Response spectrum method is still an effective approach for the design of buildings with supplemental dampers. In practice, complex complete quadratic combination (CCQC) rule is always used in the response spectrum method to consider the effect of non-classical damping. The conventional CCQC rule is based on exact complex mode vectors. Sometimes the calculated complex mode vectors may be not excited by the external loading and errors in the structural responses always arise due to the mode truncation. Load-dependent Ritz (LDR) vectors are associated with the external loading and LDR vectors not excited can be automatically excluded. Also, contributions of higher modes are implicitly contained in the LDR vectors in terms of static responses. To improve the calculation efficiency and accuracy, LDR vectors are introduced in the CCQC rule in the present study. Firstly, the generation procedure of LDR vectors suitable for non-classical damping system is presented. Compared to the conventional LDR vectors, the LDR vectors herein are complex-valued and named as complex LDR (CLDR) vectors. Based on the CLDR vectors, the CCQC rule is then rederived and an improved response spectrum method is developed. Finally, the effectiveness of the proposed method in this paper is verified through three typical non-classical damping buildings. Numerical results show that the CLDR vector is superior to the complex mode with the same number in the calculation. Since the generation of CLDR vectors requires less computational cost and storage space, the method proposed in this paper offers an attractive alternative, especially for structures with a large number of degrees of freedom.
This paper introduces a novel, rigorous, and efficient probabilistic methodology for the performance-based optimal design (PBOD) of semi-active tuned mass damper (SATMD) for seismically excited nonlinear structures. The proposed methodology is consistent with the modern performance-based earthquake engineering framework and aims to design reliable control systems. To this end, an optimization problem has been defined which considers the parameters of control systems as design variables and minimization of the probability of exceeding a targeted structural performance level during the lifetime as an objective function with a constraint on the failure probability of stroke length damage state associated with mass damper mechanism. The effectiveness of the proposed methodology is illustrated through a numerical example of performance analysis of an eight-story nonlinear shear building frame with hysteretic bilinear behavior. The SATMD with variable stiffness and damping have been designed separately with different mass ratios. Their performance has been compared with that of uncontrolled structure and the structure controlled with passive TMD in terms of probabilistic demand curves, response hazard curves, fragility curves, and exceedance probability of performance levels during the lifetime. Numerical results show the effectiveness, simplicity, and reliability of the proposed PBOD method in designing SATMD with variable stiffness and damping for the nonlinear frames where they have reduced the exceedance probability of the structure up to 49% and 44%, respectively.
Two novel semi-active control methods for a seismically excited nonlinear benchmark building equipped with magnetorheological dampers are presented and evaluated in this paper. While a primary controller is designed to estimate the optimal control force of a magnetorheological (MR) damper, the required voltage input for the damper to produce such desired control force is achieved using two different methods. The first technique uses an optimal compact Takagi-Sugeno-Kang (TSK) fuzzy inverse model of MR damper to predict the required voltage to actuate the MR dampers (TSKFInv). The other voltage regulator introduced here works based on the maximum and minimum capacities of MR damper at each time-step (MaxMin). Both semi-active algorithms developed here, use acceleration feedback only. The results demonstrate that both TSKFInv and MaxMin algorithms are quite effective in seismic response reduction for wide range of motions from moderate to severe seismic events, compared with the passive systems and performs better than original and Modified clipped optimal controller systems, known as COC and MCOC.
The seismic behavior of two steel moment-resisting frames, which satisfy all the current seismic design requirements, are evaluated and compared in the presence of pre-Northridge connections denoted as BWWF and an improved post-Northridge connections denoted as BWWF-AD. Pre-Northridge connections are modeled first as fully restrained (FR) type. Then they are considered to be partially restrained (PR) to model their behavior more realistically. The improved post-Northridge connections are modeled as PR type, as proposed by the authors. A sophisticated nonlinear time-domain finite element program developed by the authors is used for the response evaluation of the frames in terms of the overall rotation of the connections and the maximum drift. The frames are excited by ten recorded earthquake time histories. These time histories are then scaled up to produce some relevant response characteristics. The behaviors of the frames are studied comprehensively with the help of 120 analyses. Following important observations are made. The frames produced essentially similar rotation and drift for the connections modeled as FR type and PR type represented by BWWF-AD indicating that the presence of slots in the web of beams in BWWF-AD is not detrimental to the overall response behavior. When the lateral displacements of the frames are significantly large, the responses are improved if BWWF-AD type connections are used in the frames. This study analytically confirms many desirable features of BWWF-AD connections. PR frames have longer periods of vibration in comparison to FR frames and may attract lower inertia forces. However, calculated periods of the frames of this study using FEMA 350 empirical equation is longer than those calculated using dynamic characteristics of the frames. This may result in even lower design forces and may adversely influence the design.
Shield tunnels are widely used throughout the world. However, their seismic performance has not been well studied. This paper focuses on the seismic response of a large scale model tunnel in compacted sand. A 9.3 m long, 3.7 m wide and 2.5 m high rigid box was filled with sand so as to simulate the sandy soil surrounding the tunnel. The setup was excited on a large-scale shake table. The model tunnel used was a 1:8 scaled model with a cross-sectional diameter of 900 mm. The effective shock absorbing layer (SAL) on the seismic response of the model tunnel was also investigated. The thickness of the tunnel lining is 60 mm. The earthquake motion recorded from the Kobe earthquake waves was used. The ground motions were scaled to have the same peak accelerations. A total of three peak accelerations were considered (i.e., 0.1 g, 0.2 g and 0.4 g). During the tests, the strain, acceleration and soil pressure on the surface of the tunnel were measured. In order to investigate the effect of shock absorbing layer on the dynamic response of the sand- tunnel system, two tunnel models were set up, one with and one without the shock absorbing layer of foam board were used. The results shows the longitudinal direction acceleration of the model tunnel with a shock absorbing layer were lower than those of model tunnel without the shock absorbing layer, Which indicates that the shock absorbing layer has a beneficial effect on the acceleration reduction. In addition, the shock absorbing layer has influence on the hoop strain and earth pressure of the model tunnel, this the effect of shock absorbing layer to the model tunnel will be discussed in the paper.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2001.04a
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pp.163-171
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2001
This paper presents sliding mode control(SMC) method using target variation rate of Lypunov Function. SMC keeps the response of structure in sliding surface where structure is stable. It can design both linear controller and bang-bang controller. Linear control of previous research, however, can not make most of the performance of controller, because it is designed to satisfy the condition that the variation rate of Lyapunov function is minus. Also, incase of bang-bang controller, unnecessary large control force is generated. Presented method can utilize the capacity of controller efficiently by prescribing the target variation rate of Lyapunov function. Numerical simulation results indicate that the presented control methods can reduce the peak response larger than linear control, and it has control performance equivalent to bang-bang control.
The strong need of verifying theories formulated for semi-active control through applications to real structures is due to the fact that theoretical research on semi-active control systems is not matched by a corresponding satisfactory experimental activity. This paper shows how a smart system including magnetorheological devices as damping elements can be implemented in a large-scale structural model, by describing in detail the kind of electronics (dedicated hardware and software) adopted during the experimental campaign. It also describes the most interesting results in terms of reduction of the seismic response (either experimental or numerical) of the semi-actively controlled structure compared to a passive operating control system, and in terms of the evaluation criteria proposed in the benchmark for seismically excited controlled buildings. The paper also explains how to derive from the classical theory of optimal control the adopted control logic, based on a clear physical approach, and provides an exhaustive picture of the time delays characterizing the control sequence.
Baghaei, Keyvan Aghabalaei;Ghaffarzadeh, Hosein;Hadigheh, S. Ali;Dias-da-Costa, Daniel
Structural Engineering and Mechanics
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v.69
no.3
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pp.307-315
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2019
This paper proposes a chattering-free sliding mode control (CFSMC) method for seismically excited structures. The method is based on a fuzzy logic (FL) model applied to smooth the control force and eliminate chattering, where the switching part of the control law is replaced by an FL output. The CFSMC is robust and keeps the advantages of the conventional sliding mode control (SMC), whilst removing the chattering and avoiding the time-consuming process of generating fuzzy rule basis. The proposed method is tested on an 8-story shear frame equipped with an active tendon system. Results indicate that the new method not only can effectively enhance the seismic performance of the structural system compared to the SMC, but also ensure system stability and high accuracy with less computational cost. The CFSMC also requires less amount of energy from the active tendon system to produce the desired structural dynamic response.
The dynamic responses of a rocking wall-moment frame (RWMF) with a post-tensioned cable are investigated. The nonlinear equations of motions are developed, which can be categorized as a single-degree-of-freedom (SDOF) model. The model is validated through comparison of the rocking response of the rigid rocking wall (RRW) and displacement of the moment frame (MF) against that obtained from Finite Element analysis when subjected ground motion excitation. A comprehensive parametric analysis is carried out to determine the seismic performance factors of the RWMF systems under near-fault trigonometric pulse excitation. The horizontal displacement of the RWMF system is compared with that of MF structures without RRW, revealing the damping effect of the RRW. Frame displacement spectra excited by trigonometric pulses and recorded earthquake ground motions are constructed. The effects of pulse type, mass ratio, frame stiffness, and wall slenderness variations on the displacement spectra are presented. The paper shows that the coupling with a RRW has mixed results on suppressing the maximum displacement response of the frame.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.11
no.6
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pp.1-14
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2007
Optimal design method of nonlinear damping system for seismic response control of adjacent structures is studied in this paper. The objective functions of the optimal design are defined by structural response and total amount of the dampers. In order to obtain a solution minimizing two mutually conflicting objective functions simultaneously, multi-objective optimization technique based on genetic algorithm is adopted. In addition, stochastic linearization method is embedded into the multi-objective framework to efficiently estimate the seismic responses of the adjacent structures interconnected by nonlinear hysteretic dampers without performing nonlinear time-history analyses. As a numerical example to demonstrate the effectiveness of the proposed technique, 20-story and 10-story buildings are considered and MR dampers of which hysteretic behaviors vary with the magnitude of the input voltage are considered as nonlinear hysteretic damper interconnecting two adjacent buildings. The proposed approach can provide the optimal number and capacities of the MR dampers, which turned out to be more economical than the uniform distribution system while maintaining similar control performance. The proposed damper system is verified to show more stable performance in terms of the pounding probability between two adjacent buildings. The applicability of the proposed method to the design problem for optimally placing semi-active control system is examined as well.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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