In this study a seismic retrofit scheme for a building structure was presented using steel plate slit dampers. The energy dissipation capacity of the slit damper used in the retrofit was verified by cyclic loading test. Genetic algorithm was applied to find out the optimum locations of the slit dampers satisfying the target displacement. The seismic retrofit of the model structure using the slit dampers was compared with the retrofit with enlarging shear walls. A simple damper distribution method was proposed using the capacity spectrum method along with the damper distribution pattern proportional to the inter-story drifts. The validity of the simple story-wise damper distribution procedure was verified by comparing the results of genetic algorithm. It was observed that the capacity-spectrum method combined with the simple damper distribution pattern leaded to satisfactory story-wise distribution of dampers compatible with the optimum solution obtained from genetic algorithm.
Semi-active control devices have received significant attention in recent Years because they offer the adaptability of active-control devices without requiring the associated large power sources. Magnetorheological(MR) dampers are semiactive control devices that use MR fluids to produce controllable dampers. This paper applies sliding mode control method using target variation rate of Lyapunov function for the control of structures by use of MR dampers. The three-story building model under earthquake excitation is analyzed by installing a MR damper in the first-story. The performance of semi-active controllers designed by clipped-optimal algorithm and modified sliding mode control algorithm is compared to the performance of passive-type MR dampers. The results indicate that semi-active controllers achieve a greater reduction of responses than passive-type system and especially the controller by modified sliding mode control method shows a good applicability in the view of response control and control force.
This paper is concerned with the optimal seismic design of added viscous dampers in yielding plane frames. The total added damping is minimized for allowable values of local performance indices under the excitation of an ensemble of ground motions in both regular and irregular structures. The local performance indices are taken as the maximal inter-story drift of each story and/or the normalized hysteretic energy dissipated at each of the plastic hinges. Gradients of the constraints with respect to the design variables (damping coefficients) are derived, via optimal control theory, to enable an efficient first order optimization scheme to be used for the solution of the problem. An example of a ten story three bay frame is presented. This example reveals the following 'fully stressed characteristics' of the optimal solution: damping is assigned only to stories for which the local performance index has reached the allowable value. This may enable the application of efficient and practical analysis/redesign type methods for the optimal design of viscous dampers in yielding plane frames.
A control algorithm combining viscous and non-linear Reid damping mechanisms has been recently proposed by the authors to command active friction dampers. In this paper, friction dampers and the proposed algorithm are applied to control the seismic responses of a nonlinear 20-story building. Piezoelectric stack actuators are used to implement the control algorithm. The capacity of each damper is determined by the practical size of piezoelectric actuators and the availability of power supply. The saturation effect of the actuators on the building responses is investigated. To minimize the peak story drift ratio or floor acceleration of the building structure, a practical sequential procedure is developed to sub-optimally place the dampers on various floors. The effectiveness of active friction dampers and the efficiency of the proposed sequential procedure are verified by subjecting the building structure to four earthquakes of various intensities. The performance of 80 dampers and 137 dampers installed on the structure is evaluated according to 5 criteria. Numerical simulations indicated that the proposed control algorithm effectively reduces the seismic responses of the uncontrolled 20-story building, such as inelastic deformation. The sub-optimal placement of dampers based on peak acceleration outperforms that based on peak drift ratio for structures subjected to near-fault ground motions. Saturation of piezoelectric actuators has adverse effect on floor acceleration.
The optimal design of multiple tuned mass dampers (multiple TMD's) to suppress multi-mode structural response of beams and floor structures was investigated. A new method using a numerical optimizer, which can effectively handle a large number of design variables, was employed to search for both optimal placement and tuning of TMD's for these structures under wide-band loading. The first design problem considered was vibration control of a simple beam using 10 TMD's. The results confirmed that for structures with widelyspaced natural frequencies, multiple TMD's can be adequately designed by treating each structural vibration mode as an equivalent SDOF system. Next, the control of a beam structure with two closely-spaced natural frequencies was investigated. The results showed that the most effective multiple TMD's have their natural frequencies distributed over a range covering the two controlled structural frequencies and have low damping ratios. Moreover, a single TMD can also be made effective in controlling two modes with closely spaced frequencies by a newly identified control mechanism, but the effectiveness can be greatly impaired when the loading position changes. Finally, a realistic problem of a large floor structure with 5 closely spaced frequencies was presented. The acceleration responses at 5 positions on the floor excited by 3 wide-band forces were simultaneously suppressed using 10 TMD's. The obtained multiple TMD's were shown to be very effective and robust.
This paper proposes an optimal design method of a seismic reinforcement system for the seismic performance of adjacent asymmetric-stiffness structures with viscous dampers. The first method considers plan asymmetry for efficient seismic reinforcement, and evaluates the seismic performance of optimal design applied to two cases of modeling: adjacent stiffness-asymmetric structures and adjacent stiffness-symmetric structures. The second method considers the response of asymmetric structures to derive the optimal objective function, and evaluates seismic efficiency of the objective function applied to two cases of responses: horizontal displacement and torsion. Numerical analyses are conducted on 7- and 10-story structures with a uni-asymmetric-stiffness plan using six cases of historic earthquakes, normalized to 0.4g. The results indicate that the seismic performance is excellent as modeled by adjacent asymmetric-stiffness structures and how much horizontal displacement is applied as the objective function.
A multi-input single-output (MISO) semi-active control systems were studied by many researchers. For more improved vibration control performance, a structure requires more than one control device. In this paper, multi-input multi-output (MIMO) semi-active fuzzy controller has been proposed for vibration control of seismically excited small-scale buildings. The MIMO fuzzy controller was optimized by multi-objective genetic algorithm. For numerical simulation, five-story example building structure is used and two MR dampers are employed. For comparison purpose, a clipped-optimal control strategy based on acceleration feedback is employed for controlling MR dampers to reduce structural responses due to seismic loads. Numerical simulation results show that the MIMO fuzzy control algorithm can provide superior control performance to the clipped-optimal control algorithm.
Multiple tuned mass dampers (MTMDs) tuned to various frequencies have been shown to efficiently control the seismic response of structures where multiple modes are dominant. One example is irregular structures that are found more vulnerable than their symmetric counterparts. With the technology of MTMDs available, design and optimal design methodologies are required for application. Such a methodology, in the form of an analysis/redesign (A/R) scheme, has been previously presented by the authors while limiting responses of interest to allowable values, i.e., performance-based design (PBD). In this paper, the A/R procedure is modified based on formal optimality criteria, making it more cost efficient, as well as more computationally efficient. It is shown that by using the methodology presented herein, a desired performance level is successfully targeted by adding near-optimal amounts of mass at various locations and tuning the TMDs to dampen several of the structure's frequencies. This is done using analysis tools only.
This paper presents machine learning methods using Support Vector Machine (SVM) and Multilayer Perceptron (MLP) to analyze optimal damper distribution for structural vibration control. Regarding different building structures, a genetic algorithm based optimization method is used to determine optimal damper distributions that are further used as training samples. The structural features, the objective function, the number of dampers, etc. are used as input features, and the distribution of dampers is taken as an output result. In the case of a few number of damper distributions, multi-class prediction can be performed using SVM and MLP respectively. Moreover, MLP can be used for regression prediction in the case where the distribution scheme is uncountable. After suitable post-processing, good results can be obtained. Numerical results show that the proposed method can obtain the optimized damper distributions for different structures under different objective functions, which achieves better control effect than the traditional uniform distribution and greatly improves the optimization efficiency.
In this paper, Simple Adaptive Control (SAC) is used to enhance the seismic response of nonlinear tall buildings based on acceleration feedback. Semi-active MR dampers are employed as control actuator due to their reliability and well-known dynamic models. Acceleration feedback is used because of availability, cost-efficiency and reliable measurements of acceleration sensors. However, using acceleration feedback in the control loop causes the structure not to apparently meet some requirements of the SAC algorithm. In addition to defining an appropriate SAC reference model and using inherently stable MR dampers, a modification in the original structure of the SAC is proposed in order to improve its adaptability to the situation in which the plant does not satisfy the algorithm's stability requirements. To investigate the performance of the developed control system, a numerical study is conducted on the benchmark 20-story nonlinear building and the responses of the SAC-controlled structure are compared to an $H_2/LQG$ clipped-optimal controller under the effect of different seismic excitations. As indicated by the results, SAC controller effectively reduces the story drifts and hence the seismically-induced damage throughout the structural members despite its simplicity, independence of structural parameters and while using fewer number of dampers in contrast with the $H_2/LQG$ clipped-optimal controller.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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