Cable-stayed bridges are attractive due to their beauty, reducing material consumption, less harm to the environment and so on, in comparison with other kinds of bridges. As a massive structure with long period and low damping (0.3 to 2%) under many dynamic loads, these bridges are susceptible to fatigue, serviceability disorder, damage or even collapse. Tuned Mass Damper (TMD) is a suitable controlling system to reduce the vibrations and prevent the threats in such bridges. In this paper, Multi Tuned Mass Damper (MTMD) system is added to the Ahvaz cable stayed Bridge in Iran, to reduce its seismic vibrations. First, the bridge is modeled in SAP2000 followed with result verification. Dead and live loads and the moving loads have been assigned to the bridge. Then the finite element model is developed in OpenSees, with the goal of running a nonlinear time-history analysis. Three far-field and three near-field earthquake records are imposed to the model after scaling to the PGA of 0.25 g, 0.4 g, 0.55 g and 0.7 g. Two MTMD systems, passive and active, with the number of TMDs from 1 to 8, are placed in specific points of the main span of bridge, adding a total mass ratio of 1 to 10% to the bridge. The parameters of the TMDs are optimized using Genetic Algorithm (GA). Also, the optimum force for active control is achieved by Fuzzy Logic Control (FLC). The results showed that the maximum displacement of the center of the bridge main span reduced 33% and 48% respectively by adding passive and active MTMD systems. The RMS of displacement reduced 37% and 47%, the velocity 36% and 42% and also the base shear in pylons, 27% and 47%, respectively by adding passive and active systems, in the best cases.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2003.04a
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pp.193-200
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2003
This paper presents a hybrid (i.e., integrated passive-active) system for seismic response control of a cable-stayed bridge. Because multiple control devices are operating, a hybrid control system could alleviate some of the restrictions and limitations that exist when each system is acting alone. Lead rubber bearings are used as passive control devices to reduce the earthquake-induced forces in the bridge and hydraulic actuators are used as active control devices to further reduce the bridge responses, especially deck displacements. In the proposed hybrid control system, a linear quadratic Gaussian control algorithm is adopted as a primary controller. In addition, a secondary bang-bang type (i.e., on-off type) controller according to the responses of lead rubber bearings is considered to increase the controller robustness. Numerical simulation results show that control performances of the hybrid control system are superior to those of the passive control system and slightly better than those of the fully active control system. Furthermore, it is verified that the hybrid control system with a bang-bang type controller is more robust for stiffness perturbation than the active controller with μ-synthesis method and there are no signs of instability in the overall system whereas the active control system with linear quadratic Gaussian algorithm shows instabilities in the perturbed system. Therefore, the proposed hybrid protective system could effectively be used to seismically excited cable-stayed bridges.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2002.10a
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pp.338-345
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2002
This paper presents a hybrid control strategy for seismic protection of a benchmark cable-stayed bridge, which is provided as a testbed structure for the development of strategies for the control of cable-stayed bridges. In this study, a hybrid control system is composed of a passive control system to reduce the earthquake-induced forces in the structure and an active control system to further reduce the bridge responses, especially deck displacements. Lead rubber bearings and ideal hydraulic actuators are used fur the passive and active control systems. Bouc-Wen model is used to simulate the nonlinear behavior of lead rubber bearings and an H₂/LQG control algorithm is adopted as an active control algorithm. Numerical simulation results show that the performance of the proposed hybrid control strategy is superior to that of the passive control strategy and slightly better than that of the active control strategy. The proposed control method is also more reliable than the fully active control method due to the passive control part. Therefore, the proposed hybrid control strategy can effectively be used to seismically excited cable-stayed bridges.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.19
no.3
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pp.51-59
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2019
A hybrid mid-story seismic isolation system with a smart damper has been proposed to mitigate seismic responses of tall buildings. Based on previous research, a hybrid mid-story seismic isolation system can provide effective control performance for reduction of seismic responses of tall buildings. Structural design of the hybrid mid-story seismic isolation system is generally performed after completion of structural design of a building structure. This design concept is called as an iterative design which is a general design process for structures and control devices. In the iterative design process, optimal design solution for the structure and control system is changed at each design stage. To solve this problem, the integrated optimal design method for the hybrid mid-story seismic isolation system and building structure was proposed in this study. An existing building with mid-story isolation system, i.e. Shiodome Sumitomo Building, was selected as an example structure for more realistic study. The hybrid mid-story isolation system in this study was composed of MR (magnetorheological) dampers. The stiffnessess and damping coefficients of the example building, maximum capacity of MR damper, and stiffness of isolation bearing were simultaneously optimized. Multi-objective genetic optimization method was employed for the simultaneous optimization of the example structure and the mid-story seismic isolation system. The optimization results show that the simultaneous optimization method can provide better control performance than the passive mid-story isolation system with reduction of structural materials.
Recent studies integrating vibration control and structural health monitoring (SHM) use control devices and control algorithms to enable system identification and damage detection. In this study real-time SHM is used to enhance structural vibration control and reduce damage. A newly proposed control algorithm, including integrated real-time SHM and semi-active control strategy, is presented to mitigate both damage and seismic response of the main structure under strong seismic ground motion. The semi-active independently variable stiffness (SAIVS) device is used as semi-active control device in this investigation. The proper stiffness of SAIVS device is obtained using a new developed semi-active control algorithm based on real-time damage tracking of structure by damage detection algorithm based on identified system Markov parameters (DDA/ISMP) method. A three bay five story steel braced frame structure, which is equipped with one SAIVS device at each story, is employed to illustrate the efficiency of the proposed algorithm. The obtained results show that the proposed control algorithm could significantly decrease damage in most parts of the structure. Also, the dynamic response of the structure is effectively reduced by using the proposed control algorithm during four strong earthquakes. In comparison to passive on and off cases, the results demonstrate that the performance of the proposed control algorithm in decreasing both damage and dynamic responses of structure is significantly enhanced than the passive cases. Furthermore, from the energy consumption point of view the maximum and the cumulative control force in the proposed control algorithm is less than the passive-on case, considerably.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.15
no.4
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pp.81-89
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2015
Damped outrigger systems have been proposed as a novel energy dissipation system to protect tall buildings from severe earthquakes and strong wind loads. In this study, semi-active damping devices such as magnetorheological (MR) dampers instead of passive dampers are installed vertically between the outrigger and perimeter columns to achieve large and adaptable energy dissipation. Control performance of semi-active outrigger damper system mainly depends on the control algorithm. Fuzzy logic control algorithm was used to generate command voltage sent to MR damper. Genetic algorithm was used to optimize the fuzzy logic controller. An artificial earthquake load was generated for numerical simulation. A simplified numerical model of damped outrigger system was developed. Based on numerical analyses, it has been shown that the semi-active damped outrigger system can effectively reduce both displacement and acceleration responses of the tall building in comparison with a passive outrigger damper system.
An innovative multi-story Semi-Active Tuned Mass Damper (SATMD) building system is proposed to control seismic response of existing structures. The application of adding new stories as large tuned mass and semi-active (SA) resettable actuators as central features of the control scheme is derived. For the effective control of the structures, the optimal tuning parameters are considered for the large mass ratio, for which a previously proposed equation is used and the practical optimal stiffness is allocated to the actuator stiffness and rubber bearing stiffness. A two-degree-of freedom (2-DOF) model is adopted to verify the principal efficiency of the suggested structural control concept. The simulations for this study utilizes the three ground motions, from SAC project, having probability of exceedance of 50% in 50 years, 10% in 50 years, and 2% in 50 years for the Los Angeles region. 12-story moment resisting frames, which are modified as '12+2' and '12+4' story structures, are investigated to assess the viability and effectiveness of the system that aims to reduce the response of the buildings to earthquakes. The control ability of the SATMD scheme is compared to that of an uncontrolled and an ideal Passive Tuned Mass Damper (PTMD) building system. From the performance results of suggested '12+2' and '12+4' story retrofitting case studies, SATMD systems shows significant promise for application of structural control where extra stories might be added.
Micro vibration isolation, typically originated from ground, is always a prime concern for the nano-measurement instruments such as Atomic Force Microscopes. A four mount active vibration isolation system is proposed in this paper. Modeling and control of such a four mount system was analyzed. Combined active-passive isolation principle is used for vibration isolation by mounting the instrument on a passively damped isolation system made of Elastomer along with the active stage in parallel that consists of very soft actuation system, the Voice Coil Motor. The active stage works in combination with the passive stage for working as a very low frequency vibration attenuator.
Shahabi, Ali Beirami;Ahari, Gholamreza Zamani;Barghian, Majid
Earthquakes and Structures
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v.16
no.6
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pp.743-755
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2019
In this paper, a new system of seismic isolation for buildings - called suspended columns - is introduced. In this method, the building columns are placed on the hinged cradle seats instead of direct connection to the foundation. In this system, each of the columns is put on a seat hung from its surrounding area by a number of cables, for which cavities are created inside the foundation around the columns. Inside these cavities, the tensile cables are hung. Because of the flexibility of the cables, the suspended seats vibrate during an earthquake and as a result, there is less acceleration in the structure than the foundation. A Matlab code was written to analyze and investigate the response of the system against the earthquake excitations. The findings showed that if this system is used in a building, it results in a significant reduction in the acceleration applied to the structure. A shear key system was used to control the structure for service and lateral weak loads. Moreover, the effect of vertical acceleration on the seismic behavior of the system was also investigated. Effect of the earthquake characteristic period on the system performance was studied and the optimum length of the suspension cables for a variety of the period ranges was suggested. In addition, measures have been taken for long-term functioning of the system and some practical feasibility features were also discussed. Finally, the advantages and limitations of the system were discussed and compared with the other common methods of seismic isolation.
Park, Kyu-Sik;Jung, Hyung-Jo;Choi, Kang-Min;Lee, Jong-Heon;Lee, In-Won
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2004.11a
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pp.574-577
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2004
This paper presents a hybrid system combining lead rubber bearings and hydraulic actuators controlled by a $\mu-synthesis$ method for seismic response control of a cable-stayed bridge. A hybrid system could alleviate some of restrictions and limitations that exist when each system is acting alone because multiple control devices are operating. Therefore, the overall control performance of a hybrid system may be improved compared to each system, however the overall system robustness may be negatively impacted by active device in the hybrid system or active controller may cause instability due to small margins. Therefore, a $\mu-synthesis$ method that guarantees the robust performance is considered to enhance the possibility of real applications of the control system. The performances of the proposed control system are compared with those of passive, active, semiactive control systems and hybrid system controlled by a LQG algorithm. Furthermore, an extensive robust analysis with respect to stiffness and mass matrices perturbation and time delay of actuator is performed. Numerical simulation results show that the performances of the proposed control system are superior to those of passive system and slightly better than those of active and semiactive systems and two hybrid systems show similar control performances. Furthermore, the hybrid system controlled by a f-synthesis method shows the good robustness without loss of control performances. Therefore, the proposed control system could effectively be used to seismically excited cable-stayed bridge which contains many uncertainties.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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