Tuned liquid dampers (TLDs) are increasingly being used as efficient dynamic vibration absorbers to mitigate wind-induced vibration in super high-rise buildings. However, the damping characteristics of screens and the control effectiveness of actual structures must be investigated to improve the reliability of TLDs in engineering applications. In this study, a numerical TLD model is developed using computational fluid dynamics (CFD) and a simulation method for achieving the coupled vibration of the structure and TLD is proposed. The numerical results are verified using shaking table tests, and the effects of the solidity ratio and screen position on the TLD damping ratios are investigated. The TLD control effectiveness is obtained by simulating the wind-induced vibration response of a full-scale structure-TLD system to determine the optimal screen solidity ratio. The effects of the structural frequency, damping ratio, and wind load amplitude on the TLD performance are further analyzed. The TLD damping ratio increases nonlinearly with the solidity ratio, and it increases with the screens towards the tank center and then decreases slightly owing to the hydrodynamic interaction between screens. Full-scale coupled simulations demonstrated that the optimal TLD control effectiveness was achieved when the solidity ratio was 0.46. In addition, structural frequency shifts can significantly weaken the TLD performance. The control effectiveness decreases with an increase in the structural damping ratio, and is insensitive to the wind load amplitude within a certain range, implying that the TLD has a stable damping performance over a range of wind speed variations.
The influence of normal stress perpendicular to the potential shear plane was always neglected in existing researches, which may lead to a serious deviation of the shear strength of concrete members in practice designs and numerical analyses. In this study, a series of experimental studies are carried out in this paper, which serves to investigate the shear behavior of concrete under compression shear loading. Based on the test results, a three-phase shear failure model for cohesive elements are developed, which is able to take into consideration the influence of normal stress on the shear strength of concrete. To identify the accuracy and applicability of the proposed model, numerical models of a double-noted concrete plate are developed and compared with experimental results. Results show that the proposed constitutive model is able to take into consideration the influence of normal stress on the shear strength of concrete materials, and is effective and accurate for describing the complex fracture of concrete, especially the failure modes under compression shear loadings.
To efficiently attenuate seismic responses of a structure, a novel pneumatic-driven active dynamic vibration absorber (PD-ADVA) is proposed in this study. PD-ADVA aims to realize closed-loop control using a simple and intuitive control algorithm, which takes the structure velocity response as the input signal and then outputs an inverse control force to primary structure. The corresponding active control theory and phase control mechanism of the system are studied by numerical and theoretical methods, the system's control performance and amplitude-frequency characteristics under seismic excitations are explored. The capability of the proposed active control system to cope with frequency-varying random excitation is evaluated by comparing with the optimum tuning TMD. The analysis results show that the control algorithm of PD-ADVA ensures the control force always output to the structure in the opposite direction of the velocity response, indicating that the presented system does not produce a negative effect. The phase difference between the response of uncontrolled and controlled structures is zero, while the phase difference between the control force and the harmonic excitation is π, the theoretical and numerical results demonstrate that PD-ADVA always generates beneficial control effects. The PD-ADVA can effectively mitigate the structural seismic responses, and its control performance is insensitive to amplitude. Compared with the optimum tuning TMD, PD-ADVA has better control performance and higher system stability, and will not have negative effects under seismic wave excitations.
This study proposes a new control approach for efficient vibration suppression of two identical adjacent structures. The conventional control approach of two adjacent structures is to interconnect the two structures with passive, semi-active or active control devices. However, when the two adjacent structures are identical to each other, their dynamical behaviors such as frequency and damping properties are also the same. In this case, the interconnected control devices cannot exhibit the dissipative control forces on the both structures as expected since the relative displacements and velocities of the devices become close to zero. In other words, the interconnection method does not work for the twin structures as enough as expected. In order to solve this problem, we propose several new control approaches to effectively and efficiently reduce the identically-fluctuating responses of the adjacent structures with minimum control efforts. In order to demonstrate the proposed control systems, the proposed several control systems are optimally designed and their control performances are compared with that of the conventional optimal control system where each TMD(tuned mass damper) is installed in each structure for independent control purpose. The simulated results show that one of the proposed control systems(System 04) is able to guarantee enhanced control performance compared with the conventional system.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2007.11a
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pp.550-555
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2007
This paper is concerned with the active vibration control of building structure by means of the active tuned mass damper and the modified positive position feedback controller. To this end, one-degree-of-freedom spring-mass-damper system equipped with ATMD is considered. The stability condition for the addressed system when applying the proposed PPF controller is derived by Routh-Hurwitz stability criterion. The stability condition shows that the modified PPF controller is absolutely stable if the controller gain is positive, so that the modified PPF controller can be used without difficulty. Theoretical study shows that the modified PPF controller can effectively suppress vibrations as the original PPF controller does in smart structure applications. To investigate the validity of the modified PPF controller, a simple experimental structure with an ATMD system driven by DC motor was built. The modified PPF control algorithm was implemented on Atmel 128 microcontroller. The experimental result shows that the modified PPF controller can also suppress vibrations for the real structure.
In this paper, vibration reduction techniques of a voice coil motor (VCM) actuator are presented for AFM imaging system. The damping coefficient of the actuator driven by VCM with a flexure hinge is quite low and it cause the about 30dB peak amplitude response at the resonance frequency. To decrease this peak response, we design and apply elliptical band-stop filters to xy and z axis VCM actuator. Frequency response of each actuator with filter is measured to verify the effect of the filters. As a sensor, capacitive sensor is used. Vibration reduction rate of the xy actuator with the filter is also measured while real AFM scanning condition. As another method, closed loop control with the capacitive sensor is applied to the xy axis actuator to add an electrical damping effect and vibration reduction rate measured. These vibration reduction rates with each method are compared. In the case of z axis actuator, the frequency response of force (gap) control loop is measured. For comparison, the frequency response using a conventional PID controller is also obtained. Finally, the AFM image of a standard grid sample is measured with the designed controller to analyze the effect in the AFM imaging.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.18
no.2
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pp.224-230
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2008
This paper is concerned with the active vibration control of building structure by means of the active tuned mass damper and the modified positive position feedback controller. To this end, one-degree-of-freedom spring-mass-damper system equipped with ATMD is considered. The stability condition for the addressed system when applying the proposed PPF controller is derived by Routh-Hurwitz stability criterion. The stability condition shows that the modified PPF controller is absolutely stable if the controller gain is positive. so that the modified PPF controller can be used without difficulty. Theoretical study shows that the modified PPF controller can effectively suppress vibrations as the original PPF controller does in smart structure applications. To investigate the validity of the modified PPF controller, a simple experimental structure with an ATMD system driven by DC motor was built. The modified PPF control algorithm was implemented on Atmel 128 microcontroller. The experimental result shows that the modified PPF controller can also suppress vibrations for the real structure.
The transmission of harmonic vibratory power form a vibrating rigid body into a supporting plate through passive and active isolators is investigated theoretically and experimentally. The theoretical model allows for the transmission of vertical and horizontal harmonic forces and moments about all three coordinate sun. The experiment is to use vibration actuators attached to the intermediate mass of the two-stage mount to minimize the rotational and translational vibration of the intermediate mass. The performance is done by measuring the vibration at the error sensors due to the primary vibration source and measuring the transfer functions from the control sources to the error sensors. Results show that over a frequence range from 1 to 100Hz, transmission into the supporting plate can be reduced substantially by employing in parallel with existing passive isolators, active isolators adjusted to provide appropriate control force amplitudes.
The potential of the liquid column vibration absorber (LCVA) as a seismic vibration control device for structures has been explored in this paper. In this work, the structure has been modeled as a linear, viscously damped single-degree-of-freedom (SDOF) system. The governing differential equations of motion for the damper liquid and for the coupled structure-LCVA system have been derived from dynamic equilibrium. The nonlinear orifice damping in the LCVA has been linearized by a stochastic equivalent linearization technique. A transfer function formulation for the structure-LCVA system has been presented. The design parameters of the LCVA have been identified and by applying the transfer function formulation the optimum combination of these parameters has been determined to obtain the most efficient control performance of the LCVA in terms of the reduction in the root-mean-square (r.m.s.) displacement response of the structure. The study has been carried out for an example structure subjected to base input characterized by a white noise power spectral density function (PSDF). The sensitivity of the performance of the LCVA to the coefficient of head loss and to the tuning ratio have also been examined and compared with that of the liquid column damper (LCD). Finally, a simulation study has been carried out with a recorded accelerogram, to demonstrate the effectiveness of the LCVA.
Offshore drilling has become a key process for obtaining oil. Offshore platforms have many applications, including oil exploration and production, navigation, ship loading and unloading, and bridge and causeway support. However, vibration problems caused by severe environmental loads, such as ice, wave, wind, and seismic loads, threaten the functionality of platform facilities and the comfort of workers. These concerns may result in piping failures, unsatisfactory equipment reliability, and safety concerns. Therefore, the vibration control of offshore platforms is essential for assuring structural safety, equipment functionality, and human comfort. In this study, an optimal multiple tuned mass damper (MTMD) system was proposed to mitigate the excessive vibration of a three-dimensional offshore platform under ice and earthquake loadings. The MTMD system was designed to control the first few dominant coupled modes. The optimal placement and system parameters of the MTMD are determined based on controlled modal properties. Numerical simulation results show that the proposed MTMD system can effectively reduce the displacement and acceleration responses of the offshore platform, thus improving safety and serviceability. Moreover, this study proposes an optimal design procedure for the MTMD system to determine the optimal location, moving direction, and system parameters of each unit of the tuned mass damper.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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