Base isolation is one of the most widely implemented and well-known technique to reduce structural vibration and damages during an earthquake. However, while the base-isolated structure reduces storey drift significantly, it also increases the base drifts causing many practical problems. This study proposes the use of Shape Memory Alloys (SMA) wires for the reduction in base drift while controlling the overall structure vibrations. A multi-degree-of-freedom (MDOF) structure along with base isolators and Shape-Memory-Alloys (SMA) wires in diagonal is tested experimentally and analytically. The isolation bearing considered in this study consists of laminates of steel and silicon rubber. The performance of the proposed structure is evaluated and studied under different loadings including harmonic loading and seismic excitation. To assess the seismic performance of the proposed structure, shake table tests are conducted on base-isolated MDOF frame structure incorporating SMA wires, which is subjected to incremental harmonic and historic seismic loadings. Root mean square acceleration, displacement and drift are analyzed and discussed in detail for each story. To better understand the structure response, the percentage reduction of displacement is also determined for each story. The result shows that the reduction in the response of the proposed structure is much better than conventional base-isolated structure.
A nonlinear gas-spring tuned mass damper is proposed to mitigate the seismic responses of the multi-degree-of-freedom (MDOF) structure, in which the nine-story benchmark model is selected as the controlled object. The nonlinear mechanical properties of the gas-spring are investigated through theoretical analysis and experiments, and the damper's control parameters are designed. The control performance and damping mechanism of the proposed damper attached to the MDOF structure are systematically studied, and its reliability is also explored by parameter sensitivity analysis. The results illustrate that the nonlinear gas-spring TMD can transfer the primary structure's vibration energy from the lower to the higher modes, and consume energy through its own relative movement. The proposed damper has excellent "Reconciling Control Performance", which not only has a comparable control effect as the linear TMD, but also has certain advantages in working stroke. Furthermore, the control parameters of the gas-spring TMD can be determined according to the external excitation amplitude and the gas-spring's initial volume.
The purpose of this study is to demonstrate and verify the application of phase-control absolute-acceleration-feedback active tuned mass dampers (PCA-ATMD) to multiple-degree-of-freedom (MDOF) building structures. In addition, servo speed control technique has been developed as a replacement for force control in order to mitigate the negative effects caused by friction and inertia. The essence of the proposed PCA-ATMD is to achieve a 90° phase lag for a structure by implementing the desired control force so that the PCA-ATMD can receive the maximum power flow with which to effectively mitigate the structural vibration. An MDOF building structure with a PCA-ATMD and a real-time filter forming a complete system is modeled using a state-space representation and is presented in detail. The feedback measurement for the phase control algorithm of the MDOF structure is compact, with only the absolute acceleration of one structural floor and ATMD's velocity relative to the structure required. A discrete-time direct output-feedback optimization method is introduced to the PCA-ATMD to ensure that the control system is optimized and stable. Numerical simulation and shaking table experiments are conducted on a three-story steel shear building structure to verify the performance of the PCA-ATMD. The results indicate that the absolute acceleration of the structure is well suppressed whether considering peak or root-mean-square responses. The experiment also demonstrates that the control of the PCA-ATMD can be decentralized, so that it is convenient to apply and maintain to real high-rise building structures.
In the paper one investigates the benefits deriving from the introduction of SMA provisions in a structure subject to dynamic excitation and vertical loads. At this purpose one considers a multi-degree-of-freedom (mdof) shear elastic-plastic frame and designs couples of super-elastic SMA tendons to be placed at critical locations of the structure. Particular attention is focused on the reduction of $P-{\Delta}$ effects.
This study investigated the impact of soil-structure interaction on multi-degree-of-freedom structures using the shallow-foundation Winkler model, known as the BNWF model. The model's period was determined through eigenvalue analysis and compared to results obtained from FEMA's formula. Results indicated that considering the soil, the structure's period increased by up to 8.7% compared to the fixed-base model, aligning with FEMA's calculations. Furthermore, with adequate ground acceleration, roof displacement increased by 3.4% to 3.8%, while base shear decreased by 4% to 10%. However, roof displacement and base shear increased in some earthquake scenarios due to spectral shape effects in regions with extended structural periods. Foundation damping effects, determined through the foundation's moment-rotation history, grew with higher ground acceleration. This suggests that accounting for period elongation and foundation damping can enhance the seismic design of multi-degree-of-freedom structures.
동적 하중 재하시 지반-구조물 상호작용 확인을 위해 진동대 실험이 많이 시행됐으나, 대부분 단자유도 상부 구조물과 단말뚝을 적용한 진동대 실험이 주를 이루고 있다. 이에 본 연구에서는 다자유도 구조물과 군말뚝을 적용한 대형진동대 실험을 통해, 상부 구조물의 관성 상호작용 영향을 분석하였다. 실험 결과, 단일 진동수에서의 증폭 경향을 나타내는 단자유도 구조물과는 다르게 다자유도 구조물에서는 다수의 진동수 구간에서 시간-가속도 발생 경향 및 응답 주파수의 유사성과 증폭 경향이 나타났다. 또한, 벽체 구조물에 비하여 기둥 구조물에서의 기초판과 상부 구조물과의 증폭현상이 더 크게 발생하여 기둥 구조물에 의한 관성 상호작용 효과가 더 큰 것으로 판단된다. 그리고 기초판에서의 전단력 및 관성력 관계, 상대 수직 변위 및 상대 수평 변위 관계와 심도별 동적 p-y 곡선에 대한 분석을 수행하였다. 분석 결과, 다자유도 구조물에서는 단자유도 구조물과는 상이한 거동을 나타내고 있으며, 벽체보다 기둥 구조물의 관성 상호작용의 효과가 더 큰 것으로 나타났다.
This paper presents a case study with a multi-degree-of-freedom (MDOF) system where the Floor Response Spectra (FRS) have been derived from a large ensemble of ground motion accelerograms. The FRS are evaluated by the frequency response function which is calculated numerically. The advantage of this scheme over a repetitive time-history analysis of the entire structure for each accelerogram of the set has been highlighted. The present procedure permits generation of FRS with a specified probability of exceedence.
최근 친환경, 신재생 에너지 수요에 따라서 해상풍력발전 분야는 빠른 성장세와 설비의 대형화에 따른 전용설치선박의 관련 기술개발이 요구되고 있다. 해상풍력설치선박(WTIV: Wind Turbine Installation Vessel)은 설치 작업 시 선체를 파도의 영향을 받지 않는 높이로 이동시키고 모든 환경하중은 레그가 담당한다. 특히 파랑하중은 불규칙파로 구성되어 있기 때문에, 정확한 동적응답특성을 파악하는 것은 아주 중요한 문제이다. 이러한 동적응답해석은 간이법의 하나인 단자유도법을 널리 활용하고 있으나, 불규칙 파를 고려하지 못하는 제약조건이 있다. 따라서 현재 설계 시 불규칙 파에 대한 시간영역 계산이 가능한 다자유도 계산법을 사용하고 있다. 그러나 다자유도 계산법에서 시간영역 해석은 정도 높은 계산 결과를 제공하지만, 데이터의 수렴도가 민감하고 복잡성에 있어 설계 시 어려움이 있다. 따라서 본 논문은 다양한 변수를 기준으로 한 시간영역 해석을 통하여 불규칙 파의 동적응답 특성을 표현 할 수 있는 동적증폭계수 추정식을 개발하였다. 기존 다자유도 모델 대비 계산시간 단축 및 정확도 확보를 확인하였다. 개발된 동적증폭계수 추정식은 WTIV 및 유사 구조물 설계에 활용이 가능할 것으로 판단된다.
The application of critical excitation method with displacement-based objective function for multi degree of freedom (MDOF) systems is investigated. To this end, a new critical excitation method is developed to find the critical input motion of a MDOF system as a synthetic accelerogram. The upper bound of earthquake input energy per unit mass is considered as a new constraint for the problem, and its advantages are discussed. Considering this constraint, the critical excitation method is then used to generate synthetic accelerograms for MDOF models corresponding to three shear buildings of 10, 16, and 22 stories. In order to demonstrate the reliability of generated accelerograms to estimate dynamic response of the structures, three target ground motions with considerable level of energy contents are selected to represent "real critical excitation" of each model, and the method is used to re-generate these ground motions. Afterwards, linear dynamic analyses are conducted using these accelerograms along with the generated critical excitations, to investigate the key parameters of response including maximum displacement, maximum interstory drift, and maximum absolute acceleration of stories. The results show that the generated critical excitations can make an acceptable estimate of the structural behavior compared to the target ground motions. Therefore, the method can be reliably implemented to generate critical excitation of the structure when real one is not available.
This paper presents a novel structural damage detection method with a new damage index based on the statistical moments of dynamic responses of a structure under a random excitation. After a brief introduction to statistical moment theory, the principle of the new method is put forward in terms of a single-degree-of-freedom (SDOF) system. The sensitivity of statistical moment to structural damage is discussed for various types of structural responses and different orders of statistical moment. The formulae for statistical moment-based damage detection are derived. The effect of measurement noise on damage detection is ascertained. The new damage index and the proposed statistical moment-based damage detection method are then extended to multi-degree-of-freedom (MDOF) systems with resort to the leastsquares method. As numerical studies, the proposed method is applied to both single and multi-story shear buildings. Numerical results show that the fourth-order statistical moment of story drifts is a more sensitive indicator to structural stiffness reduction than the natural frequencies, the second order moment of story drift, and the fourth-order moments of velocity and acceleration responses of the shear building. The fourth-order statistical moment of story drifts can be used to accurately identify both location and severity of structural stiffness reduction of the shear building. Furthermore, a significant advantage of the proposed damage detection method lies in that it is insensitive to measurement noise.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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