ground exitation to verify the effectiveness of the mega-subcontrol system.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.14
no.3
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pp.75-84
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2014
When adjacent tall buildings experience earthquake excitation, structural pounding may happen. In order to mitigate seismic pounding damage to adjacent structures, many studies have been done to date. Tuned mass dampers (TMD) are widely used for reduction of dynamic responses of building structures subjected to earthquake excitations. If a TMD is shared between adjacent buildings and it shows good control performance, it will be effective and economic means to reduce seismic responses of adjacent structures. In this study, control performance of a shared tuned mass damper (STMD) for seismic response reduction of adjacent buildings has been evaluated. For this purpose, two 8-story example buildings were used and multi-objective genetic algorithms has been employed for optimal design of the stiffness and damping parameters of the STMD. Based on numerical analyses, it has been shown that a STMD can effectively control dynamic responses and reduce the effect of pounding between adjacent buildings subjected to earthquake excitations in comparison with a traditional TMD.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.13
no.2
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pp.131-136
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2014
In this paper, a fire resistance test was carried out in accordance with the change of the insulation conditions on the exposed side and unexposed side of a coaming to obtain the optimal insulation conditions for class H-120 insulation in connection with specimen1 of the preceding paper for an evaluation of the fireproof performance of fire dampers according to hydrocarbon fire conditions. In the test results, specimen2(88 mm, $171^{\circ}C$) met the class H-120 insulation conditions, but specimen3(76mm, $181^{\circ}C$) exceeded the thermal insulation acceptance criteria at 110 minutes. Therefore, specimen2(88 mm) represents the optimal insulation conditions as a possible lightweight materialas compared to specimen1. From a comparison of the test results, we concluded that the temperature increase of the coaming insulation surface was influenced by conductive heat from the bulkhead and that the coaming surface was influenced by radiant heat from the blade and coaming.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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