Dynamic response of RC chimneys with tuned mass dampers

Tuned Mass Dampers (TMD) gained importance in the last two decades for effectively reducing vibrations in structures, particularly tall and slender structures. This thesis concerns design of tuned mass dampers to improve the dynamic response of eight reinforced concrete chimneys located in various regions of the world due to seismic and wind action. For seismic action, an earthquake of Italy has been applied by seven spectrum-compatible accelerograms by performing a time history analysis. The parameters considered for the improvement of the dynamic response of the chimneys were base shear, base moment and top displacement. After the optimum TMD was selected based on the minimum value of the considered parameters, Pushover analysis was performed to identify the critical regions where plastic hinges can be formed and to analyse the performance of the TMDs beyond the elastic limit considering finite element models and inelastic material properties of the chimneys. The same models were used for nonlinear dynamic analysis to study the difference between the linear and nonlinear response of the structure and the reduction of dynamic response due to TMD. Also, the parameters obtained from nonlinear analysis were normalized and the seismic improvements were discussed. Also their variation with the geometrical properties of the structures were investigated. For wind action, the structures with the TMD optimized for seismic action were used and a comparative study of equivalent damping due to wind and seismic action was done. A real time history wind force was taken into consideration for the TMD optimization due to wind action. It was concluded that TMD helps in reduction of the seismic response by a significant amount. Though the amount of reduction differs for each chimney, on an average, it reduces the top displacement and base shear by about 30%, while base moment reduces by about 15%. This variation of reduction depends on the fundamental frequency of the chimney and input frequency of the time history force function. The wind damping contribution is more than seismic for tall chimneys and chimneys with lower fundamental frequencies.

I cosiddetti “Tuned Mass Dampers” (TMD) sono sistemi che hanno guadagnato importanza nel corso degli ultimi due decenni, al fine di ridurre efficacemente le vibrazioni nelle strutture, in particolare nelle strutture alte e snelle. Questa tesi riguarda la progettazione di “Mass Dampers” per migliorare la risposta dinamica di otto ciminiere in cemento armato situate in varie regioni del mondo, sotto l’azione sismica e del vento. Relativamente all'azione sismica, un terremoto avvenuto in Italia è stato applicato mediante sette accelerogrammi spettro-compatibili eseguendo un’analisi Time-History. I parametri considerati per il miglioramento della risposta dinamica dei camini sono stati il taglio alla base, il momento alla base e lo spostamento superiore. Dopo aver scelto il migliore TMD in base al valore minimo dei parametri sopracitati, un’analisi Pushover è stata eseguita per identificare le regioni critiche in cui si possono formare cerniere plastiche e analizzare le prestazioni dei TMD oltre il limite elastico, considerando modelli ad elementi finiti e proprietà anelastiche dei materiali delle ciminiere. Gli stessi modelli sono stati utilizzati per l'analisi dinamica non lineare per studiare la differenza tra la risposta lineare e non lineare della struttura e la riduzione della risposta dinamica dovuta ai TMD. Inoltre, i parametri ottenuti dall'analisi non lineare sono stati normalizzati e i miglioramenti sismici sono stati discussi. In aggiunta, la loro variazione con le proprietà geometriche delle strutture è stata studiata. Per l'azione del vento, le strutture con i TMD ottimizzati per azione sismica sono state considerate e uno studio comparativo di smorzamento equivalente dovuto al vento rispetto all’azione sismica è stato fatto. Una Time-History-Wind-Force è stata presa in considerazione per l'ottimizzazione dei TMD sotto l'azione del vento. Si è concluso che i TMD offrono un contributo significativo nella riduzione della risposta sismica. Anche se la quantità di riduzione è diversa per ogni canna fumaria, in media, la riduzione dello spostamento in sommità e del taglio alla base è di circa il 30%, mentre il momento alla base viene ridotto del 15% circa. Queste variazioni di riduzione dipendono dalla frequenza fondamentale del camino e dalla frequenza di ingresso della funzione di Time-History-Force. Il contributo di smorzamento del vento è maggiore di quello sismico per le ciminiere più alte e per i camini con frequenze fondamentali inferiori.