Non-stationary random seismic response and reliability of multi-degree of freedom hysteretic structure system are studied based on the cumulative damage failure mechanism. First, dynamic Eqs. of multi-degree of freedom hysteretic structure system under earthquake action are established. Secondly, the random seismic response of a multi-degree freedom hysteretic structure system is investigated by the combination of virtual excitation and precise integration. Finally, according to the damage state level of structural, the different damage state probability of high-rise frame structure is calculated based on the boundary value of the cumulative damage index in the seismic intensity earthquake area. The results show that under the same earthquake intensity and the same floor quality and stiffness, the lower the floor is, the greater the damage probability of the building structure is; if the structural floor stiffness changes abruptly, the weak layer will be formed, and the cumulative damage probability will be the largest, and the reliability index will be relatively small. Meanwhile, with the increase of fortification intensity, the reliability of three-level structure fortification is also significantly reduced. This method can solve the problem of non-stationary random seismic response and reliability of high-rise buildings, and it has high efficiency and practicability. It is instructive for structural performance design and estimating the age of the structure.
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.
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.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.24
no.4
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pp.457-462
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2011
In this study, a simplified design procedure for friction dampers of a multi-story structure in order to reduce seismic response is proposed. To get insight for control effect of the structure with friction dampers is difficult, because of a nonlinear characteristic by a friction damper. Since a control force of a friction damper is influenced by coupling velocity between floors, adjoining modes are coupled. Thus structural response are derived by assuming steady-state response in resonance. As it is impossible that an exact solution is obtained for seismic load, first, a closed form solution can be achieved under harmonic vibration. Second, to convert a three-story building into a single-degree-of-freedom(SDOF) structure, modal analysis is performed. Third, an equivalent damping ratio is derived with utilizing closed form solution. And response reducing factor is proposed by it. Finally, friction force of a damper is designed for using response reducing factor, and then designed dampers are verified for seven seismic data. The nonlinear analysis results confirm the validity of the proposed procedure.
The empirical mode decomposition (EMD) method is well-known for its ability to decompose a multi-component signal into a set of intrinsic mode functions (IMFs). The method uses a sifting process in which local extrema of a signal are identified and followed by a spline fitting approximation for decomposition. This method provides an effective and robust approach for decomposing nonlinear and non-stationary signals. On the other hand, the IMF components do not automatically guarantee a well-defined physical meaning hence it is necessary to validate the IMF components carefully prior to any further processing and interpretation. In this paper, an attempt to use the EMD method to identify properties of nonlinear elastic multi-degree-of-freedom structures is explored. It is first shown that the IMF components of the displacement and velocity responses of a nonlinear elastic structure are numerically close to the nonlinear normal mode (NNM) responses obtained from two-dimensional invariant manifolds. The IMF components can then be used in the context of the NNM method to estimate the properties of the nonlinear elastic structure. A two-degree-of-freedom shear-beam building model is used as an example to illustrate the proposed technique. Numerical results show that combining the EMD and the NNM method provides a possible means for obtaining nonlinear properties in a structure.
Passive dynamic vibration absorbers (DVAs) are often used to suppress the excessive vibration of a large structure due to their simple construction and low maintenance cost compared to other vibration control techniques. A new type of passive DVA consists of two pendulums connected with spring and dashpot element is investigated. This research evaluated the performance of the DVA in reducing the vibration response of a two degree of freedom shear structure. A model for the two DOF vibration system with the absorber is developed. The nominal absorber parameters are calculated using a Genetic Algorithm(GA) procedure. A parametric study is performed to evaluate the effect of each absorber parameter on performance. The simulation results show that the optimum condition for the absorber frequencies and damping ratios is mainly affected by pendulum length, mass, and the damping coefficient of the pendulum's hinge joint. An experimental model validates the theoretical results. The simulation and experimental results show that the proposed technique is able be used as an effective alternative solution for reducing the vibration response of a multi degree of freedom vibration system.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1989.10a
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pp.46-50
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1989
Methods for the estimation of the coefficient matrices in the equation of motion for a linear multi-degree-of-freedom structure arc studied. For this purpose, the equation of motion is transformed into an auto-regressive and moving average with auxiliary input (ARMAX) model. The ARMAX parameters are evaluated using several methods of parameter estimation; such as toe least squares, the instrumental variable, the maximum likelihood and the limited Information maximum likelihood methods. Then the parameters of the equation of motion are recovered therefrom. Numerical example is given for a 3-story building model subjected to an earthquake exitation.
This paper develops a new nonlinear model for active control of three-dimensional (3D) irregular building structures. Both geometrical and material nonlinearities with a neuro-controller training algorithm are applied to a multi-degree-of-freedom 3D system. Two dynamic assembling motions are considered simultaneously in the control model such as coupling between torsional and lateral responses of the structure and interaction between the structural system and the actuators. The proposed control system and training algorithm of the structural system are evaluated by simulating the responses of the structure under the El-Centro 1940 earthquake excitation. In the numerical example, the 3D three-story structure with linear and nonlinear stiffness is controlled by a trained neural network. The actuator dynamics, control time delay and incident angle of earthquake are also considered in the simulation. Results show that the proposed control algorithm for 3D buildings is effective in structural control.
Deciding on an optimal sensor placement (OSP) is a common problem encountered in many engineering applications and is also a critical issue in the construction and implementation of an effective structural health monitoring (SHM) system. The present study focuses with techniques for selecting optimal sensor locations in a sensor network designed to monitor the health condition of Dalian World Trade Building which is the tallest in the northeast of China. Since the number of degree-of-freedom (DOF) of the building structure is too large, multi-modes should be selected to describe the dynamic behavior of a structural system with sufficient accuracy to allow its health state to be determined effectively. However, it's difficult to accurately distinguish the translational and rotational modes for the flexible structures with closely spaced modes by the modal participation mass ratios. In this paper, a new method of the OSP that computing the mode shape matrix in the weak axis of structure by the simplified multi-DOF system was presented based on the equivalent rigidity parameter identification method. The initial sensor assignment was obtained by the QR-factorization of the structural mode shape matrix. Taking the maximum off-diagonal element of the modal assurance criterion (MAC) matrix as a target function, one more sensor was added each time until the maximum off-diagonal element of the MAC reaches the threshold. Considering the economic factors, the final plan of sensor placement was determined. The numerical example demonstrated the feasibility and effectiveness of the proposed scheme.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.1
no.4
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pp.1-9
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1997
This paper examined various aspects of a linear and a nonlinear response spectrum method in seismic response analysis of multi-story building structures. The response spectrum method that has been widely used in the analysis of linear structures was proposed different mode superposition method by several ivestigators, and the differences between combinations with an elastic modal analysis reviwed closely. It seems, however, that this method is not used to nonlinear seismic analysis. It is the purpose of this paper to propose an alternative method by means of which a nonlinear MDOF structure with long period may be analysed by an extention of response spectrum method. For nonlinear seismic analysis of high-rise building structures using technique proposed in this study, it is intended to serve primarily as a tool in preliminary designs instead of time history analysis.
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