The passive control of structures using a pendulum tuned mass damper has been extensively studied in the technical literature. As the frequency of the pendulum depends only on its length and the acceleration of gravity, to tune the frequency of the pendulum with that of the structure, the pendulum length is the only design variable. However, in many cases, the required length and the space necessary for its installation are not compatible with the design. In these cases, one can replace the classical pendulum by a virtual pendulum which consists of a mass moving over a curved surface, allowing thus for a greater flexibility in the absorber design, since the length of the pendulum becomes irrelevant and the shape of the curved surface can be optimized. A mathematical model for a building with a pendular tuned mass damper and a detailed parametric analysis is conducted to study the influence of this device on the nonlinear oscillations and stability of the main system under harmonic and seismic base excitation. In addition to the circular profiles, different curved surfaces with softening and hardening characteristics are analyzed. Also, the influence of impact on energy dissipation is considered. A detailed parametric analysis is presented showing that the proposed damper can not only reduce sharply the displacements, and consequently the internal forces in the main structure, but also the accelerations, increasing user comfort. A review of the relevant aspects is also presented.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.33
no.5
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pp.482-488
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2009
Dancer system is typically used equipment for attenuation of tension disturbances. In industrial converting machines, a composite type of dancer system is applied which is mixture of active and passive dancer. It includes feedback position control loop of roll with pendulum dancer and its characteristics is different from passive and active one. In this paper, a mathematical model of the pendulum dancer was derived including PI position feedback controller and it was analyzed by using a pole-zero map and bode plot under various conditions. It was found out that velocity, length of span and inertia were associated with the performance of regulation. It was suggested that the length of upstream span should be greater than that of the downstream and the inertia should be smaller for improvement of the performance. The results can be used for design guidelines of the industrial dancer system.
Weber, Felix;Yalniz, Fatih;Kerner, Deniz;Huber, Peter
International Journal of High-Rise Buildings
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v.10
no.2
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pp.99-107
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2021
This research investigates the potential of Adaptive TMDs for tall building damping. The Adaptive TMD under consideration is based on real-time controlled hydraulic dampers generating purely dissipative control forces. The control approach is designed to enhance the Adaptive TMD efficiency for moderate wind loads with return periods below 50 years. The resulting enhanced TMD efficiency is used to reduce the pendulum mass by 15% compared to the passive TMD while still guaranteeing the acceleration limits of the one and ten year return period winds. Furthermore, the adaptive control approach is designed to disproportionally increase the controlled damping force at wind loads with return periods of 50 years and more in order to reduce the maximum relative motion of the Adaptive TMD with only 85% pendulum mass. Compared to the passive TMD with 100% pendulum mass the maximum relative motion is reduced by 20%. Both the pendulum mass reduction and the maximum relative motion reduction significantly reduce the foot print of the Adaptive TMD which is highly desirable from the economic point of view.
Pendulums can be used as passive vibration control devices in several structures and machines. In the present work, the nonlinear behavior of a pendulum-tower system is studied. The tower is modeled as a bar with variable cross-section with concentrated masses. First, the vibration modes and frequencies of the tower are obtained analytically. The primary structure and absorber together constitute a coupled system which is discretized as a two degrees of freedom nonlinear system, using the normalized eigenfunctions and the Rayleigh-Ritz method. The analysis shows the influence of the geometric nonlinearity of the pendulum absorber on the response of the tower. A parametric analysis also shows that, with an appropriate choice of the absorber parameters, a pendulum can decrease the vibration amplitudes of the tower in the main resonance region. The results also show that the pendulum nonlinearity cannot be neglected in this type of problem, leading to multiplicity of solutions, dynamic jumps and instability. In order to improve the effectiveness of the control during the transient response, a hybrid control system is suggested. The added control force is implemented as a non-linear variable stiffness device based on position and velocity feedback. The obtained results show that this strategy of nonlinear control is attractive, has a good potential and can be used to minimize the response of slender structures under various types of excitation.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.21
no.11
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pp.209-218
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2004
The purpose of this paper is to suggest a practical and simple method for the identification of the joint mechanical properties and to apply it to human knee joints. The passive moment at a joint was modeled by three mechanical parts, that is, a gravity term, a linear damper term and a nonlinear spring term. Passive pendulum tests were performed in 5 fat and 5 thin men. The data of pendulum test were used to identify the mechanical properties of joints through sequential quadratic programming (SQP) with random initial values. The identification was successful where the normalized root-mean-squared (RMS) errors between the simulated and experimental joint angle trajectories were less than 10%. The parameter values of mechanical properties obtained in this study agreed with literature. The inertia, gravity and the damping constant were greater at fat men, which indicates more resistance to body movement and more energy consumption fer fat men. The suggested method is noninvasive and requires simple setup and short measurement time. It is expected to be useful in the evaluation of joint pathologies.
The research field of structural control has evolved from the development of passive devices since 1970s, through the intensive investigation on active systems in 1980s, to the recent studies of semi-active control systems in 1990s. Currently semi-active control is considered most promising in civil engineering applications. However, actual implementation of semi-active devices is still limited due mainly to their system maintenance and associated long-term reliability as a result of power requirement. In this paper, the concept of functionally upgraded passive devices is introduced to streamline some of the state-of-the-art researches and guide the development of new passive devices that can mimic the function of their corresponding semi-active control devices for various applications. The general characteristics of this special group of passive devices are discussed and representative examples are summarized. Their superior performances are illustrated with cyclic and shake table tests of two example devices: mass-variable tuned liquid damper and friction-pendulum bearing with a variable sliding surface curvature.
A passive vibration mitigation architecture is proposed to damp transverse vibrations of guyed masts. The scheme is based on a number of pendula attached to the mast and tuned to the vibration modes to be controlled. This scheme differs from the well-known autoparametric pendulum absorber system. The equations of motion of the guyed mast with an arbitrary number of pendula are obtained. The leading bending behaviour of a typical truss mast is described by an equivalent beam model whereas the guys are conveniently modeled as equivalent transverse springs whose stiffness comprises the elastic and geometric stiffness. By assuming a mast with an inertially and elastically isotropic cross-section, a planar model of the guyed mast is investigated. The linearization of the equations of motion of the mast subject to a harmonic distributed force leads to the transfer functions of the structure without the dampers and with the dampers. The transfer functions allow to investigate the mitigation effects of the pendula. By employing one pendulum only, tuned to the frequency of the lowest mode, the effectiveness of the passive vibration potential in reducing the motion and acceleration of the top section of the mast is demonstrated.
The conventional method of structural seismic design was based on increasing structural capacity, which usually didn't reduce earthquake seismic effects. By changing the philosophy of structure design, technologies such as passive seismic control have been used in structures. So far, a large number of seismic isolation systems have been introduced to dissipate earthquake energy that is applied to a structure. These systems act against earthquakes rather than increasing the strength and capacity of the structure. In the present paper, a suspended column called a "pendulum column" is investigated, and a new idea has been considered to improve the performance of the pendulum column isolator by changing the gravity effect by adding a spring under the isolator system. The behavior of the studied isolator system has been researched. Then the isolator system was investigated under different earthquakes and compared with a common pendulum column isolator. The results show that changing the gravity effect has an effective role in the response of the system by reducing the system stiffness. Equations for the system showed that even in a special state, complete isolation is possible. Finally, the tested model verified the theory.
Due to the shift in paradigm from passive control to adaptive control, smart tuned mass dampers (STMDs) have received considerable attention for vibration control in tall buildings and bridges. STMDs are superior to tuned mass dampers (TMDs) in reducing the response of the primary structure. Unlike TMDs, STMDs are capable of accommodating the changes in primary structure properties, due to damage or deterioration, by tuning in real time based on a local feedback. In this paper, a novel adaptive-length pendulum (ALP) damper is developed and experimentally verified. Length of the pendulum is adjusted in real time using a shape memory alloy (SMA) wire actuator. This can be achieved in two ways i) by changing the amount of current in the SMA wire actuator or ii) by changing the effective length of current carrying SMA wire. Using an instantaneous frequency tracking algorithm, the dominant frequency of the structure can be tracked from a local feedback signal, then the length of pendulum is adjusted to match the dominant frequency. Effectiveness of the proposed ALP-STMD mechanism, combined with the STFT frequency tracking control algorithm, is verified experimentally on a prototype two-storey shear frame. It has been observed through experimental studies that the ALP-STMD absorbs most of the input energy associated in the vicinity of tuned frequency of the pendulum damper. The reduction of storey displacements up to 80 % when subjected to forced excitation (harmonic and chirp-signal) and a faster decay rate during free vibration is observed in the experiments.
Kim Chul-Seung;Kong Se-Jin;Kwon Sun-Duck;Kim Jong-Moon;Eom Gwang-Moon
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.23
no.7
s.184
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pp.152-158
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2006
The objective of this work is to develop the knee joint model for representing various pendulum motions and quantifying the spasticity. Knee joint model included the extension and flexion muscles. The joint moment consists of both the active moment from the stretch reflex and the passive moment from the viscoelastic joint properties. The stretch reflex was modeled as nonlinear feedback of muscle length and the muscle lengthening velocity, which is Physiologically-feasible. Moreover, we modeled the spastic reflex as having dynamic threshold to account far the various pendulum trajectories of spastic patients. We determined the model parameters of three patients who showed different pendulum trajectories through minimization of error between experimental and simulated trajectories. The simulated joint trajectories closely matched with the experimental ones, which show the proposed model can predict pendulum motions of patients with different spastic severities. The predicted muscle force from spastic reflex appeared more frequently in the severe spastic patient, which indicates the dynamic threshold relaxes slowly in this patient as is manifested by the variation coefficient of dynamic threshold. The proposed method provides prediction of muscle force and intuitive and objective evaluation of spasticity and it is expected to be useful in quantitative assessment of spasticity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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