A fuzzy hybrid control technique using a semi-active tuned mass damper (STMD) has been proposed in this study for mitigation of wind induced motion of a tall building. For numerical simulation, a third generation benchmark is employed for a wind-excited 76-story building. A magnetorheological (MR) damper is used to compose an STMD. The proposed control technique employs a hierarchical structure consisting of two lower-level semi-active controllers (sub-controllers) and a higher-level fuzzy hybrid controller. Skyhook and groundhook control algorithms are used as sub-controllers. When a wind load is applied to the benchmark building, each sub-controller provides different control commands for the STMD. These control commands are appropriately combined by the fuzzy hybrid controller during realtime control. Results from numerical simulations demonstrate that the proposed fuzzy hybrid control technique can effectively reduce the STMD motion as well as building responses compared to the conventional hybrid controller. In addition, it is shown that the control performance of the STMD is superior to that of the sample TMD and comparable to an active TMD, but with a significant reduction in power consumption.
A team of researchers and practitioners were recently assembled to prepare a monograph on "Wind-Induced Motion of Tall Buildings: Designing for Habitability". This monograph presents a state-of-the-art report of occupant response to wind-induced building motion and acceptability criteria for wind-excited tall buildings. It provides background information on a range of pertinent subjects, including: ${\bullet}$ Physiological, psychological and behavioural traits of occupant response to wind-induced building motion; ${\bullet}$ A summary of investigations and findings of human response to real and simulated building motions based on field studies and motion simulator experiments; ${\bullet}$ A review of serviceability criteria to assess the acceptability of wind-induced building motion adopted by international and country-based standards organizations; ${\bullet}$ General acceptance guidelines of occupant response to wind-induced building motion based on peak acceleration thresholds; and ${\bullet}$ Mitigation strategies to reduce wind-induced building motion through structural optimization, aerodynamic treatment and vibration dissipation/absorption. This monograph is to be published by the American Society of Civil Engineers (ASCE) and equips building owners and tall building design professionals with a better understanding of the complex nature of occupant response to and acceptability of wind-induced building motion. This paper is a brief summary of the works reported in the monograph.
Computational Structural Engineering : An International Journal
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v.3
no.1
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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.
The possible application of a spatially placed passive tuned liquid column damper system for suppressing coupled lateral-torsional responses of tall buildings is investigated in this paper. The wind loads acting on rectangular tall buildings are analytically expressed as 3-D stochastic model. Meanwhile, the 3-D responses of tall buildings may be coupled due to eccentricities between the stiffness and mass centers of the buildings. In these cases, torsional responses of the buildings are rather larger, and a TLCD system composed of several TLCD located near the sides of the buildings is more effective than the same TLCD placed at the building center in reducing both translational and torsional responses of the buildings. In this paper, extensive analytical and numerical work has been done to present the calculation method and optimize the parameters of such TLCD systems. The numerical examples show that the spatially placed TLCD system can reduce coupled along-wind, across-wind and torsional responses significantly with a fairly small mass ratio.
Wind tunnel aeroelastic model tests of the Commonwealth Advisory Aeronautical Research Council (CAARC) standard tall building were conducted using a three-degree-of-freedom base hinged aeroelastic(BHA) model. Experimental investigation into the effects of coupled translational-torsional motion, cross-wind/torsional frequency ratio and eccentricity between centre of mass and centre of stiffness on the wind-induced response characteristics and wind excitation mechanisms was carried out. The wind tunnel test results highlight the significant effects of coupled translational-torsional motion, and eccentricity between centre of mass and centre of stiffness, on both the normalised along-wind and cross-wind acceleration responses for reduced wind velocities ranging from 4 to 20. Coupled translational-torsional motion and eccentricity between centre of mass and centre of stiffness also have significant impacts on the amplitude-dependent effect caused by the vortex resonant process, and the transfer of vibrational energy between the along-wind and cross-wind directions. These resulted in either an increase or decrease of each response component, in particular at reduced wind velocities close to a critical value of 10. In addition, the contribution of vibrational energy from the torsional motion to the cross-wind response of the building model can be greatly amplified by the effect of resonance between the vortex shedding frequency and the torsional natural frequency of the building model.
The paper presents a Life-Cycle Cost-based optimization framework for wind-excited tall buildings equipped with Tuned Mass Dampers (TMDs). The objective is to minimize the Life-Cycle Cost that comprises initial costs of the structure, the control system and costs related to repair, maintenance and downtime over the building's lifetime. The integrated optimization of structural sections and mass ratio of the TMDs is carried out, leading to a set of Pareto optimal solutions. The main advantage of the proposed methodology is that, differently from the traditional optimal design approach, it allows to perform the unified design of both the structure and the control system in a Life Cycle Cost Analysis framework. The procedure quantifies wind-induced losses, related to structural and nonstructural damage, considering the stochastic nature of the loads (wind velocity and direction), the specificity of the structural modeling (e.g., non-shear-type vibration modes and torsional effects) and the presence of the TMDs. Both serviceability and ultimate limit states related to the structure and the TMDs' damage are adopted for the computation of repair costs. The application to a case study tall building allows to demonstrate the efficiency of the procedure for the integrated design of the structure and the control system.
Field measurements of the wind-induced response of two residential reinforced concrete buildings, among the tallest in the world, have been performed during two typhoons. Natural periods and damping values have been determined and compared with other field measurements and empirical predictors. Suitable and common empirical predictors of natural period and structural damping have been obtained that describe the trend of tall, reinforced concrete buildings whose structural vibrations have been measured in the collection of studies in Hong Kong compiled by the authors. This data is especially important as the amount of information known about the dynamic parameters of buildings of these heights is limited. Effects of the variation of the natural period and damping values on the alongwind response of a tall building for serviceability-level wind conditions have been profiled using the gust response factor approach. When using this approach on these two buildings, the often overestimated natural periods and structural damping values suggested by empirical predictors tended to offset each other. Gust response factors calculated using the natural periods and structural damping values measured in the field were smaller than if calculated using design-stage values.
Low-frequency building vibration is known to induce symptoms of motion sickness in some occupants. This paper examines how the adoption of a theory of motion sickness, in conjunction with a dose-response model might inform the real-world problem of managing and designing standards for tall building motion sway. Building designers require an understanding of human responses to low-dosage motion that is not adequately considered by research into motion sickness. The traditional framework of Sensory Conflict Theory is contrasted with Postural Instability Theory. The most severe responses to motion (i.e., vomiting) are not experienced by occupants of wind-excited buildings. It is predicted that typical response sets to low-dosage motion (sleepiness and fatigue), which has not previously been measured in occupants of tall-buildings, are experienced by building occupants. These low-dose symptoms may either be masked from observation by the activity of occupants or misattributed to the demands of a typical working day. An investigation of the real-world relationship between building motion and the observation of low-dose motion sickness symptoms and a degradation of workplace performance would quantify these effects and reveal whether a greater focus on designing for occupant comfort is needed.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.30
no.2
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pp.159-167
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2017
The purpose of this study is to accurately estimate the wind-induced responses of a tall building structure for using the estimated responses in the process of calculating the optimal force of an active control device. Kalman filter was used for the estimation process and a 3-storied model structure on a shaking table was tested for the verification of the estimation accuracy. The system matrices of the model were constructed based on the mode parameters obtained by the system identification. The estimated displacement matched up well with the measured one. Finally, the wind-induced responses of a real 39-storied building structure excited by the typhoon MUIFA were estimated.
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.
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