This study proposes a new smart base isolation system that employs Magneto-Rheological Elastomers (MREs), a class of smart materials whose elastic modulus or stiffness can be varied depending on the magnitude of an applied magnetic field. It also evaluates the dynamic performance of the MRE-based isolation system in reducing vibrations in structures subject to various seismic excitations. As controllable stiffness elements, MREs can increase the dynamic control bandwidth of the isolation system, improving its vibration reduction capability. To study the effectiveness of the MRE-based isolation system, this paper compares its dynamic performance in reducing vibration responses of a base-isolated single-story structure (i.e., 2DOF) with that of a conventional base-isolation system. Moreover, two control algorithms (linear quadratic regulator (LQR)-based control and state-switched control) are considered for regulating the stiffness of MREs. The simulation results show that the MRE-based isolation system outperformed the conventional system in suppressing the maximum base drift, acceleration, and displacement of the structure.
Characteristic parameter values of seismic isolators deviate from their nominal design values due to uncertainties and/or errors in their material properties and element dimensions, etc. Deviations may increase over service life due to environmental effects and service conditions. For accurate evaluation of the seismic safety level, all such effects, which would result in deviations in the structural response, need to be taken into account. In this study, the sensitivity of the probability of failure of the structures equipped with nonlinear base isolation systems to the uncertainties in various isolation system characteristic parameters is investigated in terms of various isolation system and superstructure response parameters in the context of a realistic three-dimensional base-isolated building model via Monte Carlo Simulations. The inherent record-to-record variability nature of the earthquake ground motions is also taken into account by carrying out analyses for a large number of ground motion records which are classified as those with and without forward-directivity effects. Two levels of nominal isolation periods each with three different levels of uncertainty are considered. Comparative plots of cumulative distribution functions and related statistical evaluation presented here portray the potential extent of the deviation of the structural response parameters resulting from the uncertainties and the uncertainty levels considered, which is expected to be useful for practicing engineers in evaluating isolator test results for their projects.
Avci, Muammer;Botelho, Rui M.;Christenson, Richard
Smart Structures and Systems
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v.25
no.2
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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.
The effects of vertical component of earthquakes on torsional amplification due to mass eccentricity in seismic responses of base-isolated structures subjected to near-field ground motions are studied in this paper. 3-, 6- and 9-story superstructures and aspect ratios of 1, 2 and 3 have been modeled as steel special moment frames mounted on Triple Concave Friction Pendulum (TCFP) bearings considering different period and damping ratios. Three-dimensional linear superstructures resting on nonlinear isolators are subjected to both 2 and 3 component near-field ground motions. Effects of mass eccentricity and vertical component of 25 near-field earthquakes on the seismic responses including maximum isolator displacement and base shear as well as peak superstructure acceleration are studied. The results indicate that the effect of vertical component on the responses of asymmetric structures, especially on the base shear is significant. Therefore, it can be claimed that in the absence of the vertical component, mass eccentricity has a little effect on the base shear increase. Additionally, the impact of this component on acceleration is remarkable so the roof acceleration of a nine-story structure has been increased 1.67 times, compared to the case that the structure is subjected to only horizontal components of earthquakes.
Design criteria, modeling rules, and analysis principles of seismic isolation systems have already found place in important building codes and standards such as the Uniform Building Code and ASCE/SEI 7-05. Although real behaviors of isolation systems composed of high damping or lead rubber bearings are nonlinear, equivalent linear models can be obtained using effective stiffness and damping which makes use of linear seismic analysis methods for seismic-isolated buildings possible. However, equivalent linear modeling and analysis may lead to errors in seismic response terms of multi-story buildings and thus need to be assessed comprehensively. This study investigates the accuracy of equivalent linear modeling via numerical experiments conducted on generic five-story three dimensional seismic-isolated buildings. A wide range of nonlinear isolation systems with different characteristics and their equivalent linear counterparts are subjected to historical earthquakes and isolation system displacements, top floor accelerations, story drifts, base shears, and torsional base moments are compared. Relations between the accuracy of the estimates of peak structural responses from equivalent linear models and typical characteristics of nonlinear isolation systems including effective period, rigid-body mode period, effective viscous damping ratio, and post-yield to pre-yield stiffness ratio are established. Influence of biaxial interaction and plan eccentricity are also examined.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.10
no.3
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pp.49-56
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2010
In this study, the control performance of a smart top-story isolation system for tall buildings subjected to wind excitation was investigated. To this end, a 77-story tall building structure was employed and wind loads obtained from wind tunnel test were used for numerical simulations. The top-story of an example structure is separated from the main structure by a smart base isolation system composed of friction pendulum systems (FPS) and MR dampers. The primary purpose of the smart top-story isolation system is to mitigate the dynamic responses of the main structure, but the excessive movement of the isolated top story may cause the unstableness of the building structure. Therefore, the skyhook control algorithm was used to effectively reduce both responses of the isolated top story and the main structure. The control performance of the proposed smart top-story isolation system was investigated in comparison with that of the passive top-story isolation system. It has been shown from numerical simulation results that the smart top-story isolation system can effectively reduce wind-induced responses of the example building structure compared to the passive top-story isolation system with reduction of the top-story movement.
This study investigates the optimum design parameters of a superelastic friction base isolator (S-FBI) system through a multi-objective genetic algorithm to improve the performance of isolated buildings against near-fault earthquakes. The S-FBI system consists of a flat steel-PTFE sliding bearing and superelastic NiTi shape memory alloy (SMA) cables. Sliding bearing limits the transfer of shear across the isolation interface and provides damping from sliding friction. SMA cables provide restoring force capability to the isolation system together with additional damping characteristics. A three-story building is modeled with S-FBI isolation system. Multiple-objective numerical optimization that simultaneously minimizes isolation-level displacements and superstructure response is carried out with a genetic algorithm in order to optimize S-FBI system. Nonlinear time history analyses of the building with optimal S-FBI system are performed. A set of 20 near-fault ground motion records are used in numerical simulations. Results show that S-FBI system successfully control response of the buildings against near-fault earthquakes without sacrificing in isolation efficacy and producing large isolation-level deformations.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.21
no.6
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pp.597-605
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2008
The feasibility study of a newly proposed smart base isolation system employing magneto-rheological elastomers(MREs) has been carried out. MREs belong to a class of smart materials whose elastic modulus or stiffness can be adjusted by varying the magnitude of the magnetic field. The base isolation systems are considered as one of the most effective devices for vibration mitigation of civil engineering structures such as bridges and buildings in the event of earthquakes. The proposed base isolation system strives to enhance the performance of the conventional base isolation system by improving the robustness of the system wide stiffness range controllable of MREs, which improves the adaptability and helps in better vibration control. To validate the effectiveness of the MRE-based isolation system, an extensive numerical simulation study has been performed using both single-story and five-story building structures employing base isolated devices under several historical earthquake excitations. The results show that the proposed system outperformed the conventional system in reducing the responses of the structure in all the seismic excitations considered in the study.
Recently, a new output-only modal identification method based on time-frequency independent component analysis (ICA) has been developed by the authors and shown to be useful for even highly-damped structures. In many cases, it is of interest to identify the complex modes of structures with non-proportional damping. This study extends the time-frequency ICA based method to a complex ICA formulation for output-only modal identification of non-proportionally-damped structures. The connection is established between complex ICA model and the complex-valued modal expansion with sparse time-frequency representation, thereby blindly separating the measured structural responses into the complex mode matrix and complex-valued modal responses. Numerical simulation on a non-proportionally-damped system, laboratory experiment on a highly-damped three-story frame, and a real-world highly-damped base-isolated structure identification example demonstrate the capability of the time-frequency complex ICA method for identification of structures with complex modes in a straightforward and efficient manner.
This study compares the performance of two smart isolation systems that utilize superelastic shape memory alloys (SMAs) for seismic protection of bridges using energy balance concepts. The first isolation system is a SMA/rubber-based isolation system (SRB-IS) and consists of a laminated rubber bearing that decouples the superstructure from the bridge piers and a SMA device that provides additional energy dissipation and re-centering capacity. The second isolation system, named as superelastic-friction base isolator (S-FBI), combines the superelastic SMAs with a flat steel-Teflon bearing rather than a laminated rubber bearing. Seismic energy equations of a bridge structure with SMA-based isolation systems are established by absolute and relative energy balance formulations. Nonlinear time history analyses are performed in order to assess the effectiveness of the isolation systems and to compare their performance. The program RSPMatch 2005 is employed to generate spectrum compatible ground motions that are used in time history analyses of the isolated bridge. Results indicate that SRB-IS produces higher seismic input energy, recoverable energy and base shears as compared to the S-FBI system. Also, it is shown that combining superelastic SMAs with a sliding bearing rather than rubber bearing significantly reduce the amount of the required SMA material.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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