In this paper passive seismic retrofit devices for building structures developed by the author in recent years are introduced. The proposed damping devices were developed by slightly modifying the configuration of conventional devices and enhancing their effectiveness. First a seismic retrofit system consisting of a pin-jointed steel frame and rotational friction dampers installed at each corner of the steel frame was developed. Then two types of steel slit dampers were developed; box-type slit damper and multi-slit damper. In addition, hybrid dampers were developed by combining a slit damper and a friction damper connected in parallel. Finally a self-centering system was developed by using preloaded tendons and viscous dampers connected in series. For each retrofit system developed, an appropriate analytical model was developed, and the seismic performance was verified by loading test and earthquake analysis of case study structures. The experimental and analysis results show that the proposed systems can be used efficiently to enhance the seismic performance of building structures.
A convenient procedure for seismic retrofit of existing buildings is to use passive control methods, like using friction dampers in steel frames with bracing systems. In this method, reduction of seismic demand and increase of ductility generally improve seismic performance of the structures. Some of its advantages are development of a stable rectangular hysteresis loop and independence on environmental conditions such as temperature and loading rate. In addition to friction dampers, masonry-infill panels improve the seismic resistance of steel structures by increasing lateral strength and stiffness and reducing story drifts. In this study, the effect of masonry-infill panels on seismic performance of a three-span four-story steel frame with Pall friction dampers is investigated. The results show that friction dampers in the steel frame increase the ductility and decrease the drift (to less than 1%). The infill panels fulfill their function during the imposed drift and increase structural strength. It can be concluded that infill panels together with friction dampers, reduced structural dynamic response. These infill panels dissipated input earthquake energy from 4% to 10%, depending on their thickness.
Passive steel dampers have shown favorable performance in last earthquakes, numerical and experimental studies. Although steel dampers are more affordable than other types of damper, they are not economically justified for ordinary buildings. Therefore, in this paper, an innovative steel damper with shear yielding mechanism is introduced, which is easy to fabricate also can be easily replaced after sever earthquakes. The main goal of implementing such a mechanism is to control the possible damage in the damper and to ensure the elastic behavior of other structural components. The numerical results indicate an enhancement of the hysteretic behavior of the concentrically braced frames utilizing the proposed damper. The proposed damper change brittle behavior of brace due to buckling to ductile behavior due to shear yielding in proposed damper. The necessary relations for the design of this damper have been presented. In addition, a model has been presented to estimate load-displacement of the damper without needing to finite element modeling.
The insertion of steel braces has become a common technique to limit the deformability of steel framed buildings subjected to wind loads. However, when this technique is inadequate to keep floor accelerations within acceptable levels of human comfort, dampers placed in series with the steel braces can be adopted. To check the effectiveness of braces equipped with viscoelastic (VEDs) or friction dampers (FRDs), a numerical investigation is carried out focusing attention on a three-bay fifteen-storey steel framed building with K-braces. More precisely, three alternative structural solutions are examined for the purpose of controlling wind-induced vibrations: the insertion of additional diagonal braces; the insertion of additional diagonal braces equipped with dampers; the insertion of both additional diagonal braces and dampers supported by the existing K-braces. Additional braces and dampers are designed according to a simplified procedure based on a proportional stiffness criterion. A dynamic analysis is carried out in the time domain using a step-by-step initial-stress-like iterative procedure. Along-wind loads are considered at each storey assuming the time histories of the wind velocity, for a return period $T_r=5$ years, according to an equivalent wind spectrum technique. The behaviour of the structural members, except dampers, is assumed linear elastic. A VED and an FRD are idealized by a six-element generalized model and a bilinear (rigid-plastic) model, respectively. The results show that the structure with damped additional braces can be considered, among those examined, the most effective to control vibrations due to wind, particularly the floor accelerations. Moreover, once the stiffness of the additional braces is selected, the VEDs are slightly more efficient than the FRDs, because they, unlike the FRDs, dissipate energy also for small amplitude vibrations.
Supplemental passive dampers are widely employed to improve the structural performance of buildings under seismic excitations. Nevertheless, the added damping could be counter-productive if the axial forces induced by the damper reaction forces are not routed properly in the columns. A few researchers engaged to optimize the width-wise damper arrangement to improve the delivered path of the axial column forces. However, most of these studies are limited under the design-based seismic level and few of them has evaluated the collapse performance of buildings under strong earthquakes. In this paper, the strategic width-wise placement method of viscous dampers is explored regarding the building performance under collapse state. Two realistic steel buildings with different storeys are modelled and compared to explore higher mode effects. Each building is designed with four different damper arrangement scenarios based on a classic damper distribution method. Both a far-fault and a near-fault seismic environment are considered for the buildings. Incremental Dynamic Analysis (IDA) is performed to evaluate the probability of collapse and the plastic mechanism of the retrofitted steel buildings.
Two active/passive vibration dampers were designed to control a cantilever beam first mode of vibration. The active element was a piezoelectric polymer, polyvinlidene fluoride (PVDF). The passive damping was provided by the application of a viscoelastic layer on the surface of the steel beam. Two substantially different damper configurations were designed and tested. One damper consisted of a piezoelectric actuator bonded to one face of the beam, with a viscoelastic layer applied to the other surface of the beam. The second one was composed of a layer viscoeastic layer with one surface bonded to the beam, and with other being constrained by nine piezoelectric actuators connected in parallel. A control law based on the sign of the angular velocity of the cantilever beam was implemented to control the beam first mode of vibration. The piezoelectric sensor output was digitally differentiated to obtain the transverse linear velocity, and its sign was used in the control algorith. Two dampers provided the system a damping increase of a factor of four for the first damper and three for the second damper. Both dampers were found to work well at low levels of vibration, suggesting that they can be used effectively to prevent resonant vibrations in flexible structure from initiating and building up.
The structural behavior of reinforced concrete coupled shear wall structures is greatly influenced by the behavior of their coupling beams. This paper presents a process of the seismic analysis of reinforced concrete coupled shear wall-frame system linked by hysteretic dampers at each floor. The hysteretic dampers are located at the middle portion of the linked beams which most of the inelastic damage would be concentrated. This study concerned particularly with wall-frame structures that do not twist. The proposed method, which is based on the energy equilibrium method, offers an important design method by the result of increasing energy dissipation capacity and reducing damage to the wall's base. The optimum distribution of yield shear force coefficients is to evenly distribute the damage at dampers over the structural height based on the cumulative plastic deformation ratio of the dissipation device. Nonlinear dynamic analysis indicates that, with a proper set of damping parameters, the wall's dynamic responses can be well controlled. Finally, based on the total plastic strain energy and its trend through the height of the buildings, a prediction equation is suggested.
In this research, the idea of improving the seismic response of an existing steel structure with use of friction dampers between external walls and the structure is discussed. The main difference of this method with other methods of seismic rehabilitation is that interior spaces of the existing structure remain untouched and new parts including external walls and dampers are added outside of the structure. Three frames having 3, 6 and 9 stories are modeled in SAP2000 software before and after seismic retrofit and responses of the system are investigated under the effect of seven earthquake records. Initially, different ratios of seismic weight of stories are presumed for slip forces of the dampers with a distribution based on given equations. The optimized capacity of dampers is obtained by investigating the average of maximum displacement, acceleration and base shear of the structure caused by earthquakes. For this optimized values, maximum inter-story drifts and acceleration are obtained through numerical models. Results show that in 3, 6 and 9-story frames peak roof displacement decreased up to 80%. Maximum roof acceleration and base shear of the frames also decreased 46, 40 and 32% and 84, 67 and 65%, respectively for three building structures.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.2
no.3
s.5
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pp.103-113
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2002
This thesis investigates vibration response characteristics of building frames in which dampers are installed. The frames belong to passively vibration-controlled. Structures which utilizes energy dissipation of mechanical dampers provided in the structure. In this thesis, a turbulent flow damper sealed by visco-elastic material was dealt with as the device of passive vibration control. To investigate the resisting force characteristics of the damper, harmonic vibratration tests were carried out. Based on the test results, a theoretical model of the damper resistance was presented and a method of identifying the model parameters was proposed. Shaking table tests of the frame with and without the dampers were carried out and the effectiveness of the damper was examined. The response of the frame with the dampers was reduced to 1/2 or 1/3 of the cases without the damper.
Reducing response of buildings during earthquakes by mass dampers, has been examined in many articles and books. Nowadays, many researchers are trying to realistically examine this type of dampers by new methods of performance. In this paper, for the better study of tuned mass damper (TMD), two schematic models are presented for a passive TMD with softening stiffness (softening TMD) and a passive TMD with hardening stiffness (hardening TMD). Then by modeling and analysis of the damper on a single degree of freedom (SDOF) structure and an 11-story steel building, the dampers performance was evaluated. State space was used for damper and structure modeling and to solve nonlinear equations, the Newton-Raphson method was used. The results show that when the structure is subjected to the Chi-Chi earthquake, response of the sixth floor in the system without TMD reduces 54.0% in comparison to the structure with softening TMD. This percentage of reduction for hardening TMD is 55.0%. Also for the Tabas earthquake, reduction in the RMS acceleration of the sixth floor in the system with hardening TMD is 96.2% more than the structure without TMD. This percentage of reduction for hardening TMD is 96.3%.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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