The purpose of this study is to demonstrate and verify the application of phase-control absolute-acceleration-feedback active tuned mass dampers (PCA-ATMD) to multiple-degree-of-freedom (MDOF) building structures. In addition, servo speed control technique has been developed as a replacement for force control in order to mitigate the negative effects caused by friction and inertia. The essence of the proposed PCA-ATMD is to achieve a 90° phase lag for a structure by implementing the desired control force so that the PCA-ATMD can receive the maximum power flow with which to effectively mitigate the structural vibration. An MDOF building structure with a PCA-ATMD and a real-time filter forming a complete system is modeled using a state-space representation and is presented in detail. The feedback measurement for the phase control algorithm of the MDOF structure is compact, with only the absolute acceleration of one structural floor and ATMD's velocity relative to the structure required. A discrete-time direct output-feedback optimization method is introduced to the PCA-ATMD to ensure that the control system is optimized and stable. Numerical simulation and shaking table experiments are conducted on a three-story steel shear building structure to verify the performance of the PCA-ATMD. The results indicate that the absolute acceleration of the structure is well suppressed whether considering peak or root-mean-square responses. The experiment also demonstrates that the control of the PCA-ATMD can be decentralized, so that it is convenient to apply and maintain to real high-rise building structures.
The tuned mass damper (TMD) system was first proposed as an efficient vibration control method for high-rise buildings, and multiple TMD (MTMD) system was then proposed for the purpose of improving the robust performance. Thereafter, the active TMD (ATMD) is proposed to improve the vibration control performance over the TMD and MTMD systems. However, this system may experience an system-instability problem in case of the actuator malfunction. In order to overcome such limitations of actuator malfunction causing the instability of the structural system, in this study, we investigate the feasibility of the multiple ATMD (MATMD) system that facilitates both advantages of the MTMD and ATMD. Numerical example demonstrates that, when the proposed system is designed to have the same capacity as the ATMD, it shows a similar control performance to the ATMD, but also has very good adaptive control performance against the emergency situations such as actuator failures.
In order to search more efficient structural control algorithm, several closed-loop algorithm are developed. Among those, feedback control algorithm using parameters as displacement velocity, and acceleration has been studied. In this paper, especially the characteristics of accleration feedback is studied as more efficient control algorithm than any others. Furthermore the fact that ATMD with acceleration feedback system further reduce the variance of structural displacement rather than with displacement or velocity feedback system will be examined and proved.
토목구조물에 능동형 질량동조감쇠장치를 설치할 경우에 설치장소의 크기는 제한되며 그에 따라 질량감쇠증기의 최대진폭이 제한되는 것이 일반적이다. 이 연구에서는 벽체 스프링과 고정장지를 이용하여 능동형 질량동조감쇠장치의 진폭을 제한하면서도 제어성능을 적절히 유지시킬 수 있는 제한진폭 능동형 질량동조감쇠장 치를 제안하였다. 이 제어장치는 질량감쇠장치의 진폭이 작을 경우에는 일반적인 능동형 질량동조감쇠장치로 작동하고 진폭이 정해진 값을 초과하면 제한진폭 능동형 질량동조감쇠장치로 작동하게 된다. 이러한 동작원리의 수학적 정식화를 통하여 새로운 제어 알고리즘을 제시하였다. 제한진폭 능동형 질량동조감쇠장치의 다양한 설계인자에 대한 파라미터 연구를 수행하였고, 그 성능을 기존의 능동형 질량동조감쇠장치와 비교하여 살펴보았다. 제한진폭 능동형 질량동조감쇠장치의 정현하중 및 충격하중에 대하여 일반적 능동형 질량동조감쇠장치와 비교하여 제어효과가 크게 떨어지지 않으면서 질량감쇠장치의 최대진폭을 상당히 줄일 수 있어 그 유용성을 확인할 수 있었다. 랜덤하중에 대한 해석의 경우는 질량감쇠장치의 최대진폭이 크게 감소하면서 주구조물의 최대진폭은 거의 증가되지 않는 개선된 결과가 관찰되었다.
By integrating an active tuned mass damper (ATMD) and an inerter, the ATMDI has been proposed to attenuate undesirable oscillations of structures under the ground acceleration. Employing the mode generalized system, the dynamic magnification factors (DMF) of the structure-ATMDI system are formulated. The criterion can then be defined as the minimization of maximum values of the DMF of the controlled structure for optimum searching. By resorting to the defined criterion and the particle swarm optimization (PSO), the effects of varying the crucial parameters on the performance of ATMDI have been scrutinized in order to probe into its superiority. Furthermore, the results of both ATMD and tuned mass dampers inerter (TMDI) are included into consideration for comparing. Results corroborate that the ATMDI outperforms both ATMD and TMDI in terms of the effectiveness and robustness. Especially, the ATMDI may greatly reduce the demand on both the mass ratio and inerter mass ratio, thus being capable of further miniaturizing both the ATMD and TMDI. Likewise the miniaturized ATMDI still keeps nearly the same stroke as the TMDI with a larger mass ratio. Hence, the ATMDI is deemed to be a high performance control device with the miniaturization and suitable for super-tall buildings.
This study focuses on the application of an active tuned mass damper (ATMD) for controlling the seismic response of an 11-story building. The control action is achieved by combination of a fuzzy logic controller (FLC) and Particle Swarm Optimization (PSO) method. FLC is used to handle the uncertain and nonlinear phenomena while PSO is used for optimization of FLC parameters. The FLC system optimized by PSO is called PSFLC. The optimization process of the FLC system has been performed for an 11-story building under the earthquake excitations recommended by International Association of Structural Control (IASC) committee. Minimization of the top floor displacement has been used as the optimization criteria. The results obtained by the PSFLC method are compared with those obtained from ATMD with GFLC system which is proposed by Pourzeynali et al. and non-optimum FLC system. Based on the parameters obtained from PSFLC system, a global controller as PSFLCG is introduced. Performance of the designed PSFLCG has been checked for different disturbances of far-field and near-field ground motions. It is found that the ATMD system, driven by FLC with the help of PSO significantly reduces the peak displacement of the example building. The results show that the PSFLCG decreases the peak displacement of the top floor by about 10%-30% more than that of the FLC system. To show the efficiency and superiority of the adopted optimization method (PSO), a comparison is also made between PSO and GA algorithms in terms of success rate and computational processing time. GA is used by Pourzeynali et al for optimization of the similar system.
In this study, we propose a new control system that effectively utilizes the interaction effect of control force through the connection of stiffness member for seismic performance enhancement of two adjacent structures equipped with active tuned mass damper (ATMD). The efficiency of the proposed control system is verified by comparing with the existing independent control system through the numerical simulations of the 10th- and 12th-story buildings. From the numerical results, it is confirmed that the proposed method can show similar or better control performance even with more economical control capacity than the existing independent control system. Another advantage is that the existing system does not exhibit the adaptive control performance in emergency of failure of one control device, whereas the proposed system can achieve successful adaptive control performance by economically and efficiently utilizing the interacting control effect through the connection member.
The most common used control device on tall buildings and high-rise structures is active and passive tuned mass damper (ATMD and TMD). The major advantages of ATMD and TMD are discussed. The existing installations of various passive/active control devices on real structures are listed. A set of parameter optimization methods is proposed to determine optimal parameters of passive tuned mass dampers under wind excitation. Simplified formulas for determining the optimal parameters are proposed so that the design of a TMD can be carried out easily. Optimal design of wind-induced vibration control of frame structures is investigated. A thirty-story tall building is used as an example to demonstrate the procedure and to verify the efficiency of ATMD and TMD with the optimal parameters.
Eliasi, Hussein;Yazdani, Hessam;Khatibinia, Mohsen;Mahmoudi, Mehdi
Structural Engineering and Mechanics
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제81권5호
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pp.633-645
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2022
The active tuned mass damper (ATMD) is an efficient and reliable structural control system for mitigating the dynamic response of structures. The inertial force that an ATMD exerts on a structure to attenuate its otherwise large kinetic energy and undesirable vibrations and displacements is proportional to its excursion. Achieving a balance between the inertial force and excursion requires a control law or feedback mechanism. This study presents a technique for the optimum design of a sliding mode controller (SMC) as the control law for ATMD-equipped structures subjected to earthquakes. The technique includes optimizing an SMC under an artificial earthquake followed by testing its performance under real earthquakes. The SMC of a real 11-story shear building is optimized to demonstrate the technique, and its performance in mitigating the displacements of the building under benchmark near- and far-fault earthquakes is compared against that of a few other techniques (proportional-integral-derivative [PID], linear-quadratic regulator [LQR], and fuzzy logic control [FLC]). Results indicate that the optimum SMC outperforms PID and LQR and exhibits performance comparable to that of FLC in reducing displacements.
Vibration control of offshore structures subjected to wave loads is studied. The reduction of the dynamic responses of offshore towers subjected to wind generated random ocean waves is an important issue in the aspect of serviceability, fatigue life and safety of the structure. In this thesis, the effectiveness of the active tuned mass damper(ATMD) compared with the tuned mass damper(TMD) is mainly considered. Instantaneous optimal control scheme is employed for the active vibration control and Kalman filtering technique is used for the estimation of unmeasured response of structures. In practice, displacements and velocities could not be measured as easily as accelerations. So the state estimation methods like Kalman filter is very important. Numerical simulation is conducted for guarantee the effectiveness of ATMD for offshore structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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