Modeling of magnetorheological (MR) dampers for cable vibration control to facilitate the design of even more effective and economical systems is still a challenging task. In this study, a parameter-adaptive three-element model is first established for a full-scale MR damper based on laboratory tests. The parameters of the model are represented by a set of empirical formulae in terms of displacement amplitude, voltage input, and excitation frequency. The model is then incorporated into the governing equation of cable-damper system for investigation of open-loop vibration control of stay cables in a cable-stayed bridge. The concept of optimal voltage/current input achieving the maximum damping for the system is put forward and verified. Multi-mode suboptimal and Single-mode optimal open-loop control method is then developed. Important conclusions are drawn on application issues and unique characteristics of open-loop cable vibration control using MR dampers.
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.
Some design formulas and design procedures for single and multiple tuned liquid column dampers (TLCDs) are proposed in this study. Previous studies show that if the properties of the TLCD system are properly selected then the TLCD could be as effective as the traditional tuned mass dampers. In addition, the TLCD system offers advantages such as flexibility in terms of installation, little maintenance required, and potentials for multiple usage, etc., which are incomparable by other mechanical types of dampers. In this paper, a set of optimal properties such as length and head loss of a TLCD system are derived under the assumption that the building vibrates in a dominate mode and is subjected to Gaussian white noise excitation. A design procedure for a single TLCD system will be illustrated and discussed. Due to the nonlinearity in the damping term, the TLCD system is sensitive to the loading intensity. This loading sensitivity could limit the application range of the TLCD system. It will be shown in this paper that such a nonlinear effect can be reduced by using multiple TLCDs. As a demonstrative example, the control effects on a flexible building modeled as a single degree-of-freedom system subjected to white noise excitation will be analyzed and discussed using single or multiple TLCDs.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.34
no.3
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pp.729-737
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2014
A study has been carried out that effectively controls the vibration of asymmetric cable-stayed bridges caused by earthquakes with MR dampers. In order to enhance the practical serviceability of MR dampers, an asymmetric cable-stayed bridge structure has been designed and produced, and a MR damper has been produced so as to have this bridge structure controlled appropriately. An experiment that controls vertical and horizontal vibrations has been carried out by exciting the asymmetric cable-stayed bridge in the horizontal direction with the El-centro seismic wave. The control performance of the MR damper has been evaluated under the five control conditions in the experiments of vibration control in each direction. As a result of the experiment, MR dampers were proved to control vibrations more effectively when either Lyapunov control algorithm or Clipped-optimal control algorithm was used to control vibrations of the asymmetric cable-stayed bridge caused by earthquakes. In addition, different controlling effects were found in vibration controls in vertical and horizontal directions due to the asymmetry of the structure and the horizontal excitation. With such controlling effects, semi-active MR dampers are evaluated to effectively control vibrations caused by earthquakes in flexible and asymmetric structures such as asymmetric cable-stayed bridges.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.6
no.2
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pp.63-71
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2002
This paper examines the ASCE first generation benchmark problem for a seismically excited cable-stayed bridge, and proposes a new semi-active control strategy focusing on inclusion of effects of control-structure interaction. This benchmark problem focuses on a cable-stayed bridge in Cope Girardeau, Missouri, USA, for which construction is expected to be completed in 2003. Seismic considerations were strongly considered in the design of this bridge due to the location of the bridge in the New Madrid seismic zone and its critical role as a principal crossing of the Mississippi River. In this paper, magnetorheological(MR) fluid dampers are proposed as the supplemental damping devices, and a clipped-optimal control algorithm is employed. Several types of dynamic models for MR fluid dampers, such as a Bingham model, a Bouc-Wen model, and a modified Bouc-Wen model, are considered, which are obtained from data based on experimental results for full-scale dampers. Because the MR fluid damper is a controllable energy-dissipation device that cannot add mechanical energy to the structural system, the proposed control strategy is fail-safe in that bounded-input, bounded-output stability of the controlled structure is guaranteed. Numerical simulation results show that the performance of the proposed semi-active control strategy using MR fluid dampers is quite effective.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.11
no.6
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pp.1-14
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2007
Optimal design method of nonlinear damping system for seismic response control of adjacent structures is studied in this paper. The objective functions of the optimal design are defined by structural response and total amount of the dampers. In order to obtain a solution minimizing two mutually conflicting objective functions simultaneously, multi-objective optimization technique based on genetic algorithm is adopted. In addition, stochastic linearization method is embedded into the multi-objective framework to efficiently estimate the seismic responses of the adjacent structures interconnected by nonlinear hysteretic dampers without performing nonlinear time-history analyses. As a numerical example to demonstrate the effectiveness of the proposed technique, 20-story and 10-story buildings are considered and MR dampers of which hysteretic behaviors vary with the magnitude of the input voltage are considered as nonlinear hysteretic damper interconnecting two adjacent buildings. The proposed approach can provide the optimal number and capacities of the MR dampers, which turned out to be more economical than the uniform distribution system while maintaining similar control performance. The proposed damper system is verified to show more stable performance in terms of the pounding probability between two adjacent buildings. The applicability of the proposed method to the design problem for optimally placing semi-active control system is examined as well.
The pounding phenomenon in adjacent structures happens in severing earthquakes that can cause great damages. Connecting neighboring structures with active and semi-active control devices is an effective method to avoid mutual colliding between neighboring buildings. One of the most important issues in control systems is applying online control force. There will be a time delay if the prose of producing control force does not perform on time. This paper proposed a time-delay compensation method in coupled structures control, with semi-active Magnetorheological (MR) damper. This method based on Newmark's integration is adopted to mitigate the time-delay effect. In this study, Lyapunov's direct approach is employed to compute demanded voltage for MR dampers. Using Lyapunov's direct algorithm guarantees the system stability to design a controller based on feedback. Because of the strong nonlinearity of MR dampers, the equation of motion of coupled structures becomes an involved equation, and it is impossible to solve it with the common time step methods. In present paper modified Newmark-Beta integration based on the instantaneous optimal control algorithm, used to solve the involved equation. In this method, the response of a coupled system estimated base on optimal control force. Two MDOF structures with different degrees of freedom are finally considered as a numeric example. The numerical results show, the Newmark compensation is an efficient method to decrease the negative effect of time delay in coupled systems; furthermore, instantaneous optimal control algorithm can estimate the response of structures suitable.
Two novel semi-active control methods for a seismically excited nonlinear benchmark building equipped with magnetorheological dampers are presented and evaluated in this paper. While a primary controller is designed to estimate the optimal control force of a magnetorheological (MR) damper, the required voltage input for the damper to produce such desired control force is achieved using two different methods. The first technique uses an optimal compact Takagi-Sugeno-Kang (TSK) fuzzy inverse model of MR damper to predict the required voltage to actuate the MR dampers (TSKFInv). The other voltage regulator introduced here works based on the maximum and minimum capacities of MR damper at each time-step (MaxMin). Both semi-active algorithms developed here, use acceleration feedback only. The results demonstrate that both TSKFInv and MaxMin algorithms are quite effective in seismic response reduction for wide range of motions from moderate to severe seismic events, compared with the passive systems and performs better than original and Modified clipped optimal controller systems, known as COC and MCOC.
A design method of a Multiple Tuned Mass Damper (MTMD) system is presented for wind induced vibration control of a cable-supported roof structure. Modal contribution analysis is carried out to determine the dominating modes of the structure for the MTMD design. Two MTMD systems are developed for two most dominating modes. Each MTMD system is composed of multiple TMDs with small masses spread at multiple locations with large responses in the corresponding mode. Frequencies of TMDs are distributed uniformly within a range around the dominating frequencies of the roof structure to enhance the robustness of the MTMD system against uncertainties of structural frequencies. Parameter optimizations are carried out by minimizing objective functions regarding the structural responses, TMD strokes, robustness and mass cost. Two optimization approaches are used: Single Objective Approach (SOA) using Sequential Quadratic Programming (SQP) with multi-start method and Multi-Objective Approach (MOA) using Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II (NSGA-II). The computation efficiency of the MOA is found to be superior to the SOA with consistent optimization results. A Pareto optimal front is obtained regarding the control performance and the total weight of the TMDs, from which several specific design options are proposed. The final design may be selected based on the Pareto optimal front and other engineering factors.
Passive negative stiffness dampers (NSDs) that possess superior energy dissipation abilities, have been proved to be more efficient than commonly adopted passive viscous dampers in controlling stay cable vibrations. Recently, inertial mass dampers (IMDs) have attracted extensive attentions since their properties are similar to NSDs. It has been theoretically predicted that superior supplemental damping can be generated for a taut cable with an IMD. This paper aims to theoretically investigate the impact of the cable sag on the efficiency of an IMD in controlling stay cable vibrations, and experimentally validate superior vibration mitigation performance of the IMD. Both the numerical and asymptotic solutions were obtained for an inclined sag cable with an IMD installed close to the cable end. Based on the asymptotic solution, the cable attainable maximum modal damping ratio and the corresponding optimal damping coefficient of the IMD were derived for a given inertial mass. An electromagnetic IMD (EIMD) with adjustable inertial mass was developed to investigate the effects of inertial mass and cable sag on the vibration mitigation performance of two model cables with different sags through series of first modal free vibration tests. The results show that the sag generally reduces the attainable first modal damping ratio of the cable with a passive viscous damper, while tends to increase the cable maximum attainable modal damping ratio provided by the IMD. The cable sag also decreases the optimum damping coefficient of the IMD when the inertial mass is less than its optimal value. The theoretically predicted first modal damping ratio of the cable with an IMD, taking into account the sag generally, agrees well with that identified from experimental results, while it will be significantly overestimated with a taut-cable model, especially for the cable with large sag.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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