Vibration control of tall buildings using eddy current tuned mass dampers

Advancements in materials science and construction technologies have led to an inclination towards constructing high-rise buildings. Tall buildings are slender structures that usually experience high levels of vibration, which leads to the discomfort of the occupants. Historically, stiffness and strength were intended to be increased to solve the problem of elevated accelerations, but energy dissipation systems have proven to be a sound alternative solution due to their high efficiency, reliability, feasibility, and economy. A tuned mass damper is a device that consists of mass, stiffness, and damping components, and it belongs to the passive category of energy dissipation systems. This device works in out-of-phase resonance with the structural motion when an exciting frequency matches one of the structure natural frequencies, so it is tuned to this specific frequency. Viscous fluid dampers are the most widely applied damping means for tuned mass dampers because of their good functionality, but they also have some disadvantages. Alternatively, eddy current dampers can replace the latter type to serve as the damping component of dynamic vibration absorbers. This study presents the theoretical formulation of eddy current damping and an easy-to-apply analytical model to design an eddy current tuned mass damper (ECTMD). Consequently, this model is applied in this monograph to design such a tuned mass damper to control the vibrations of the Taipei 101 super tall building. It has resulted in a remarkable reduction of the wind-induced accelerations from 31 milli-g to 2 milli-g, while the reductions in the seismic base reactions do not exceed 8%. Furthermore, feasibility and economic study of the proposed ECTMD is performed, and the advantages of using it are highlighted. It is concluded that the ECTMD studied in this manuscript significantly outperforms the existing viscous fluid tuned mass damper.

I progressi nella scienza dei materiali e nelle tecnologie di costruzione hanno portato alla tendenza verso la costruzione di edifici alti. I grattacieli sono strutture snelle che possono essere soggette ad alti livelli di vibrazione, il che porta al disagio degli occupanti. Storicamente, la rigidità e la forza dovevano essere aumentate per risolvere il problema delle elevate accelerazioni, ma i sistemi di dissipazione dell'energia hanno dimostrato di essere una valida soluzione alternativa grazie alla loro alta efficienza, affidabilità, fattibilità ed economia. Una sistema a massa accordata è un dispositivo costituito da componenti di massa, rigidezza e smorzamento e appartiene alla categoria dei sistemi passive di dissipazione dell'energia. Questo dispositivo funziona in risonanza con una delle frequenze naturali della struttura, quindi è sintonizzato su questa frequenza specifica. Gli smorzatori a fluidi viscosi sono i mezzi di smorzamento più ampiamente utilizzati per controllare gli spostamenti degli smorzatori a massa accordata, grazie alla loro buona funzionalità, ma presentano anche alcuni svantaggi. In alternativa a questi, possono essere utilizzati gli smorzatori a correnti parassite. Questo studio presenta la formulazione teorica dello smorzamento basato su corrente parassita e un modello analitico di facile applicazione per progettare uno smorzatore a massa accordata collegato alla struttura da controllare con un smorzatore a correnti parassite (ECTMD). Questo modello viene applicato in questa monografia per progettare un tale smorzatore a massa accordata per controllare le vibrazioni dell'edificio super alto Taipei 101. Inoltre, viene condotto lo studio di fattibilità e l’analisi economica dell'ECTMD proposto e vengono evidenziati i vantaggi del suo utilizzo. Si è concluso che l'ECTMD studiato in questo lavoro supera significativamente le prestazioni di uno fluido viscoso.