The use of supplemental damping to dissipate seismic energy is one of the most economical and effective ways to mitigate the effects of earthquakes on structures. Both displacement-dependent and velocity-dependent devices dissipate earthquake-induced energy effectively. Combining displacement-dependent and velocity-dependent devices for seismic mitigation of structures minimizes the shortcomings of individual dampers, and is the most economical solution for seismic mitigation. However, there are few publications related to the optimum distributions of combined devices in a multiple-bay frame building. In this paper, the effectiveness of a building consisting of multiple bags equipped with combined displacement-dependent and velocity-dependent devices is investigated. A four-story building with six bays was selected as an example to examine the efficiency of the proposed combination methods. The parametric study shows that appropriate arrangements of different kinds of devices make the devices more efficient and economical.
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.
Mercan, Oya;Ricles, James;Sause, Richard;Marullo, Thomas
Smart Structures and Systems
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v.4
no.5
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pp.667-684
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2008
Numerous devices exist for reducing or eliminating seismic damage to structures. These include passive dampers, semi-active dampers, and active control devices. The performance of structural systems with these devices has often been evaluated using numerical simulations. Experiments on structural systems with these devices, particularly at large-scale, are lacking. This paper describes a real-time hybrid testing facility that has been developed at the Lehigh University NEES Equipment Site. The facility enables real-time large-scale experiments to be performed on structural systems with rate-dependent devices, thereby permitting a more complete evaluation of the seismic performance of the devices and their effectiveness in seismic hazard reduction. The hardware and integrated control architecture for hybrid testing developed at the facility are presented. An application involving the use of passive elastomeric dampers in a three story moment resisting frame subjected to earthquake ground motions is presented. The experiment focused on a test structure consisting of the damper and diagonal bracing, which was coupled to a nonlinear analytical model of the remaining part of the structure (i.e., the moment resisting frame). A tracking indictor is used to track the actuator ability to achieve the command displacement during a test, enabling the quality of the test results to be assessed. An extension of the testbed to the real-time hybrid testing of smart structures with semi-active dampers is described.
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.
The development of new techniques for the dynamic measurement of linear viscoelastic properties is an active area of rheometry, and this paper surveys some novel deformation geometries which have been recently reported e.g. oscillating probe-type devices which are imbedded in or placed on the surface of the sample. Small amplitude band-limited pseudorandom noise is used for the displacement signal, with Fourier analysis of the complex waveform of the resistance force yielding the frequency dependent viscoelastic material functions (e.g. storage and loss moduli G", G"). Theoretical calculations of the fundamental equations relating force to displacement and instrument geometry, were carried out with the aid of the correspondence principle of linear viscoelasticity. The rapidity of the tests and flexibility in terms of sample preparation and stiffness mean that this basic technique should find many applications in rheometry. Three examples of oscillatory tests are presented in detail squeeze flow, imbedded needle and concentric sliding cylinder geometries.eometries.
We present an approach, based on the state dependent Riccati equation, for designing non-collocated seismic response control strategies for buildings accounting for physical constraints, with particular attention to force saturation. We consider both cases of active control using general actuators and semi-active control using magnetorheological dampers. The formulation includes multi control devices, acceleration feedback and time delay compensation. In the active case, the proposed approach is a generalization of the classic linear quadratic regulator, while, in the semi-active case, it represents a novel generalization of the well-established modified clipped optimal approach. As discussed in the paper, the main advantage of the proposed approach with respect to existing strategies is that it allows to naturally handle a broad class of non-linearities as well as different types of control constraints, not limited to force saturation but also including, for instance, displacement limitations. Numerical results on a typical building benchmark problem demonstrate that these additional features are achieved with essentially the same control effectiveness of existing saturation control strategies.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.17
no.9
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pp.862-873
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2007
Energy dissipation devices can be considered as an alternative for the seismic performance enhancement of existing structures based on the strengthened seismic design code. In this study, seismic response mitigation effects of friction dampers are investigated through the shaking table test of a full scale 3 story building structure. Frist, the bilinear force-displacement relationship of a structure-brace-friction damper system and the effect of brace-friction damper on the increase of frequency and damping ratio are identified. Second, frequency, displacement, and torque dependent characteristics of the friction damper are investigated by using harmonic load excitation tests. Finally, the shaking table tests are performed for a full scale 3 story steel frame. System identification results using random signal excitation indicated that brace-friction damper increased structural damping ratio and frequency, and El Centro earthquake test showed that brace-friction damper reduced the peak displacement and acceleration significantly. In particular, it was observed that the damping effect due to friction damper becomed obvious when the structure was excited by more intensive load causing frequent slippage of the friction dampers.
The tunneling current is exponentially dependent on the separation gap between a pair of conductors. The detection of displacement can be, therefore, carried out by measurment of a variation in the tunneling current. In this experiment, we fabricated pyramid-type silicon tunneling devices in which a tunneling current flow between a micro-tip and $Si_3N_4$ thin film membrane. A MEMS process was used for the fabrication of the tunneling devices. The micro-tips were formed on Si wafers by undercutting a differently oriented square of $SiO_2$ with KOH. The stiffness of the $Si_3N_4$ films were observed and the model for the stiffness calculation, which is useful in predicting the stiffness even when the stiffness ranges beyond the scope of the normal experimental condition, was suggested.
Park, Jin-Young;Han, Sang Whan;Moon, Ki-Hoon;Lee, Kang Seok;Kim, Hyung-Joon
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.17
no.5
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pp.227-235
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2013
Friction energy dissipative devices have been increasingly implemented as structural seismic damage protecting systems due to their excellent seismic energy dissipating capacity and high stiffness. This study develops rotational friction energy dissipative devices and verifies experimentally their cyclic response. Based on the understanding of the differences between the traditional linear-motion friction behavior and the rotational friction behavior, the configuration of the frictional surface was determined by investigating the characteristics of the micro-friction behavior. The friction surface suggested in this paper consists of brake-lining pads and stainless steel sheets and is normally stressed by high-strength bolts. Based upon these frictional characteristics of the selected interface, the rotational friction energy dissipative devices were developed. Bolt torque-bearing force tests, rotational friction tests of the suggested friction interfaces were carried out to identify their frictional behavior. Test results show that the bearing force is almost linearly proportional to the applied bolt torque and presents stable cyclic response regardless of the experimental parameters selected this testing program. Finally, cyclic tests of the rotational friction energy dissipative devices were performed to find out their structural characteristics and to confirm their stable cyclic response. The developed friction energy dissipative devices present very stable cyclic response and meet the requirements for displacement-dependent energy dissipative devices prescribed in ASCE/SEI 7-10.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2004.07b
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pp.615-618
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2004
The piezoelectricity and polarization of multilayer ceramic actuators, being designed to stack ceramic layer and electrode layer alternately, were investigated under a consideration of geometry, the thickness ratio of the ceramic layer to electrode layer The actuators were fabricated by tape-casting of $0.42PbTiO_3-0.38PbZrO_3-0.2Pb(Mn_{1/3}Nb_{2/3})O_3$ followed by laminating, burn-out and co-firing process. The actuators of $5\times5mm^2$ in area were formed in a way that $60{\sim}200{\mu}m$ thick ceramics were stacked 10 times alternately with $5{\mu}m$ thick electrode. Increase in polarization and electric field-displacement with increasing thickness ratio of the ceramic/electrode layer and thickness/cross section ratio were attributed to the change of $non-180^{\circ}/180^{\circ}$ domain ratio which was affected by the interlayer internal stress and Poisson ratio of ceramic layer. The piezoelectricity and actuation behaviors were found to be dependent upon the volume ratio (or thickness ratio) of ceramic layer relative to ceramic layer. Concerning with the existence of internal stress, the field-induced polarization and deformation were described in the multilayer actuator.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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