In this paper passive seismic retrofit devices for building structures developed by the author in recent years are introduced. The proposed damping devices were developed by slightly modifying the configuration of conventional devices and enhancing their effectiveness. First a seismic retrofit system consisting of a pin-jointed steel frame and rotational friction dampers installed at each corner of the steel frame was developed. Then two types of steel slit dampers were developed; box-type slit damper and multi-slit damper. In addition, hybrid dampers were developed by combining a slit damper and a friction damper connected in parallel. Finally a self-centering system was developed by using preloaded tendons and viscous dampers connected in series. For each retrofit system developed, an appropriate analytical model was developed, and the seismic performance was verified by loading test and earthquake analysis of case study structures. The experimental and analysis results show that the proposed systems can be used efficiently to enhance the seismic performance of building structures.
Energy dissipation systems increase the energy dissipation capacity of buildings considerably. In this study, the effect of dampers on a typical 10-storey reinforced concrete structure with a ductile moment-resisting frame was investigated. In this context, 5 different models were created according to the calculation of the slip load and the positions of the dampers in the structure. Nonlinear time-history analyzes using 11 different earthquake acceleration records were performed on the models using the ETABS program. As a result of the analyses, storey displacements, energy dissipation ratios, drift ratios, storey accelerations, storey shears, and hysteretic curves of the dampers on the first and last storey and overturning moments are presented. In the study, it was determined that friction dampers increased the energy dissipation capacities of all models. In addition, it has been determined that positioning the dampers in the outer region of the structures and taking the base shear as a basis in the slip load calculation will be more effective.
Most washing machines are now produced as a drum-type, where a washing drum mounted on a suspension system with springs and dampers, to minimize the transmittance of the vibration from the drum to the frame. A low-cost MR damper, using magneto-rheological fluids, can produce variable damping forces by changing the current values in the magnetic coil. Experimental results show the comparison of the vibration attenuation performances between two different dampers. One test set-up uses a passive damper and another one uses a MR fluid damper. The test results showed that the vibration amplitude of the washing machine with the MR damper is much smaller than the case with the passive damper.
The dynamic characteristics of the passive, semi-active, and active tuned-liquidcolumn dampers (or TLCDs) are studied in this paper. The design of the latter two are based on the first one. A water-head difference (or simply named as water head in this paper) of a passive TLCD is pre-set to form the so-called semi-active one in this paper. The pre-set of water head is released at a proper time instant during an earthquake excitation in order to enhance the vibration reduction of a structure. Two propellers are installed along a shaft inside and at the center of a passive TLCD to form an active one. These two propellers are driven by a servo-motor controlled by a computer to provide the control force. The seismic responses of a five-story shear building with a passive, semiactive, and active TLCDs are computed for demonstration and discussion. The responses of this building with a tuned mass damper (or TMD) are also included for comparison. The small-scale shaking-table experiments of a pendulum-like system with a passive or active TLCD to harmonic and seismic excitations are conducted for verification.
Control of structural response due to seismic excitation in a manner of coupling adjacent buildings has been actively developed, and most attention focused on those buildings of similar height. However, with the rapid development of some modern cities, multi-story buildings constructed with an auxiliary low-rise podium structure to provide extra functions to the complex become a growing construction scheme. Being inspired by the positively examined coupling control approach for buildings with similar height, this paper aims to provide a comprehensive analytical study on control effectiveness of using friction dampers to link the two buildings with significant height difference to supplement the recent experimental investigation carried out by the writers. The analytical model of a coupled building system is first developed with passive friction dampers being modeled as Coulomb friction. To highlight potential advantage of coupling the main building and podium structure with control devices that provide a lower degree of coupling, the inherent demerit of rigid-coupled configuration is then evaluated. Extensive parametric studies are finally performed. The concerned parameters influencing the design of optimal friction force and control efficiency include variety of earthquake excitation and differences in floor mass, story number as well as number of dampers installed between the two buildings. In general, the feasibility of interaction control approach applied to the complex structure for vibration reduction due to seismic excitation is supported by positive results.
This paper presents a theoretical study of a model predictive control (MPC) strategy employed in semi-active control system with magnetorheological (MR) dampers to reduce the responses of seismically excited structures. The MPC scheme is based on a prediction model of the system response to obtain the control actions by minimizing an objective function, which can compensate for the effect of time delay that occurred in real application. As an example, a 5-story building frame equipped with two 20 kN MR dampers is presented to demonstrate the performance of the proposed MPC scheme for addressing time delay and reducing the structural responses under different earthquakes, in which the predictive length l = 5 and the delayed time step d = 10, 20, 40, 60, 100 are considered. Comparison with passive-off, passive-on, and linear quadratic Gaussian (LQG) control strategy indicates that MPC scheme exhibits good control performance similar to the LQG control strategy, both have better control effectiveness than two passive control methods for most cases, and the MPC scheme used in semi-active control system show more effectiveness and robustness for addressing time delay and protecting structures during earthquakes.
Computational Structural Engineering : An International Journal
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제3권1호
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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.
A passive vibration mitigation architecture is proposed to damp transverse vibrations of guyed masts. The scheme is based on a number of pendula attached to the mast and tuned to the vibration modes to be controlled. This scheme differs from the well-known autoparametric pendulum absorber system. The equations of motion of the guyed mast with an arbitrary number of pendula are obtained. The leading bending behaviour of a typical truss mast is described by an equivalent beam model whereas the guys are conveniently modeled as equivalent transverse springs whose stiffness comprises the elastic and geometric stiffness. By assuming a mast with an inertially and elastically isotropic cross-section, a planar model of the guyed mast is investigated. The linearization of the equations of motion of the mast subject to a harmonic distributed force leads to the transfer functions of the structure without the dampers and with the dampers. The transfer functions allow to investigate the mitigation effects of the pendula. By employing one pendulum only, tuned to the frequency of the lowest mode, the effectiveness of the passive vibration potential in reducing the motion and acceleration of the top section of the mast is demonstrated.
Mercan, Oya;Ricles, James;Sause, Richard;Marullo, Thomas
Smart Structures and Systems
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제4권5호
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pp.667-684
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2008
Numerous devices exist for reducing or eliminating seismic damage to structures. These include passive dampers, semi-active dampers, and active control devices. The performance of structural systems with these devices has often been evaluated using numerical simulations. Experiments on structural systems with these devices, particularly at large-scale, are lacking. This paper describes a real-time hybrid testing facility that has been developed at the Lehigh University NEES Equipment Site. The facility enables real-time large-scale experiments to be performed on structural systems with rate-dependent devices, thereby permitting a more complete evaluation of the seismic performance of the devices and their effectiveness in seismic hazard reduction. The hardware and integrated control architecture for hybrid testing developed at the facility are presented. An application involving the use of passive elastomeric dampers in a three story moment resisting frame subjected to earthquake ground motions is presented. The experiment focused on a test structure consisting of the damper and diagonal bracing, which was coupled to a nonlinear analytical model of the remaining part of the structure (i.e., the moment resisting frame). A tracking indictor is used to track the actuator ability to achieve the command displacement during a test, enabling the quality of the test results to be assessed. An extension of the testbed to the real-time hybrid testing of smart structures with semi-active dampers is described.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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