Evaluation on the sidesway seismic collapse capacity of the widely used low- and medium-height structures is meaningful. These structures with such type of collapse are recognized that behave as inelastic deteriorating single-degree-of-freedom (SDOF) systems. To incorporate the deteriorating effects, the hysteretic loop of the nonlinear SDOF structural model is represented by a tri-linear force-displacement relationship. The concept of collapse capacity spectra are adopted, where the incremental dynamic analysis is performed to check the collapse point and a normalized ground motion intensity measure corresponding to the collapse point is used to define the collapse capacity. With a large amount of earthquake ground motions, a systematic parameter study, i.e., the influences of various ground motion parameters (site condition, magnitude, distance to rupture, and near-fault effect) as well as various structural parameters (damping, ductility, degrading stiffness, pinching behavior, accumulated damage, unloading stiffness, and P-delta effect) on the structural collapse capacity has been performed. The analytical formulas for the collapse capacity spectra considering above influences have been presented so as to quickly predict the structural collapse capacities.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.26
no.1
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pp.39-48
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2022
Many piping systems installed in the power plant are directly related to the safety and operation of the plant. Various dampers have been applied to the piping system to reduce the damage caused by earthquakes. In order to reduce the vibration of the piping system, this study developed a steel coil damper (SCD) with a straightforward structure but excellent damping performance. SCD reduces the vibration of the objective structure by hysteretic damping. The new SCD damper can be applied to high-temperature environments since it consists of steel members. The paper introduces a design method for the elastoplastic coil spring, which is the critical element of SCD. The practical applicability of the design procedure was validated by comparing the nonlinear force-displacement curves calculated by design equations with the results obtained from nonlinear finite element analysis and repeated loading test. It was found that the designed SCD's have a damping ratio higher than 25%. In addition, this study performed a set of seismic tests using a shaking table with an existing piping system to verify the vibration control capacity on the piping system by SCD. Test results prove that the SCD can effectively control the displacement vibration of the piping system up to 80%.
A non-clipped semi-active stochastic optimal control strategy for nonlinear structural systems with MR dampers is developed based on the stochastic averaging method and stochastic dynamical programming principle. A nonlinear stochastic control structure is first modeled as a semi-actively controlled, stochastically excited and dissipated Hamiltonian system. The control force of an MR damper is separated into passive and semi-active parts. The passive control force components, coupled in structural mode space, are incorporated in the drift coefficients by directly using the stochastic averaging method. Then the stochastic dynamical programming principle is applied to establish a dynamical programming equation, from which the semi-active optimal control law is determined and implementable by MR dampers without clipping in terms of the Bingham model. Under the condition on the control performance function given in section 3, the expressions of nonlinear and linear non-clipped semi-active optimal control force components are obtained as well as the non-clipped semi-active LQG control force, and thus the value function and semi-active nonlinear optimal control force are actually existent according to the developed strategy. An example of the controlled stochastic hysteretic column is given to illustrate the application and effectiveness of the developed semi-active optimal control strategy.
Ahn, Tae Sang;Kim, Young Ju;Kim, Hyung Geun;Jang, Dong Woon;Choi, Kyoung Kyu;Kim, Jong Rak
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.25
no.1
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pp.81-92
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2013
The objective of conventional seismic design is to ensure an acceptable safety level while avoiding catastrophic failures of structures and loss of life. Over the last many years, a large amount of research has been devoted into developing effective earthquake resistant systems in order to raise the seismic performance level of structures. The purpose of this study is to propose a new damping system, which realize not only increasing seismic performance but also easy repairing after an earthquake. The proposed damping system is slit in the bottom of wall with damping devices installed in the slit horizontally aiming to dissipate energy during earthquakes. Cyclic loading tests were conducted to investigate hysteretic behavior and energy dissipation capacity. Test results show that the proposed systems exhibit a stable hysteretic response and the energy dissipation in this system is concentrated on the damping devices.
Kim, Byeongil;Washington, Gregory N.;Yoon, Hwan-Sik
Smart Structures and Systems
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v.11
no.6
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pp.623-635
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2013
This paper investigates application of a control algorithm called model predictive sliding mode control (MPSMC) to active vibration suppression of a cantilevered aluminum beam. MPSMC is a relatively new control algorithm where model predictive control is employed to enhance sliding mode control by enforcing the system to reach the sliding surface in an optimal manner. In previous studies, it was shown that MPSMC can be applied to reduce hysteretic effects of piezoelectric actuators in dynamic displacement tracking applications. In the current study, a cantilevered beam with unknown mass distribution is selected as an experimental test bed in order to verify the robustness of MPSMC in active vibration control applications. Experimental results show that MPSMC can reduce vibration of an aluminum cantilevered beam at least by 29% regardless of modified mass distribution.
Using confined shape memory alloy (SMA) bar or plate, this study proposes an innovative self-centering damper. The damper is essentially properly machined SMA core, i.e., bar or plate, that encased in buckling-restrained device. To prove the design concept, cyclic loading tests were carried out. According to the test results, the damper exhibited desired flag-shape hysteretic behaviors upon both tension and compression actions, although asymmetric behavior is noted. Based on the experimental data, the hysteretic parameters that interested by seismic applications, such as the strength, stiffness, equivalent damping ratio and recentering capacity, are quantified. Processed in the Matlab/Simulink environment, a preliminary evaluation of the seismic control effect for this damper was conducted. The proposed damper was placed at the first story of a multi-story frame and then the original and controlled structures were subjected to earthquake excitations. The numerical outcome indicated the damper is effective in controlling seismic deformation demands. Besides, a companion SMA damper which represents a popular type in previous studies is also introduced in the analysis to further reveal the seismic control characteristics of the newly proposed damper. In current case, it was found that although the current SMA damper shows asymmetric tension-compression behavior, it successfully contributes comparable seismic control effect as those having symmetrical cyclic behavior. Additionally, the proposed damper even shows better global performance in controlling acceleration demands. Thus, this paper reduces the concern of using SMA dampers with asymmetric cyclic behavior to a certain degree.
In this study, the performances of a passive tuned mass damper (TMD) and a semi-active TMD (STMD) were evaluated in terms of seismic response control of elastic and inelastic structures under seismic loads. First, elastic displacement spectra were obtained for damped structures with a passive TMD and with a STMD proposed in this study. The displacement spectra confirmed that the STMD provided much better control performance than passive TMD and the STMD had less stroke requirement. Also, the robustness of the TMD was evaluated by off-tuning the frequency of the TMD to that of the structure. Finally, numerical analyses were conducted for an inelastic structure of hysteresis described by the Bouc-Wen model. The results indicated that the performance of the passive TMD whose design parameters were optimized for an elastic structure considerably deteriorated when the hysteretic portion of the structural responses increased, and that the STMD showed about 15-40% more response reduction than the TMD.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.16
no.2
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pp.1-13
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2012
Seismic fragility functions are derived for probabilistic evaluation of seismic control performance of energy dissipation devices installed in reinforced concrete structures. Displacement-dependent dampers are added to the nonlinear single-degree-of-freedom systems with different natural periods and hysteretic characteristics of which stiffness and strength has uncertainty. Nonlinear time history analysis is conducted for those SDOF systems and the result is processed statistically to obtain seismic fragility functions in the form of log normal distribution. Variation of seismic fragility functions for different parameters of SDOF systems and dampers are investigated and the seismic control performance is assessed probabilistically.
This paper introduces a novel, rigorous, and efficient probabilistic methodology for the performance-based optimal design (PBOD) of semi-active tuned mass damper (SATMD) for seismically excited nonlinear structures. The proposed methodology is consistent with the modern performance-based earthquake engineering framework and aims to design reliable control systems. To this end, an optimization problem has been defined which considers the parameters of control systems as design variables and minimization of the probability of exceeding a targeted structural performance level during the lifetime as an objective function with a constraint on the failure probability of stroke length damage state associated with mass damper mechanism. The effectiveness of the proposed methodology is illustrated through a numerical example of performance analysis of an eight-story nonlinear shear building frame with hysteretic bilinear behavior. The SATMD with variable stiffness and damping have been designed separately with different mass ratios. Their performance has been compared with that of uncontrolled structure and the structure controlled with passive TMD in terms of probabilistic demand curves, response hazard curves, fragility curves, and exceedance probability of performance levels during the lifetime. Numerical results show the effectiveness, simplicity, and reliability of the proposed PBOD method in designing SATMD with variable stiffness and damping for the nonlinear frames where they have reduced the exceedance probability of the structure up to 49% and 44%, respectively.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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1997.10a
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pp.159-166
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1997
The purpose of this thesis is to derive a theoretical model of the hysteretic resistance of the visco-elastic damper based on test results of harmonic excitation and to investigate of the basis of theory and experiment the effect of vibration control and response characteristics of portal frames degree vibration systems provided with the damper. The behaviour of a visco-elastic degree under dynamic loading is idealized by a model of the theory of visco-elasticity, i.e. a four-parameter model formed as a parallel combination of Maxwell fluid and Kelvin-Voigh models and its constitutive equation is derived. The model parameters are determined for a tested damper from the datas of harmonic excitation tests. The theoretical model of the damper is incorporated in equation fo motion of single degree of freedom. A computer program for solving the equation is written using Runge-kuttas's numerical integration scheme. Using this analysis program test cases of the earthquake excitation are simulated and the results of the simulation are the results of the simulation are the results of the simulation are compared with the test results.
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