Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.9
no.4
s.44
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pp.43-54
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2005
This paper presents cost-effectiveness evaluation of semi-active control system for cable-stayed bridge under earthquake excitations with various magnitudes and frequency contents. Semi-active control system, which is operated by using Bi-stale control method on the basis of linear quadratic Gaussian (LQG) optimal controller, is designed for the benchmark control problem proposed by Dyke et at. The cost-effectiveness of the proposed control system is defined by the ratio of life-cycle costs between a bridge structure with shock transmission units and a bridge structure with the semi-active control devices. The simulated results show that the damper cost has little influence on the cost-effectiveness of the semi-active control system while the cost-effectiveness is quite sensitive to the damage cost induced by the bridge failure. It is also found that the semi-active control system guarantees relatively high cost-effectiveness for the cable-stayed bridge subject to the ground motions in the regions of moderate seismicity with soft soil condition and strong seismicity with stiff soil condition.
Control systems are used to limit structural lateral deflections during large external loads such as winds and earthquakes. Most recently, the semi-active control approach has grown in popularity due to inexpensive control devices that consume little power. As a result, recently designed control systems have employed many semi-active control devices for the control of a structure. In the future, it is envisioned that structural control systems will be large-scale systems defined by high actuation and sensor densities. Decentralized control approaches have been used to control large-scale systems that are too complex for a traditional centralized approach, such as linear quadratic regulation (LQR). This paper describes the derivation of energy market-based control (EMBC), a decentralized approach that models the structural control system as a competitive marketplace. The interaction of free-market buyers and sellers result in an optimal allocation of limited control system resources such as control energy. The Kajima-Shizuoka Building and a 20-story benchmark structure are selected as illustrative examples to be used for comparison of the EMBC and centralized LQR approaches.
This study proposes an intelligent semi-active isolation system combining a variable-stiffness control device and ground motion characteristic prediction. To determine the optimal control parameter in real-time, a genetic algorithm (GA)-fuzzy control law was developed in this study. Data on various types of ground motions were collected, and the ground motion characteristics were quantified to derive a near-fault (NF) characteristic ratio by employing an on-site earthquake early warning system. On the basis of the peak ground acceleration (PGA) and the derived NF ratio, a fuzzy inference system (FIS) was developed. The control parameters were optimized using a GA. To support continuity under near-fault and far-field ground motions, the optimal control parameter was linked with the predicted PGA and NF ratio through the FIS. The GA-fuzzy law was then compared with other control laws to verify its effectiveness. The results revealed that the GA-fuzzy control law could reliably predict different ground motion characteristics for real-time control because of the high sensitivity of its control parameter to the ground motion characteristics. Even under near-fault and far-field ground motions, the GA-fuzzy control law outperformed the FPEEA control law in terms of controlling the isolation layer displacement and the superstructure acceleration.
The number of cable-stayed bridges has been increasing worldwide, causing issues in maintaining the structural safety and integrity of bridges. The stay cable, one of the most critical members in cable-stayed bridges, is vulnerable to wind-induced vibrations owing to its inherent low damping capacity. Thus, vibration mitigation of stay cables has been an important issue both in academia and practice. While a semi-active control scheme shows effective vibration reduction compared to a passive control scheme, real-world applications are quite limited because it requires complicated equipment, including for data acquisition, and power supply. This study aims to develop an Arduino-based integrated cable vibration control system implementing a semi-active control algorithm. The integrated control system is built on the low-cost, low-power Arduino platform, embedding a semi-active control algorithm. A MEMS accelerometer is installed in the platform to conduct a state feedback for the semi-active control. The Linear Quadratic Gaussian control is applied to estimate a cable state and obtain a control gain, and the clipped optimal algorithm is implemented to control the damping device. This study selects the magnetorheological damper as a semi-active damping device, controlled by the proposed control system. The developed integrated system is applied to a laboratory size cable with a series of experimental studies for identifying the effect of the system on cable vibration reduction. The semi-active control embedded in the integrated system is compared with free and passive mode cases and is shown to reduce the vibration of stay-cables effectively.
To ensure safety and long term performance, structural control has rapidly matured over the past decade into a viable means of limiting structural responses to strong winds and earthquakes. Nonlinear response history analysis requires rigorous procedure to compute seismic demands. Therefore the simplified nonlinear analysis procedures are useful to determine performance of the structure. In this investigation, application of improved capacity demand diagram method in the control of structural system is presented for the first time. Developed pole assignment method (DPAM) in structural systems control is introduced. Genetic algorithm (GA) is employed as an optimization tool for minimizing a target function that defines values of coefficient matrices providing the placement of actuators and optimal control forces. The ground acceleration is modified under induced control forces. Due to this, performance of structure based on improved nonlinear demand diagram is selected to threshold of nonlinear behavior of structure. With small energy consumption characteristics, semi-active devices are especially attractive solutions for limiting earthquake effects. To illustrate the efficiency of DPAM, a 30-story steel moment frame structure employing the semi-active control devices is applied. In comparison to the widely used linear quadratic regulation (LQR), the DPAM controller was shown to be just as effective and better in the reduction of structural responses during large earthquakes.
In the case of designing control devices in a building, reliance on experimental formulation or engineering concepts without using optimization algorithms leads to non-optimal solutions or design parameters, which makes the use of control devices costly and unreasonable. The optimization algorithms are capable of identifying the required number of parameters for a specific design problem, however, this process is difficult and inefficient in dealing with some specific optimal design processes. This paper aims to introduce an upgraded version of the salp swarm algorithm to handle some engineering design. The performance of the new upgraded algorithm is tested using some benchmark test functions as well as a six-story benchmark building equipped with semi-active MR dampers. The simulation results show that the proposed algorithm can be successfully applied to get an optimal design of the MR dampers in the building.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2011.10a
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pp.59-63
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2011
Friction damping is one of the attractive vibration control technique for space structures due to its simplicity and large damping capacity. However, passive approaches for friction damping have a limitation because energy is no longer dissipated at sticking. In order to overcome this problem, semi-active control methods to adjust normal force at frictional interface have been studied in previous researches. In this paper, two semi-active friction control method is compared by simulating SDOF model of truss structure. The first approach is on-off control to maximize rate of energy dissipation, whereas the second concept is variable friction force control to minimize amplitude ratio for each half period. The maximum friction force, control variable in on-off control method, is obtained to minimize 1% settling time, and is different from optimal friction force in passive control. Simulation results show that performance of on-off control is better than that of variable friction force control in terms of settling time and controlled friction force.
In the past decades, much effort has been made towards the study of single-mode-based vibration controls with dynamic energy absorbers such as single or multiple Tuned Mass Dampers(TMDs). With the increase of bridge span length and the tendency of the bridge cross-section being more slender and streamlined, multi-mode coupled vibrations as well as their controls have become very important for large bridges susceptible to strong winds. As a simple but effective device, the TMD system especially the semi-active one has become a promising option for such coupled vibration controls. However, despite various studies of optimal controls of single-mode-based vibrations with TMDs, research on the corresponding controls of the multi-mode coupled vibrations is very rare so far. For the development of a semi-active control strategy to suppress the multi-mode coupled vibrations, a comprehensive parametric analysis on the optimal variables of this control is substantial. In the present study, a multi-mode control strategy named "three-row" TMD system is discussed and the general numerical equations are developed at first. Then a parametric study on the optimal control variables for the "three-row" TMD system is conducted for a prototype Humen Suspension Bridge, through which some useful information and a better understanding of the optimal control variables to suppress the coupled vibrations are obtained. This information lays a foundation for the design of semi-active control.
We present an approach, based on the state dependent Riccati equation, for designing non-collocated seismic response control strategies for buildings accounting for physical constraints, with particular attention to force saturation. We consider both cases of active control using general actuators and semi-active control using magnetorheological dampers. The formulation includes multi control devices, acceleration feedback and time delay compensation. In the active case, the proposed approach is a generalization of the classic linear quadratic regulator, while, in the semi-active case, it represents a novel generalization of the well-established modified clipped optimal approach. As discussed in the paper, the main advantage of the proposed approach with respect to existing strategies is that it allows to naturally handle a broad class of non-linearities as well as different types of control constraints, not limited to force saturation but also including, for instance, displacement limitations. Numerical results on a typical building benchmark problem demonstrate that these additional features are achieved with essentially the same control effectiveness of existing saturation control strategies.
This paper studies a semi-active suspension with ER damper controlled Fuzzy Net Controller designed GA(Genetic Algorithm). Apparent viscosity of ERF(Electro-Rheological Fluid) can be changed rapidly by applying electric field. Semi-active suspension for ground vehicles are expected to improve ride quality with less vibration. This paper deals with a two-degree -of-freedom suspension using the ER damper for a quarter vehicle system. In this paper, the GA is applied for generating Fuzzy Net Controllers. The GA designs the optimal structure and performance of Fuzzy Net Controller having hybrid structure. Computer simulation results show that the semi-active suspension with ER damper has good performances of ride quality.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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