Conventional braces are often used to provide stiffness to structures; however due to buckling they cannot be used as seismic energy dissipating elements. In this study, a seismic energy dissipation device is proposed which is comprised of a bracing member and a steel hysteretic damper made of steel hexagonal plates. The hexagonal shaped designated fuse causes formation of plastic hinges under axial deformation of the brace. The main advantages of this damper compared to conventional metallic dampers and buckling-restrained braces are the stable and controlled energy dissipation capability with ease of manufacture. The mechanical behavior of the damper is formulated first and a design procedure is provided. Next, the theoretical formulation and the efficiency of the damper are verified using finite element (FE) analyses. An analytical model of the damper is established and its efficiency is further investigated by applying it to seismic retrofit of a case study structure. The seismic performance of the structure is evaluated before and after retrofit in terms of maximum interstory drift ratio, top story displacement, residual displacement, and energy dissipation of dampers. Overall, the median of maximum interstory drift ratios is reduced from 3.8% to 1.6% and the residual displacement decreased in the x-direction which corresponds to the predominant mode shape of the structure. The analysis results show that the developed damper can provide cost-effective seismic protection of structures.
Visco-Plastic Damper (VPD) as a passive energy dissipation device with dual behavior has been recently numerically studied. It consists of two bent steel plates and segments with a viscoelastic solid material in between, combining and improving characteristics of both displacement-dependent and velocity-dependent devices. In order to trust the performance of VPD, for the 1st time this paper experimentally investigates prototype damper behavior under a wide range of frequency and amplitude of dynamic loading. A high-axial damping rubber is innovatively proposed as the viscoelastic layer designed to withstand large axial strains and dissipate energy accordingly. Test results confirmed all assumptions about VPD. The behavior of VPD subjected to low levels of excitation is elastic while with increasing levels of excitation, a significant source of energy dissipation is provided through the yielding of the steel elements in addition to the viscoelastic energy dissipation. The results showed energy dissipation of 99.35 kN.m under a dynamic displacement with 14.095 mm amplitude and 0.333 Hz frequency. Lateral displacement at the middle of the device was created with an amplification factor obtained ranging from 2.108 to 3.242 in the rubber block. Therefore, the energy dissipation of viscoelastic material of VPD was calculated 18.6 times that of the ordinary viscoelastic damper.
Li, Yan-Wen;Yam, Michael C.H.;Zhang, Ping;Ke, Ke;Wang, Yan-Bo
Structural Engineering and Mechanics
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v.82
no.5
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pp.611-628
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2022
Energy-dissipative rocking (EDR) columns are a class of seismic mitigation device capable of dissipating seismic energy and preventing weak-story failure of moment resisting frames (MRFs). An EDR consists of two hinge-supported steel columns interconnected by steel dampers along its height. Under earthquakes, the input seismic energy can be dissipated by plastic energy of the steel dampers in the EDR column. However, the unrecoverable plastic deformation of steel dampers generally results in residual drifts in the structural system. This paper presents a proof-of-concept study on an innovative device, namely self-centring energy-dissipative rocking (SC-EDR) column, aiming at enabling self-centring capability of the EDR column by installing a set of shape memory alloy (SMA) tension braces. The working mechanism of the SC-EDR column is presented in detail, and the feasibility of the new device is carefully examined via experimental and numerical studies considering the parameters of the SMA bar diameter and the steel damper plate thickness. The seismic responses including load carrying capacities, stress distributions, base rocking behaviour, source of residual deformation, and energy dissipation are discussed in detail. A rational combination of the steel damper and the SMA tension braces can achieve excellent energy dissipation and self-centring performance.
This paper presents an experimental and analytical study on a steel slit damper designed as an energy dissipative device for earthquake protection of structures considering soil-structure interaction. The steel slit damper is made of a steel plate with a number of slits cut out of it. The slit damper has an advantage as a seismic energy dissipation device in that the stiffness and the yield force of the damper can be easily controlled by changing the number and size of the vertical strips. Cyclic loading tests of the slit damper are carried out to verify its energy dissipation capability, and an analytical model is developed validated based on the test results. The seismic performance of a case study building is then assessed using nonlinear dynamic analysis with and without soil-structure interaction. The soil-structure system turns out to show larger seismic responses and thus seismic retrofit is required to satisfy a predefined performance limit state. The developed slit dampers are employed as a seismic energy dissipation device for retrofitting the case study structure taking into account the soil-structure interaction. The seismic performance evaluation of the model structure shows that the device works stably and dissipates significant amount of seismic energy during earthquake excitations, and is effective in lowering the seismic response of structures standing on soft soil.
Metallic energy-dissipation dampers are widely used in structures. They are comprised of an added damping and stiffness (ADAS) device with many parallel, diamond-shaped hole plates, the neck width of which is an important parameter. However, no studies have analyzed the neck width's influence on the ADAS device's performance. This study aims to better understand that influence by conducting a pseudo-static test on ADAS, with three different neck widths, and performing finite element analysis (FEA) models. Based on the FEA results and mechanical theory, a design neck width range was proposed. The results showed that when the neck width was within the specified range, the diamond-shaped hole plate achieved an ideal yield state with minimal stress concentration, where the ADAS had an optimal energy dissipation performance and the brittle shear fracture on the neck was avoided. The theoretical values of the ADAS yield loads were in good agreement with the test values. While the theoretical value of the elastic stiffness was lower than the test value, the discrepancy could be reduced with the proposed modified coefficient.
This study introduces a novel friction damper as a component of a recentering frame connection, to solve the problem of structural repair costs, caused by stiffness deterioration and brittle fracture of the central brace frame (CBF). The proposed damper consists of shape memory alloy (SMA) bars with pretension applied to them to improve the stability. SMAs reduce the residual displacement by virtue of the properties of the materials themselves; in addition, a pretension can be applied to partially improve their energy dissipation capacity. The damper also consists of a friction device equipped with friction bolts for increased energy dissipation. Therefore, a study was conducted on the effects of the friction device as well as the pretension forces on the friction damper. For performance verification, 12 cases were studied and analyzed using ABAQUS program. In addition, the friction and pretension forces were used as variables in each case, and the results were compared. As a result, when the pretension and friction force are increased, the energy dissipation capacity gradually increases by up to about 94% and the recentering capacity decreases by up to about 55%. Therefore, it has been shown that SMA bars with adequate pretension in combination with bolts with adequate frictional force effectively reduce residual deformation and increase damper capacity. Thus, this study has successfully proposed a novel friction damper with excellent performance in terms of recentering and energy dissipation capacity.
Real-time hybrid simulation (RTHS) of a stacked wood shear wall retrofitted with a rate-dependent seismic energy dissipation device (viscous damper) was conducted at the newly constructed Structural Engineering Laboratory at the University of Alabama. This paper describes the implementation process of the RTHS focusing on the controller scheme development. An incremental approach was adopted starting from a controller for the conventional slow pseudodynamic hybrid simulation and evolving to the one applicable for RTHS. Both benchmark-scale and full-scale tests are discussed to provide a roadmap for future RTHS implementation at different laboratories and/or on different structural systems. The developed RTHS controller was applied to study the effect of a rate-dependent energy dissipation device on the seismic performance of a multi-story wood shear wall system. The test specimen, setup, program and results are presented with emphasis given to inter-story drift response. At 100% DBE the RTHS showed that the multi-story shear wall with the damper had 32% less inter-story drift and was noticeably less damaged than its un-damped specimen counterpart.
Rodgers, Geoffrey W.;Chase, J. Geoffrey;Roland, Thomas;Macrae, Gregory A.;Zhou, Cong
Earthquakes and Structures
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v.22
no.2
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pp.109-120
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2022
Older or damaged structures can require significant retrofit to ensure they perform well in subsequent earthquakes. Supplemental damping devices are used to achieve this goal, but increase base shear forces, foundation demand, and cost. Displacement reduction without increasing base shear is possible using novel semi-active and recently-created passive devices, which offer energy dissipation in selected quadrants of the force-displacement response. Combining these devices with large, strictly passive energy dissipation devices can offer greater, yet customized response reductions. Supplemental damping to reduce response without increasing base shear enables a net-zero base shear approach. This study evaluates this concept using two incremental dynamic analyses (IDAs) to show displacement reductions up to 40% without increasing base shear, more than would be achieved for either device alone, significantly reducing the risk of response exceeding the unaltered structural case. IDA results lead to direct calculation of reductions in risk and annualized economic cost for adding these devices using this net-zero concept, thus quantifying the trade-off. The overall device assessment and risk analysis method presented provides a generalizable proof-of-concept approach, and provides a framework for assessing the impact and economic cost-benefit of using modern supplemental energy dissipation devices.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2007.05a
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pp.578-581
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2007
In this study, the seismic control performance of energy dissipation devices installed in a shear all-frame structure is investigated through nonlinear time history analysis of a 12-story building. Inelastic shear walls are modeled using the multiple vertical line element model (MVLEM) and inelastic columns and girders were modeled using fiber beam elements. For a seismic load increased by 38% compared to the design load, the seismic control performance was analyzed based on the results of a nonlinear time history analysis in terms of the inter-story drift, the story shear and the flexural strain. Friction type dampers was found to performs best if they are installed in the form of a brace adjacent to the shear wall with the friction force of 15 % of the maximum story shear force induced in the original building structure without dampers.
The metallic energy dissipation device (EDD) has been widely accepted as a useful tool for passive control of buildings against earthquakes. The distribution of metallic EDDs in a multi-story building may have significant influence on its seismic performance, which can be greatly enhanced if the distribution scheme is properly designed. This paper addresses the optimal distribution problem in the aim of achieving a desired level of performance using the minimum number of metallic EDDs. Five local search heuristic algorithms are proposed to solve the problem. Four base structures are presented as numerical examples to verify the proposed algorithms. It is indicated that the performance of different algorithms may vary when applied in different situations. Based on the results of the numerical verification, the recommended guidelines are finally proposed for choosing the appropriate algorithm in different occasions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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