Passive control of the flutter condition of suspension bridges using a combined vertical and torsional tuned mass damper (TMD) system is presented. The proposed TMD system has two degrees of freedom, which are tuned close to the frequencies corresponding to vertical and torsional symmetric modes of the bridge which get coupled during flutter. The bridge-TMD system is analyzed for finding critical wind speed for flutter using a finite element approach. Thomas Suspension Bridge is analyzed as an illustrative example. The effectiveness of the TMD system in increasing the critical flutter speed of the bridge is investigated through a parametric study. The results of the parametric study led to the optimization of some important parameters such as mass ratio, TMD damping ratio, tuning frequency, and number of TMD systems which provide maximum critical flutter wind speed of the suspension bridge.
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.
Most of the existing evaluation criteria of vibration serviceability rely on the peak acceleration of the structure rather than that of the people keeping their own body unmoved on the structure who is the real receiver of structural vibrations. In order to accurately assess the vibration serviceability, therefore, a full path assessment approach of vibration serviceability based on vibration source, path and receiver is not only tentatively proposed in this paper, taking the peak acceleration of receiver into account, but also introduce a probability procedure to provide more instructive information instead of a single value. In fact, semi-rigid supported on both sides of the structure is more consistent with the actual situation than simply supported or clamped due to the application of the prefabricated footbridge structures. So, the footbridge is regarded as a beam with semi-rigid supported on both sides in this paper. The differential quadrature-integral quadrature coupled method is not only to handle different type of boundary conditions, but also after being further modified via the introduction of an approximation procedure in this work, the time-varying system problem caused by human-structure interaction can be solved well. The analytical results of numerical simulations demonstrate that the modified differential quadrature-integral quadrature coupled method has higher reliability and accuracy compared with the mode superposition method. What's more, both of the two different passive control measures, the tuned mass damper and semi-rigid supported, have good performance for reducing vibrations. Most importantly, semi-rigid supported is easier to achieve the objective of reducing vibration compared with tuned mass damper in design stage of structure.
The purpose of this paper is to investigate the flexible structure of parabolic shell using photostrictive actuators. The analysis is made to know its dynamic behavior and light-induced control forces for coupled parabolic shell. The effects of an actuator location as well as membrane and bending components under the control action have been analyzed considering the approximate spherical model. The parabolic membrane shell accuracy is being mathematically approximated and validated comparing the light induced control forces using approximate equivalent spherical shell model. The parabolic shell with kapton smart material and photostrictive actuators has been used to formulate the governing equation in the transverse direction. The Kirchhoff-Love assumptions are used to obtain the governing equation of shell with actuator. The mechanical membrane forces and bending moments for parabolic thin shell with actuator is used to analyze the dynamic effect. The results show that membrane control action is much more significant than bending control action. Photostrictive actuators oriented along circumferential direction (actuator-2) can give better control effect than actuators placed along longitudinal direction (actuator-1). The slight difference is observed between spherical and parabolic shell for a surface with focal length to the diameter ratio of 1.00 or more than unity. Space applications often have the shape of parabolical shells or shell of revolution, due to their required focusing, aiming, or reflecting performance. The present approach is focused that photostrictive actuators can effectively control the vibration of parabolical membrane shell. Also, the actuator's location plays an important role in defining the control force.
This paper is concerned with static and dynamic shape control of a laminated Bernoulli-Euler beam hosting a uniformly distributed array of resistively interconnected piezoelectric patches. We present an analytical one-dimensional model for a laminated piezoelectric beam with material discontinuities within the framework of Bernoulli-Euler and extent the model by a network of resistors which are connected to several piezoelectric patch actuators. The voltage of only one piezoelectric patch is prescribed: we answer the question how to design the interconnected resistive electric network in order to annihilate lateral vibrations of a cantilever. As a practical example, a cantilever with eight patch actuators under the influence of a tip-force is studied. It is found that the deflection at eight arbitrary points along the beam axis may be controlled independently, if the local action of the piezoelectric patches is equal in magnitude, but opposite in sign, to the external load. This is achieved by the proper design of the resistive network and a suitable choice of the input voltage signal. The validity of our method is exact in the static case for a Bernoulli-Euler beam, but it also gives satisfactory results at higher frequencies and for transient excitations. As long as a certain non-dimensional parameter, involving the number of the piezoelectric patches, the sum of the resistances in the electric network and the excitation frequency, is small, the proposed shape control method is approximately fulfilled for dynamic load excitations. We evaluate the feasibility of the proposed shape control method with a more refined model, by comparing the results of our one-dimensional calculations based on the extended Bernoulli-Euler equations to three-dimensional electromechanically coupled finite element results in ANSYS 12.0. The results with the simple Bernoulli-Euler model agree well with the three-dimensional finite element results.
International Journal of Control, Automation, and Systems
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v.6
no.6
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pp.836-844
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2008
This paper presents an approach to order reduction of linear parameter varying controller for polytopic model. Feasible solutions which satisfy relevant linear matrix inequalities for constructing full-order parameter varying controller evaluated at each polytopic vertices are first found. Next, sufficient conditions are derived for the existence of a right coprime factorization of parameter varying controller. Furthermore, a singular perturbation approximation for time invariant systems is generalized to reduce full-order parameter varying controller via parameter varying right coprime factorization. This generalization is based on solutions of the parameter varying Lyapunov inequalities. The closed loop performance caused by using the reduced order controller is developed. To examine the performance of the reduced-order parameter varying controller, the proposed method is applied to reduce vibration of flexible structures having the transverse-torsional coupled vibration modes.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2009.04a
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pp.119-124
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2009
This paper proposes a tuned liquid column sloshing damper(TLCSD) and presents experimental results to evaluate its control performance. The proposed damper acts as a tuned liquid column damper(TLCD) and a tuned liquid damper(TLD), respectively, in both principal axes of building structures. Shaking table test was performed to grasp its dynamic characteristics. Testing results showed that under inclined incident excitations, a TLCSD used in this study have dynamic characteristics coupled by both TLCD and TLD.
Park, S.J.;Lee, J.;Jung, H.J.;Jang, D.D.;Kim, S.D.
Wind and Structures
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v.12
no.4
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pp.313-332
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2009
This paper numerically and experimentally investigates the control performance of the active mass damper (AMD) systems in a 26-story high-rise building in use. This is the first full-scale application of the AMD system for suppressing the wind-induced vibration of a building structure in Korea. In addition, the AMD system was installed on top of the building already in use, which may be the world's first implementation case. In order to simultaneously mitigate the transverse-torsional coupled vibration of the building, two AMD systems were applied. Moreover, the H-infinity control algorithm has been developed to utilize the maximum capacity of the AMD system. From the results of numerical simulation using the wind load obtained from the wind tunnel tests, it was found that the maximum acceleration responses of the building were reduced significantly. Moreover, the control performance of the installed AMD system was examined by carrying out the free and forced vibration tests. The acceleration responses on top of the building in the controlled case measured under strong wind loads were compared with those in the uncontrolled case numerically simulated by using the wind load deduced from the measured data and a structural model of the building. It is demonstrated that the AMD system shows good control performance in reducing the building accelerations.
A bi-directional tuned mass damper (BTMD) in which a mass connected by two translational springs and two viscous dampers in two orthogonal directions has been introduced to control coupled lateral and torsional vibrations of asymmetric building. An efficient control strategy has been presented in this context to control displacements as well as acceleration responses of asymmetric buildings having asymmetry in both plan and elevation. The building is idealized as a simplified 3D model with two translational and a rotational degrees of freedom for each floor. The principles of rigid body transformation have been incorporated to account for eccentricity between center of mass and center of rigidity. The effective and robust design of BTMD for controlling the vibrations in structures has been presented. The redundancy of optimum design has been checked. Non dominated sorting genetic algorithm (NSGA) has been used for tuning optimum stages and locations of BTMDs and its parameters for control of vibration of seismically excited buildings. The optimal locations have been observed to be reasonably compact and practically implementable.
Kim, Young-Kwang;Yun, Sung-Jun;Kim, Won;Kim, Jong-Pil;Park, Chang-Kyun;Park, Jin-Seok
Proceedings of the KIEE Conference
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2007.07a
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pp.1271-1272
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2007
Experimental results regarding to the structural properties of carbon nanotubes (CNTs) and the field-emission characteristics of CNT-coated tungsten (W) tips are presented. CNTs are successfully grown on conical-type W-tips by inductively coupled plasma-chemical vapor deposition (ICP-CVD) with or without inserting a TiN-buffer layer prior to the formation of Ni catalysts. For all the CNTs grown, their nanostructures, morphologies, and crystalline structures are analyzed by FESEM, HRTEM, and Raman spectroscopy. Furthermore, the emission properties of CNT-based field-emitters are characterized to estimate the maximum current density and the threshold voltage. The results obtained in this study indicate that the emission current level of the CNT-emitter without using a TiN buffer is desirable for the application of micro-focused x-ray systems.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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