Alvaro Javier Florez;Luis Felipe Giraldo;Mariantonieta Gutierrez Soto
Smart Structures and Systems
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제34권2호
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pp.73-85
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2024
Smart base-isolated buildings rest on flexible pads known as base isolators that minimize the effect of external disturbances along with active/semi-active actuators. The strategies used to control these active components are typically based on system models that are known a priori. Although these models describe some of the most important dynamics of the elements involved in the system, the high degree of uncertainty in the behavior of a structure under external disturbances is very difficult to characterize using a fixed model. In this work, we propose a strategy that deals with this issue: the input that controls the actuator in the base isolation system results from the compound action of a controller that relies on a model of the system that is known a priori, and a control policy that is designed based on online data-driven inferences on the behavior of the system. In this way, the control design process incorporates both the prior information about the system and the unknowns of the system, such as non-modeled parameters and nonlinear behaviors in the building. We show through simulations the performance of the proposed method in an eight-story building subjected to seismic loading.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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제10권1호
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pp.99-112
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2016
During earthquake, reinforced concrete walls show complicated post-yield behavior varying with shear span-to-depth ratio, re-bar detail, and loading condition. In the present study, a macro-model for the nonlinear analysis of multi-story wall structures was developed. To conveniently describe the coupled flexure-compression and shear responses, a reinforced concrete wall was idealized with longitudinal and diagonal uniaxial elements. Simplified cyclic material models were used to describe the cyclic behavior of concrete and re-bars. For verification, the proposed method was applied to various existing test specimens of isolated and coupled walls. The results showed that the predictions agreed well with the test results including the load-carrying capacity, deformation capacity, and failure mode. Further the proposed model was applied to an existing wall structure tested on a shaking table. Three-dimensional nonlinear time history analyses using the proposed model were performed for the test specimen. The time history responses of the proposed method agreed with the test results including the lateral displacements and base shear.
This building is a forty-eight story, 170 meters high multiple dwelling house with Dual Frame System (DFS), a coupled vibration system connecting two independent structures with hydraulic dampers. Generation of large deformation between two structures during earthquakes contributes to make the hydraulic dampers effective. To improve the aseismic performance more, this building adopts DFS hybrid system that consists of DFS and base isolation system. About typical floors, columns and beams are constructed with LRV precast concrete method that shorten the construction period greatly by integrating column-beam joints in column members.
Avci, Muammer;Botelho, Rui M.;Christenson, Richard
Smart Structures and Systems
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제25권2호
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pp.155-167
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2020
This paper demonstrates a real-time hybrid substructuring (RTHS) shake table test to evaluate the seismic performance of a base isolated building. Since RTHS involves a feedback loop in the test implementation, the frequency dependent magnitude and inherent time delay of the actuator dynamics can introduce inaccuracy and instability. The paper presents a robust stability and performance analysis method for the RTHS test. The robust stability method involves casting the actuator dynamics as a multiplicative uncertainty and applying the small gain theorem to derive the sufficient conditions for robust stability and performance. The attractive feature of this robust stability and performance analysis method is that it accommodates linearized modeled or measured frequency response functions for both the physical substructure and actuator dynamics. Significant experimental research has been conducted on base isolators and dampers toward developing high fidelity numerical models. Shake table testing, where the building superstructure is tested while the isolation layer is numerically modeled, can allow for a range of isolation strategies to be examined for a single shake table experiment. Further, recent concerns in base isolation for long period, long duration earthquakes necessitate adding damping at the isolation layer, which can allow higher frequency energy to be transmitted into the superstructure and can result in damage to structural and nonstructural components that can be difficult to numerically model and accurately predict. As such, physical testing of the superstructure while numerically modeling the isolation layer may be desired. The RTHS approach has been previously proposed for base isolated buildings, however, to date it has not been conducted on a base isolated structure isolated at the ground level and where the isolation layer itself is numerically simulated. This configuration provides multiple challenges in the RTHS stability associated with higher physical substructure frequencies and a low numerical to physical mass ratio. This paper demonstrates a base isolated RTHS test and the robust stability and performance analysis necessary to ensure the stability and accuracy. The tests consist of a scaled idealized 4-story superstructure building model placed directly onto a shake table and the isolation layer simulated in MATLAB/Simulink using a dSpace real-time controller.
One of the main shortcomings in the current passive base isolation system is lack of adaptability. The recent research and development of a novel adaptive seismic isolator based on magnetorheological elastomer (MRE) material has created an opportunity to add adaptability to base isolation systems for civil structures. The new MRE based base isolator is able to significantly alter its shear modulus or lateral stiffness with the applied magnetic field or electric current, which makes it a competitive candidate to develop an adaptive base isolation system. This paper aims at exploring suitable control algorithms for such adaptive base isolation system by developing a close-loop semi-active control system for a building structure equipped with MRE base isolators. The MRE base isolator is simulated by a numerical model derived from experimental characterization based on the Bouc-Wen Model, which is able to describe the force-displacement response of the device accurately. The parameters of Bouc-Wen Model such as the stiffness and the damping coefficients are described as functions of the applied current. The state-space model is built by analyzing the dynamic property of the structure embedded with MRE base isolators. A Lyapunov-based controller is designed to adaptively vary the current applied to MRE base isolator to suppress the quake-induced vibrations. The proposed control method is applied to a widely used benchmark base-isolated structure by numerical simulation. The performance of the adaptive base isolation system was evaluated through comparison with optimal passive base isolation system and a passive base isolation system with optimized base shear. It is concluded that the adaptive base isolation system with proposed Lyapunov-based semi-active control surpasses the performance of other two passive systems in protecting the civil structures under seismic events.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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제13권2호통권54호
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pp.145-152
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2009
In performing a risk analysis on structure for earthquake, it is imperative to identify the vulnerability of structures associated with various stages of damage. And the earthquake resisting capability is needed for structures like bridge. So the damage analysis of bridges with or without isolator for earthquake effects is necessary. In this paper, the risk analysis of seismic isolated LRB bridges considering earthquake effects such as PGA, PGV, SA, SV, and SI is performed using fragility curves to assure the earthquake resisting capability of the structures. And, the stability of fragility curve is investigated with respect to input earthquake.
Near-fault ground motions are characterized by high values of the ratio between the peak of vertical and horizontal ground accelerations, which can significantly affect the nonlinear response of a base-isolated structure. To check the effectiveness of different base-isolation systems for retrofitting a r.c. framed structure located in a near-fault area, a numerical investigation is carried out analyzing the nonlinear dynamic response of the fixed-base and isolated structures. For this purpose, a six-storey r.c. framed building is supposed to be retrofitted by insertion of an isolation system at the base for attaining performance levels imposed by current Italian code in a high-risk seismic zone. In particular, elastomeric (e.g., high-damping-laminated-rubber bearings, HDLRBs) and friction (e.g., steel-PTFE sliding bearings, SBs, or friction pendulum bearings, FPBs) isolators are considered, with reference to three cases of base isolation: HDLRBs acting alone (i.e., EBI structures); in-parallel combination of HDLRBs and SBs (i.e., EFBI structures); FPBs acting alone (i.e., FPBI structures). Different values of the stiffness ratio, defined as the ratio between the vertical and horizontal stiffnesses of the HDLRBs, sliding ratio, defined as the global sliding force divided by the maximum sliding force of the SBs, and in-plan distribution of friction coefficient for the FPs are investigated. The EBI, EFBI and FPBI base-isolation systems are designed assuming the same values of the fundamental vibration period and equivalent viscous damping ratio. The nonlinear dynamic analysis is carried out with reference to near-fault earthquakes, selected and scaled on the design hypotheses adopted for the test structures.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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제8권5호
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pp.75-82
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2008
In this study, the possibility of vibration control of high-rise building structures by applying top-story isolation has been investigated. To this end, El Centro NS (1940) earthquake load is applied to 20- and 50-story building structures for numerical analysis. Artificial wind loads are used to evaluate the serviceability of example structures against wind vibration. As the number of isolated stories of example buildings is changed, structural responses has been evaluated to investigate optimal isolated building mass. And the natural period of isolation systems for top-story isolation is varied to investigate the improvement of control performance compared with the fixed base structure. Based on the analytical results, the top-story isolation system can be used as a hued mass damper and effectively reduce the structural responses of high-rise buildings against wind and seismic loads.
Base isolation is a quite practical control strategy for enhancing the response of structural systems induced by strong ground motions. Due to the dynamic effects of base isolation systems, reduction in the interstory drifts of the superstructure is often achieved at the expense of high base displacement level, which may lead to instability of the structure or non-practical designs for the base isolators. To reduce the base displacement, several hybrid structural control strategies have been studied over the past decades. This study investigates a particular strategy that employs Tuned Mass Dampers (TMDs) for improving the performance of base-isolated structures and unlike previous studies, specifically focuses on the effectiveness of this hybrid control strategy in structures that are equipped with nonlinear base isolation systems. To consider the nonlinearities of base isolation systems, a Bouc-Wen model is selected and nonlinear dynamic OpenSees models are used to perform several time-history simulations in time and frequency domains. Through these numerical simulations, the effects of several parameters such as the fundamental period of the structure, dynamic properties of the TMD and isolation systems and properties of the input ground motion on the behaviour of TMD-structure-base isolation systems are examined. The results of this study provide a better insight into the performance of linear shear-story structures with nonlinear base isolators and show that there are many scenarios in which TMDs can still improve the performance of these systems.
Seismic isolation in ordinary buildings has been successively adapted to provide flexibility for the reduction of base shear forces and its concept is accepting wide agreement in lengthening the natural, period to lessen the spectral acceleration transmitted into the structure. However, one of difficulties in implementing the innovative concept to nuclear structures is due to more severe requirements in both understanding and predicting the characteristics of isolators and the behavior of cushioned structures, Stochastic analysis has been carried out to investigate the response of base isolated nuclear containers to the random earthquake ground motion.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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