Dynamic vibration absorbers in civil engineering structures

Abstract

The scope of this dissertation concerns the mitigation of ambient vibrations, such as earthquakes and wind loads, in civil engineering structures. Specifically, three individual aspects are examined. The first deals with horizontal seismic protection of multi-story building structures, the second with vertical seismic protection, while the third deals with vibration absorption in wind turbine towers. The proposed dynamic vibration absorbers are based on the KDamper oscillator. The KDamper is a novel passive vibration isolation and damping concept, based essentially on the optimal combination of appropriate stiffness elements, including a negative stiffness element. The design of the KDamper-based absorbers follows an engineering-criteria driven optimization procedure, with proper constraints and limitations depending on the structure to be employed. The excitation input is selected according to the provisions of the codes with respect to the considered application. Finally, two alternative displacement-dependent configurations are proposed for the realization of the negative stiffness element, generating one and two-dimensional negative stiffness, respectively. The performance of KDamper is assessed with representative case studies, and its effectiveness is verified by comparisons with existing vibration absorption approaches found in the literature. On the basis of the obtained results, the KDamper-based dynamic vibration absorbers can provide a realistic alternative to the existing horizontal and vertical seismic isolation approaches, as well as provide viable retrofitting options for seismic protection. In addition, the feasibility of wind turbines is extended, as their dynamic performance is enhanced by increasing the effective damping of the wind turbine tower.

Το ευρύτερο πεδίο της παρούσας διατριβής αφορά περιβαλλοντικές διεγέρσεις, όπως σεισμικές διεγέρσεις και φορτία ανέμου, σε κατασκευές πολιτικού μηχανικού. Συγκεκριμένα, εξετάζονται τρία επιστημονικά πεδία. Το πρώτο αφορά την προστασία κατασκευών από οριζόντιες σεισμικές διεγέρσεις, το δεύτερο αφορά προστασία από κατακόρυφες σεισμικές διεγέρσεις, ενώ το τρίτο αφορά στην μόνωση ταλαντώσεων πυλώνων ανεμογεννητριών. Τα προτεινόμενα δυναμικά συστήματα απορρόφησης ταλαντώσεων είναι βασισμένα στον ταλαντωτή KDamper. Ο KDamper είναι ένα καινοτόμο σύστημα παθητικής μόνωσης ταλαντώσεων και απόσβεσης, βασισμένο στον βέλτιστο συνδυασμό στοιχείων στιβαρότητας, συμπεριλαμβανομένου και ενός στοιχείου αρνητικής στιβαρότητας. Ο σχεδιασμός των συστημάτων με βάση τον KDamper ακολουθεί πρόβλημα βελτιστοποίησης βασισμένο σε τεχνικά κριτήρια, ανάλογα με την εκάστοτε κατασκευή. Οι εξωτερικές διεγέρσεις επιλέγονται με βάση τις διατάξεις του εκάστοτε κανονισμού, που αφορά την υπό εξέταση εφαρμογή. Τέλος, προτείνονται δύο εναλλακτικές διατάξεις για την υλοποίηση του στοιχείου αρνητικής στιβαρότητας, σε μια και δυο διαστάσεις, αντίστοιχα.Η απόδοση του KDamper αξιολογείται με αντιπροσωπευτικά αριθμητικά παραδείγματα, και η αποτελεσματικότητά του επιβεβαιώνεται μέσα από συγκρίσεις με υπάρχοντα συστήματα μόνωσης ταλαντώσεων. Με βάση τις αριθμητικές αναλύσεις, τα προτεινόμενα δυναμικά συστήματα απορρόφησης ταλαντώσεων προσφέρουν μια ρεαλιστική εναλλακτική στις υπάρχουσες διατάξεις για οριζόντια και κατακόρυφη σεισμική μόνωση, καθώς και βιώσιμες επιλογές για ενίσχυση υφιστάμενων κατασκευών. Επιπρόσθετα, επεκτείνεται η απόδοση ανεμογεννητριών μέσω της αύξησης της ισοδύναμης απόσβεσης των πυλώνων τους.