The structural vibration suppression with active constrained layer damping (ACLD) was widely studied recently. However, the literature seldom concerned with the vibration control on flow-induced vibration using active constrained layer. In this paper the wind induced vibration of cantilevered beam is analyzed and suppressed by using random theory together with a velocity feedback control strategy. The piezoelectric material and frequency dependent viscoelastic layer are used to achieve effective active damping in the vibration control. The transverse displacement and velocity in time and frequency domains, as well as the power spectral density and the mean-square value of the transverse displacement and velocity, are formulated under wind pressure at variable control gain. It is observed from the numerical results that the wind induced vibration can be significantly suppressed by using a small outside active voltage on the constrained layer.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2005.04a
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pp.375-382
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2005
In this paper, a practical control method of wind-induced vibration of high-rise buildings is presented in the form of resizing algorithm. In the structural design process for high-rise buildings, the lateral load resisting system for the building is more often determined by serviceability design criteria including wind-induced vibration level. Even though many drift method have been developed in various forms, no practical design method for wind induced vibration has been developed so far. Structural engineers rely upon heuristic or experience in designing wind induced vibration. The performance of the proposed method is evaluated by comparing wind-induced vibration levels estimated both from approximate techniques and wind tunnel test.
Proceedings of the Korea Committee for Ocean Resources and Engineering Conference
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2000.10a
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pp.79-83
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2000
A sliding mode fuzzy control (SMFC) with disturbance estimator is applied to design a controller for the third generation benchmark problem on an wind-excited building. A distinctive feature in vibration control of large civil infrastructure is the existence of large disturbances, such as wind, earthquake, and sea wave forces. Those disturbances govern the behavior of the structure, however, they cannot be precisely measured, especially for the case of wind-induced vibration control. Since the structural accelerations are measured only at a limited number of locations without the measurement of the wind forces, the structure of the conventional control may have the feed-back loop only. General structure of the SMFC is composed of a compensation part and a convergent part. The compensation part prevents the system diverge, and the convergent part makes the system converge to the sliding surface. The compensation part uses not only the structural response measurement but also the disturbance measurement, so the SMFC has a feed-back loop and a feed-forward loop. To realize the virtual feed-forward loop for the wind-induced vibration control, disturbance estimation filter is introduced. the structure of the filter is constructed based on an auto regressive model for the stochastic wind force. This filter estimates the wind force at each time instance based on the measured structural responses and the stochastic information of the wind force. For the verification of the proposed algorithm, a numerical simulation is carried out on the benchmark problem of a wind-excited building. The results indicate that the present control algorithm is very efficient for reducing the wind-induced vibration and that the performance indices improve as the filter for wind force estimation is employed.
It is well known that cylinder steel stacks are heavily impacted by vortex-induced vibration. However, the wind-induced vibration behaviors of tower-supported steel stacks are not clarified due to a lack of observation. We studied a stack's response to strong winds over a long period of time by observing the extreme wind-induced vibration of a 200 m-high tower-supported steel stack. This experiment aimed to identify the wind-induced vibration properties of a tower-supported steel stack and assess the validity of the vibration control method used in the experiment. Results revealed a trend in wind-induced vibration behavior. In turn, an effective measure for controlling such vibration was defined by means of increasing the structural damping ratio due to the effects of the tuned mass damper to dramatically decrease the vortex-induced vibration of the stack.
To effectively extract the vast wind resource, offshore wind turbines are designed with large rotor and slender tower, which makes them vulnerable to external vibration sources such as wind and wave loads. Substantial research efforts have been devoted to mitigate the unwanted vibrations of offshore wind turbines to ensure their serviceability and safety in the normal working condition. However, most previous studies investigated the vibration control of wind turbines in one direction only, i.e., either the out-of-plane or in-plane direction. In reality, wind turbines inevitably vibrate in both directions when they are subjected to the external excitations. The studies on both the in-plane and out-of-plane vibration control of wind turbines are, however, scarce. In the present study, the NREL 5 MW wind turbine is taken as an example, a detailed three-dimensional (3D) Finite Element (FE) model of the wind turbine is developed in ABAQUS. To simultaneously control the in-plane and out-of-plane vibrations induced by the combined wind and wave loads, another carefully designed (i.e., tuned) spring and dashpot are added to the perpendicular direction of each Tuned Mass Damper (TMD) system that is used to control the vibrations of the tower and blades in one particular direction. With this simple modification, a bi-directional TMD system is formed and the vibrations in both the out-of-plane and in-plane directions are simultaneously suppressed. To examine the control effectiveness, the responses of the wind turbine without control, with separate TMD system and the proposed bi-directional TMD system are calculated and compared. Numerical results show that the bi-directional TMD system can simultaneously control the out-of-plane and in-plane vibrations of the wind turbine without changing too much of the conventional design of the control system. The bi-directional control system therefore could be a cost-effective solution to mitigate the bi-directional vibrations of offshore wind turbines.
In this paper, optimum methods of wind-induced vibration control of high-rise buildings are mainly studied. Two optimum methods, genetic algorithms (GA) method and Rayleigh damping method, are firstly employed and proposed to perform optimum study on wind-induced vibration control, six target functions are presented in GA method based on spectrum analysis. Structural optimum analysis programs are developed based on Matlab software to calculate wind-induced structural responses. A high-rise steel building with 20-storey is adopted and 22 kinds of control plans are employed to perform comparison analysis to validate the feasibility and validity of the optimum methods considered. The results show that the distributions of damping coefficients along structural height for mass proportional damping (MPD) systems and stiffness proportional damping (SPD) systems are entirely opposite. Damping systems of MPD and GAMPD (genetic algorithms and mass proportional damping) have the best performance of reducing structural wind-induced vibration response and are superior to other damping systems. Standard deviations of structural responses are influenced greatly by different target functions and the influence is increasing slightly when higher modes are considered, as shown fully in section 5. Therefore, the influence of higher modes should be considered when strict requirement of wind-induced vibration comfort is needed for some special structures.
Pitch control of wind turbine is activated above rated wind speed for the purpose of rated power regulation. When we design pitch controller, its gain-scheduling is essential due to nonlinear characteristics of aerodynamic torque. In this study, 2-mass model including a vibration mode of drive-train for a 2 MW wind turbine is considered and pitch control with gain-scheduling using a linearization analysis of the nonlinear aerodynamic torque is applied. Some simulation results for the pitch gain-scheduling under step wind speed are presented and investigated. It is shown that gain-scheduling in pitch control is important especially in the region of high wind speeds when there exists a vibration mode of drive-train.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2004.10a
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pp.43-51
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2004
As the slenderness ratio of a high-rise building increases, the lateral load resisting system for the building is more often determined by serviceability design criteria. In serviceability design, the maximum drift and the level of vibration are controlled not to exceed the design criteria. Even though many drift method have been developed in various forms, no practical design method for wind induced vibration has been developed so far. Structural engineers rely upon heuristic or experience in designing wind induced vibration. Development of practical design method for wind induced vibration is required. Generally, wind induced acceleration responses are depending on several variables such as the weight density of a building, damping ratio, the natural period, and etc.. All parameters except the natural period or frequency are usually out of reach for structural engineers, then the wind acceleration response may be proportioned to the natural period. Therefore, in this paper, a wind induced vibration design method based on frequency control technique for high-rise is proposed. The method is applied to vibration design of a 25-story office building for performance evaluation.
Tuned vibration control in aeroelasticity of slender wood bridges is treated in present paper. The approach suggested takes into account multiple functions in aeroelastic analysis and flutter of slender wood bridges subjected to laminar and turbulent wind flow. Tuned vibration control approach is presented with application on actual bridge. Some results obtained are discussed.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.23
no.5
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pp.465-473
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2010
As increase of height and slenderness of buildings, serviceability design criteria such as maximum lateral drift and wind-induced vibration level play an important role in structural design of high-rise buildings. Especially, wind-induced vibration is directly related to discomfort of occupants. However, no practical algorithm or design method is available for structural designers to control the acceleration level due to wind. This paper presented a control method for wind-induced vibration of high-rise buildings using the resizing algorithm. The level of vibration due to wind is calculated by well known estimation rules of ASCE 7-02, NBCC 95, SAA83, and Solari method. Based on the fact that the level of wind-induced vibration is inversely proportional to the magnitude of natural periods of buildings, in the design method, natural periods of a high-rise building are modified by redistribution of structural weight according to the resizing algorithm. The design method is applied to wind-induced vibration control design of real 42-story residential building and evaluated the efficiency and effectiveness.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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