Some design formulas and design procedures for single and multiple tuned liquid column dampers (TLCDs) are proposed in this study. Previous studies show that if the properties of the TLCD system are properly selected then the TLCD could be as effective as the traditional tuned mass dampers. In addition, the TLCD system offers advantages such as flexibility in terms of installation, little maintenance required, and potentials for multiple usage, etc., which are incomparable by other mechanical types of dampers. In this paper, a set of optimal properties such as length and head loss of a TLCD system are derived under the assumption that the building vibrates in a dominate mode and is subjected to Gaussian white noise excitation. A design procedure for a single TLCD system will be illustrated and discussed. Due to the nonlinearity in the damping term, the TLCD system is sensitive to the loading intensity. This loading sensitivity could limit the application range of the TLCD system. It will be shown in this paper that such a nonlinear effect can be reduced by using multiple TLCDs. As a demonstrative example, the control effects on a flexible building modeled as a single degree-of-freedom system subjected to white noise excitation will be analyzed and discussed using single or multiple TLCDs.
Based on the ball-screw mechanism, a tuned viscous mass damper (TVMD) has been proposed, which has functions of amplifying physical mass of the system and frequency tuning. Considering the sensitivity of a single TVMD's effectiveness to frequency mistuning like that of the conventional tuned mass damper (TMD) and according to the concept of the conventional multiple tuned mass damper (MTMD), in the present paper, multiple tuned mass viscous dampers (MTVMD) consisting of many tuned mass dampers (TVMD) with a uniform distribution of natural frequencies are considered for attenuating undesirable vibration of a structure. The MTVMD is manufactured by keeping the stiffness and damping constant and varying the mass associated with the lead of the ball-screw type inerter element in the damper. The structure is represented by its mode-generalized system in a specific vibration mode controlled using the mode reduced-order method. Modal properties and fundamental characteristics of the MTVMD-structure system are investigated analytically with the parameters, i.e., the frequency band, the average damping ratio, the tuning frequency ratio, the total number of TVMD and the total mass ratio. It is found that there exists an optimum set of the parameters that makes the frequency response curve of the structure flattened with smaller amplitudes in a wider input frequency range. The effectiveness and robustness of the MTVMD are also discussed in comparison with those of the usual single TVMD (STVMD) and the results shows that the MTVMD is more effective and robust with the same level of total mass.
Pounding of adjacent structures are always a notable reason for damages after strong ground motions, but it is already unforeseen detail in newly constructed structures. Thus, several approaches have been proposed in order to prevent the pounding of structures. By using optimally tuned mass dampers, it is possible to decrease the displacement vibrations of structures. But in adjacent structures, the response of both structures must be considered in the objective function of optimization process. In this paper, two different designs of Tuned Mass Dampers (TMD) are investigated. The first design covers independent TMDs on both structures. In the second design, adjacent structures are coupled by a TMD on the top of the structures. Optimum TMD parameters are found by using the developed optimization methodology employing harmony search algorithm. The proposed method is presented with single degree of freedom and multiple degree of freedom structures. Results show that the coupled design is not effective on multiple degree of freedom adjacent structures. The coupled design is only effective for rigid structures with a single degree of freedom while the use of independent TMDs are effective on both rigid and flexural structures.
A probabilistic assessment of the seismic-excited buildings with a multiple-tuned-mass-damper (MTMD) system is carried out in the presence of uncertainties of the structural model, MTMD system, and the stochastic model of the seismic excitations. A free search optimization procedure of the individual mass, stiffness and, damping parameters of the MTMD system based on the snap-drift cuckoo search (SDCS) optimization algorithm is proposed for the optimal design of the MTMD system. Considering a 10-story structure in three cases equipped with single tuned mass damper (STMS), 5-TMD and 10-TMD, sensitivity analyses are carried out using Sobol' indices based on the Monte Carlo simulation (MCS) method. Considering different seismic performance levels, the reliability analyses are done using MCS and kriging-based MCS methods. The results show the maximum structural responses are more affected by changes in the PGA and the stiffness coefficients of the structural floors and TMDs. The results indicate the kriging-based MCS method can estimate the accurate amount of failure probability by spending less time than the MCS. The results also show the MTMD gives a significant reduction in the structural failure probability. The effect of the MTMD on the reduction of the failure probability is remarkable in the performance levels of life safety and collapse prevention. The maximum drift of floors may be reduced for the nominal structural system by increasing the TMDs, however, the complexity of the MTMD model and increasing its corresponding uncertainty sources can be caused a slight increase in the failure probability of the structure.
Computational Structural Engineering : An International Journal
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제3권1호
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pp.61-68
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2003
A recently developed semi-active control system employing magneto-rheological (MR) fluid dampers is applied to vibration control of a wind excited tall building. The semi-active control system with MR fluid dampers appears to have the reliability of passive control devices and the adaptability of fully active control systems. The system requires only small power source, which is critical during severe events, when the main power source may fail. Numerical simulation studies are performed to demonstrate the efficiency of the MR dampers on the third ASCE benchmark problem. Multiple MR dampers are assumed to be installed in the 76-story building. Genetic algorithm is applied to determine the optimal locations and capacities of the MR dampers. Clipped optimal controller is designed to control the MR dampers based on the acceleration feedback. To verify the robustness with respect to the variation of the external wind force, several cases with different wind forces are considered in the numerical simulation. Simulation results show that the semi-actively controlled MR dampers can effectively reduce both the peak and RMS responses the tall building under various wind force conditions. The control performance of the MR dampers for wind is found to be fairly similar to the performance of an active tuned mass damper.
The tuned mass damper (TMD) system was first proposed as an efficient vibration control method for high-rise buildings, and multiple TMD (MTMD) system was then proposed for the purpose of improving the robust performance. Thereafter, the active TMD (ATMD) is proposed to improve the vibration control performance over the TMD and MTMD systems. However, this system may experience an system-instability problem in case of the actuator malfunction. In order to overcome such limitations of actuator malfunction causing the instability of the structural system, in this study, we investigate the feasibility of the multiple ATMD (MATMD) system that facilitates both advantages of the MTMD and ATMD. Numerical example demonstrates that, when the proposed system is designed to have the same capacity as the ATMD, it shows a similar control performance to the ATMD, but also has very good adaptive control performance against the emergency situations such as actuator failures.
In this paper, a new energy-efficient semi-active hybrid bulk damper is developed that is cost-effective for use in structural applications. In this work, the possibility of active and semi-active component configurations combined with suitable control algorithms, especially vibration control methods, is explored. The equations of motion for a container bridge equipped with an MDOF Mass Tuned Damper (M-TMD) system are established, and the combination of excitation, adhesion, and control effects are performed by a proprietary package and commercial custom submodel software. Systematic methods for the synthesis of structural components and active systems have been used in many applications because of the main interest in designing efficient devices and high-performance structural systems. A rational strategy can be established by properly controlling the master injection frequency parameter. Simulation results show that the multiscale model approach is achieved and meets accuracy with high computational efficiency. The M-TMD system can significantly improve the overall response of constrained structures by modestly reducing the critical stress amplitude of the frame. This design can be believed to build affordable, safe, environmentally friendly, resilient, sustainable infrastructure and transportation.
In this paper, a procedure to develop fragility curves of structures equipped with semi-active tuned mass dampers (SATMDs) considering multiple failure criteria has been presented while accounting for the uncertainties of the input excitation, structure and control device parameters. In this procedure, Latin hypercube sampling (LHS) method has been employed to generate 30 random SATMD-structure systems and nonlinear incremental dynamic analysis (IDA) has been conducted under 20 earthquakes to determine the structural responses, where failure probabilities in each intensity level have been evaluated using Monte Carlo simulation (MCS) method. For numerical analysis, an eight-story nonlinear shear building frame with bilinear hysteresis material behavior has been used. Fragility curves for the structure equipped with optimal SATMDs have been developed considering single and multiple failure criteria for different performance levels and compared with that of uncontrolled structure as well as structure controlled using passive tuned mass damper (TMD). Numerical analysis has shown the capability of SATMDs in significant enhancement of the seismic fragility of the nonlinear structure. Also, considering multiple failure criteria has led to increasing the fragility of the structure. Moreover, it is observed that the influence of the uncertainty of input excitation with respect to the other uncertainties is considerable.
This paper proposes the application of active multiple tuned mass dampers (AMTMD) for translational and torsional response control of a simplified two-degree-of-freedom (2DOF) structure, able to represent the dynamic characteristics of general asymmetric structures, under the ground acceleration. This 2DOF structure is a generalized 2DOF system of an asymmetric structure with predominant translational and torsional responses under earthquake excitations using the mode reduced-order method. Depending on the ratio of the torsional to the translational eigenfrequency, i.e. the torsional to translational frequency ratio (TTFR), of asymmetric structures, the following three cases can be distinguished: (1) torsionally flexible structures (TTFR < 1.0), (2) torsionally intermediate stiff structures (TTFR = 1.0), and (3) torsionally stiff structures (TTFR > 1.0). The even distribution of the AMTMD within the whole width and half width of the asymmetric structure, thus leading to three cases of installing the AMTMD (referred to as the AMTMD of case 1, AMTMD of case 2, AMTMD of case 3, respectively), is taken into account. In the present study, the criterion for searching the optimum parameters of the AMTMD is defined as the minimization of the minimum values of the maximum translational and torsional displacement dynamic magnification factors (DMF) of an asymmetric structure with the AMTMD. The criterion used for assessing the effectiveness of the AMTMD is selected as the ratio of the minimization of the minimum values of the maximum translational and torsional displacement DMF of the asymmetric structure with the AMTMD to the maximum translational and torsional displacement DMF of the asymmetric structure without the AMTMD. By resorting to these two criteria, a careful examination of the effects of the normalized eccentricity ratio (NER) on the effectiveness and robustness of the AMTMD are carried out in the mitigation of both the translational and torsional responses of the asymmetric structure. Likewise, the effectiveness of a single ATMD with the optimum positions is presented and compared with that of the AMTMD.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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