While tuned mass dampers are found to be effective in suppressing vibration in a tall building, integrating it with a semi-active control system enables it to perform more efficiently. In this paper a forty-story tall steel-frame building designed according to the Canadian standard, has been studied with and without semi-active and passive tuned mass dampers. The building is assumed to be located in the Vancouver, Canada. A magneto-rheological fluid based semi-active tuned mass damper has been optimally designed to suppress the vibration of the structure against seismic excitation, and an appropriate control procedure has been implemented to optimize the building's semi-active tuned mass system to reduce the seismic response. Furthermore, the control system parameters have been adjusted to yield the maximum reduction in the structural displacements at different floor levels. The response of the structure has been studied with a variety of ground motions with low, medium and high frequency contents to investigate the performance of the semi-active tuned mass damper in comparison to that of a passive tuned mass damper. It has been shown that the semi-active control system modifies structural response more effectively than the classic passive tuned mass damper in both mitigation of maximum displacement and reduction of the settling time of the building.
A new class of semi-active tuned mass dampers, named as "Ground Hook Tuned Mass Damper" (GHTMD) is introduced. This TMD uses a continuously variable semi-active damper (so called 'Ground-Hook') in order to achieve more reduction in the vibration level. The ground-hook dampers have been used in the auto-industry as a means of reducing the vibration of primary suspension systems in vehicles. This paper investigates the application of this damper as an element of a tuned damper for the vibration reduction of force-excited single degree of freedom (SDOF) models that can be representative of many structural systems. The optimum design parameters of GHTMDs are obtained based on the minimization of the steady-state displacement response of the main mass. The optimum design parameters which are evaluated in terms of non-dimensional values of the GHTMD are obtained for different mass ratios and main mass damping ratios. Using the frequency responses of the resulting systems, performance of the GHTMD is compared to that of equivalent passive TMD, and it is found that GHTMDs are more efficient. A design methodology to obtain the tuning parameters of GHTMD using the relationships developed in this paper is presented.
Multiple tuned mass dampers (MTMDs) tuned to various frequencies have been shown to efficiently control the seismic response of structures where multiple modes are dominant. One example is irregular structures that are found more vulnerable than their symmetric counterparts. With the technology of MTMDs available, design and optimal design methodologies are required for application. Such a methodology, in the form of an analysis/redesign (A/R) scheme, has been previously presented by the authors while limiting responses of interest to allowable values, i.e., performance-based design (PBD). In this paper, the A/R procedure is modified based on formal optimality criteria, making it more cost efficient, as well as more computationally efficient. It is shown that by using the methodology presented herein, a desired performance level is successfully targeted by adding near-optimal amounts of mass at various locations and tuning the TMDs to dampen several of the structure's frequencies. This is done using analysis tools only.
Lee, Chien-Shen;Love, J. Shayne;Haskett, Trevor C.;Robinson, Jamieson K.
국제초고층학회논문집
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제10권2호
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pp.93-97
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2021
Supplementary damping systems, such as tuned mass dampers (TMDs) and tuned sloshing dampers (TSDs) - also known as tuned liquid dampers (TLDs) - have been successfully employed to reduce building motion during wind events. A design of a damping system consisting of a TMD and two TSDs performing in unison has been developed for a tall building in Taiwan to reduce wind-induced motion. The architecturally exposed TMD will also be featured as a tourist attraction. The dual-purpose TSD tanks will perform as fire suppression water storage tanks. Linearized equivalent mechanical TSD and TMD models are coupled to the structure to simulate the multi-degree of freedom system response. Frequency response curves for the structure with and without the damping system are created to evaluate the performance of the damping system. The performance of the combined TMD-TSD system is evaluated against a conventional TMD system by computing the effective damping produced by each system. The proposed system is found to have superior performance in acceleration reduction. The combined TMD-TSD system is an effective and affordable means to reduce the wind-induced resonant response of tall buildings.
This paper presents the series multiple tuned mass dampers (STMDs) to suppress the resonant vibrations of railway bridges under the passage of high-speed trains (HSTs). A STMD device consisting of two spring-mass-damper units connected each other in series is installed on the bridge. In solution, bridge is modeled as a simply-supported Euler-Bernoulli beam with constant cross-section, and vehicle is simulated as a series of moving forces with constant speed. By the assumed mode method, the governing equations of motion of the beam-TMD device coupled system traversed by a moving train are obtained. The optimum values for the parameters of the STMD device are obtained for the criterion based on the minimization of the maximum dynamic displacement of the beam at its midspan. Single TMD and multiple TMDs in parallel are also considered for demonstration of the STMD device's performance. The results show that STMDs are effective in bridge vibration suppression and robust to parameters' change in the main system and the absorber itself.
Mohammed Fasil;R. Sajeeb;Nizar A. Assi;Muhammad K. Rahman
Earthquakes and Structures
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제24권1호
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pp.21-36
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2023
Structural vibrations generated by earthquakes and wind loads can be controlled by varying the structural parameters such as mass, stiffness, damping ratio, and geometry and providing a certain amount of passive or active reaction forces. A Double-Tuned Mass Dampers (DTMDs) system, which is simple and more effective than the conventional single tuned mass damper (TMD) system for vibration mitigation is presented. Two TMDs tuned to the first two natural frequencies were used to control vibrations. Experimental investigations were carried out on a three degrees-of-freedom frame model to investigate the effectiveness of DTMDs systems in controlling displacements, accelerations, and base shear. Numerical models were developed and validated against the experimental results. The validation showed a good match between the experimental and numerical results. The validated model was employed to investigate the behavior of a five degrees-of-freedom shear building structure, wherein mass dampers with different mass ratios were considered. The effectiveness of the DTMDs system was investigated for harmonic, seismic, and white noise base excitations. The proposed system was capable of significantly reducing the story displacements, accelerations, and base shears at the first and second natural frequencies, as compared to conventional single TMD.
This paper proposes a novel high performance vibration control device, multiple tuned mass dampers-inerters (MTMDI), to suppress the oscillatory motions of structures. The MTMDI, similar to the MTMD, involves multiple tuned mass damper-inerter (TMDI) units. In order to reveal the basic performance of the MTMDI, it is installed on a single degree-of-freedom (SDOF) structure excited by the ground acceleration, and the dynamic magnification factors (DMF) of the structure-MTMDI system are formulated. The optimization criterion is determined as the minimization of maximum values of the relative displacement's DMF for the controlled structure. Based on the particle swarm optimization (PSO) algorithm to tune the optimum parameters of the MTMDI, its performance has been investigated and evaluated in terms of control effectiveness, strokes, stiffness and damping coefficient, inerter element force, and robustness in frequency domain. Meanwhile, further comparison between the MTMDI with MTMD has been conducted. Numerical results clearly demonstrate the MTMDI outperforms the MTMD in control effectiveness and strokes of mass blocks. Additionally, in the aspects of frequency perturbations on both earthquake excitations and structures, the robustness of the MTMDI is also better than the MTMD.
A family of smart tuned mass dampers (STMDs) with variable frequency and damping properties is analyzed under harmonic excitations and ground motions. Two types of STMDs are studied: one is realized by a semi-active independently variable stiffness (SAIVS) device and the other is realized by a pendulum with an adjustable length. Based on the feedback signal, the angle of the SAIVS device or the length of the pendulum is adjusted by using a servomotor such that the frequency of the STMD matches the dominant excitation frequency in real-time. Closed-form solutions are derived for the two types of STMDs under harmonic excitations and ground motions. Results indicate that a small damping ratio (zero damping is the best theoretically) and an appropriate mass ratio can produce significant reduction when compared to the case with no tuned mass damper. Experiments are conducted to verify the theoretical result of the smart pendulum TMD (SPTMD). Frequency tuning of the SPTMD is implemented through tracking and analyzing the signal of the excitation using a short time Fourier transformation (STFT) based control algorithm. It is found that the theoretical model can predict the structural responses well. Both the SAIVS STMD and the SPTMD can significantly attenuate the structural responses and outperform the conventional passive TMDs.
Kontoni, Denise-Penelope N.;Farghaly, Ahmed Abdelraheem
Structural Engineering and Mechanics
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제69권6호
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pp.699-712
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2019
A cable-stayed bridge (CSB) is one of the most complicated structures, especially when subjected to earthquakes and taking into consideration the effect of soil-structure-interaction (SSI). A CSB of a 500 m mid-span was modeled by the SAP2000 software and was subjected to four different earthquakes. To mitigate the harmful effect of the vibration generated from each earthquake, four mitigation schemes were used and compared with the non-mitigation model to determine the effectiveness of each scheme, when applying on the SSI or fixed CSB models. For earthquake mitigation, tuned mass damper (TMD) systems and spring dampers with different placements were used to help reduce the seismic response of the CBS model. The pylons, the mid-span of the deck and the pylon-deck connections are the best TMDs and spring dampers placements to achieve an effective reduction of the earthquake response on such bridges.
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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