Control of vibrations of civil engineering structures with special emphasis on tall buildings

Abstract

Tuned liquid column dampers (TLCDs) are passive energy absorbing substructures to control vibrations of buildings when e.g. exposed to earthquake or wind loads. They can be used to prevent structural elements from damage (earthquake load) or increase human comfort due to reduced floor accelerations (strong wind load). The objective of this dissertation is to study the influence of TLCDs on the response of vibration prone civil engineering structures with special emphasis on tall structures. The actual implementation of a TLCD is extremely uncomplicated, since it only consists of a rigid piping system, partially filled with water, allowing the water column to move inside the piping system. For analytical investigations, the TLCD is modeled as single degree of freedom oscillator, rigidly attached to the vibrating host structure. Through the movements of TLCD housing a motion of the water column is induced and vibrational energy is transferred to the TLCD in a desired way. The energy dissipation of a TLCD is caused by viscous and turbulent fluid damping, which can be regulated by the insertion of hydraulic resistances (orifice plates) to obtain a required damping characteristics. In addition to the plane TLCD already established in literature, an entirely new arrangement, called the torsional TLCD (TTLCD) is proposed. Plane TLCD are very promising in mitigating flexural vibrations whereas the TTLCD is used to reduce torsional or coupled flexural torsional vibrations. Although the construction of tuned liquid column damper is quite different from the well known tuned mass damper (TMD), a TMD-TLCD analogy is presented, which allows to use design guidelines form the extensively researched TMD independent of the supporting host structure. The conventional TLCD is a purely passive, energy absorbing device, and its application reduces the steady state dynamic response of vibrating structures substantially. However, especially during the strong motion phase of earthquakes several response peaks remain, which can be eliminated by the application of an actively controlled air-spring setup integrated into the TLCD. This extended hybrid TLCD concept combined with an energy saving control design preserves the salient features of TLCDs: cheap and easy implementation into civil engineering structures, little maintenance costs and a performance comparable to TMD. Considerable vibration reduction is shown in extended numerical simulations, where five different structures equipped with passive and active TLCDs, underline the vibration reducing capabilities of TLCDs for both wind and ground excitation.

Das Schwingungsverhalten von Bauingenieurkonstruktionen kann durch den Einsatz von Flüssigkeitstilgern deutlich verbessert werden. Flüssigkeitstilger (tuned liquid column dampers: TLCD) sind passive, Energie absorbierende Teilsysteme, die in vielen Konstruktionen zur Schwingungstilgung eingesetzt werden können. Ihre Verwendung erhöht einerseits die Sicherheit von Gebäuden während großer Schwingungsbelastungen, wie z.B. Erdbeben, andererseits das Wohlbefinden der Bewohner durch deutlich reduzierte Beschleunigungsamplituden bei Windbelastung. Flüssigkeitstilger zeichnen sich durch einen besonders einfachen Aufbau aus, bei dem ein ins Gebäude integriertes, räumliches Rohrleitungssystem teilweise mit Wasser gefüllt wird, und die Bewegung der Wassersäule analytisch durch einen Einmasseschwinger modelliert wird. Durch die spezielle Geometrie des Rohrleitungssystems induzieren Strukturschwingungen eine Bewegung der Wassersäule und damit einen Energietransfer vom Gebäude zum Tilger. Schwingungsenergie wird durch turbulente und viskose Rohrströmung dissipiert, wobei durch den Einbau von mechanischen Blenden das gewünschte Dämpfungsverhalten erzielt werden kann. Als Ergänzung zum bereits bekannten ebenen Schwingungstilger wurde ein Torsionsschwingungstilger entwickelt, der es erlaubt, gekoppelte Torsionsbiegeschwingungen zu minimieren. Obwohl sich der Aufbau von klassischen Feder-Masse-Tilgern und Flüssigkeitstilgern ganz wesentlich unterscheidet, wurde eine Analogie zwischen den beiden Systemen entwickelt, mit der wichtige Dimensionierungsvorschriften von Feder-Masse-Tilgern durch eine einfache Transformation direkt auf Flüssigkeitstilger übertragen werden können. Durch den Einsatz von passiven TLCD reduziert sich die Schwingungsantwort im eingeschwungenen Zustand deutlich, während des Einschwingvorgangs bleiben jedoch oft transiente Schwingungsspitzen, die erst durch die Einführung des aktiven Flüssigkeitstilgers eliminiert werden können. Dieser enthält eine aktive Luftfeder (Druckluftzufuhr) mit der die Bewegung der Flüssigkeitssäule gezielt beeinflusst werden kann. Das resultierende hybride Tilgersystem vereint alle Vorzüge des passiven Systems, z.B. billige und einfache Installation, geringe Wartungskosten, mit der verbesserten Schwingungstilgung von aktiven Systemen. Numerische Untersuchungen an fünf Gebäudemodellen bestätigen die Verbesserung des Schwingungsverhaltens durch den Einsatz von aktiven und passiven Flüssigkeitsschwingern bei Wind und Erdbebenbelastung.