Simplified design of hysteretic tuned mass dampers for seismic protection

Tuned Mass Dampers (TMD) have been widely used in the vibration control of civil engineering structures. These structures are commonly used to mitigate the effects of wind and rhythmic loads. This auxiliary structure is used mainly when the structure remains in the elastic regime. However, once the structure starts behaving nonlinearly, the effectiveness of such linear TMDs starts to decrease. This type of behaviour is common during seismic excitation of the structure. One of the main consequences of damage to the structure is the loss of stiffness which generates a change in the structural frequency. Hysteretic TMDs have appeared as an alternative to reduce this detuning effect, leading to the loss of efficiency. This type of element presents a softening behaviour that allows it to follow the deterioration of the structure due to the damage generated by the seismic loads. This type of behavior allows the dampers to reduce the damage in the structure. This work presents a simplified design strategy for such type of element that, so far, has been done through numerical optimization. One of the main benefits of the presented method is that it allows for a complete structural approach to the problem. The simplicity of the method allows it to be part of design procedures that designers can use in their day-to-day activities, unlike the numerical optimization method. Following the experimental results of a dual reinforced concrete structure, a numerical model of such structure, including the damper, was used to assess the effectiveness of the TMD. To model the hysteretic force that the damper transfer to the structure, a Bouc-Wen model of hysteresis was adopted. Numerical simulations with scaled accelerograms show that a damper with a 5% mass ratio can reduce the structure's root mean square (RMS) displacement by 30%. When earthquakes 1.5 times the design earthquake are considered, the damper could prevent collapse by reducing the drifts in the structure by 15%. Note that the damper was designed for the design earthquake, so this behaviour further corroborates the damper design approach. The robustness of the method is addressed by a sensibility analysis in which several hypotheses of the design and methodology were modified. Such analysis showed that nonlinear dampers are less sensitive to mistuning than a linear system for the building.

Gli Smorzatori a Massa Accordata sono stati ampiamente utilizzati nel controllo delle vibrazioni delle strutture civili. Questi apparecchi sono comunemente utilizzati per mitigare l’effetto del vento e carichi ritmici quando la struttura rimane in regime elastico. Tuttavia, una volta che la struttura inizia a comportarsi in modo non lineare, l’efficacia degli TMD lineari inizia a diminuire. Questo tipo di comportamento è comune durante l’eccitazione sismica della struttura. Una delle principali conseguenze del danno alla struttura è la perdita di rigidità che genera un cambiamento nella frequenza strutturale. I TMD isteretici diventano un’alternativa alla riduzione di questo effetto di accordatura, che porta alla perdita di efficienza. Questo tipo di elemento presenta un comportamento softening che gli permette di seguire il deterioramento della struttura a causa dei danni generati dai carichi sismici. Questo tipo di comportamento consente agli smorzatori di ridurre i danni alla struttura. Questo lavoro presenta una strategia di progettazione semplificata per tale tipo di elemento che, finora, è stata elaborata da ottimizzazione numerica. Uno dei principali vantaggi del metodo presentato è che consente un approccio completamente strutturale al problema. La semplicità del metodo gli consente di far parte delle procedure di progettazione che i progettisti possono utilizzare nelle loro attività quotidiane, a differenza del metodo di ottimizzazione numerica. A seguito dei risultati sperimentali di una struttura a pareti accoppiate in cemento armato, è stato utilizzato un modello numerico di tale struttura, compreso lo smorzatore, per valutare l’efficacia del TMD. Per modellare la forza isteretica che lo smorzatore fornisce alla struttura, è stato adottato un modello di isteresi di Bouc-Wen. Le simulazioni numeriche con accelerogrammi scalati mostrano che uno smorzatore con un rapporto di massa del 5% può ridurre lo spostamento quadratico medio (RMS) della struttura del 30%. Quando si considerano i terremoti 1, 5 volte il terremoto di progetto, l’ammortizzatore potrebbe prevenire il collasso riducendo i valori picco degli spostamenti nella struttura del 15%. Lo smorzatore è stato progettato per il terremoto di progetto, dunque questo comportamento conferma ulteriormente l’approccio progettuale dello smorzatore. La robustezza del metodo è verificata con un’analisi di sensibilità in cui diverse ipotesi di progetto sono state modificate. Tale analisi ha dimostrato che per l’edificio gli smorzatori non lineari sono meno sensibili alla differenza in frequenza rispetto a un sistema lineare.