A comparative analysis on the seismic behavior of buildings using inerter-based devices: Tuned Mass Damper Inerter (TMDI) and Tuned Inerter Damper (TID)

Abstract

To accomplish an appropriate performance of tuned mass dampers (TMDs) in building structures subjected to earthquake excitations, considerable amounts of mass must be added at upper floors, which in occasions may result impractical or economically unfeasible, especially in tall buildings. Therefore, this investigation contemplates two possible alternatives for the passive control of buildings avoiding the addition of large masses through inerter-based devices, the Tuned Mass Damper Inerter (TMDI), and a variant-type of Tuned Inerter Damper (TID) proposed herein. The former couples the classic TMD with an inerter, a two-terminal mechanical device able to produce a force proportional to the relative acceleration between its terminals, acting as a TMD mass amplifier. The latter is based on the conventional TID scheme, with the main difference that its location is changed from the ground story-level to the last two levels of the structural system. A metaheuristic optimization algorithm based on the differential evolution method is used to solve the tuning problem of the control devices. Besides, eight different accelerograms of recorded earthquakes are considered to simulate the seismic loads during the optimization process, in which the mitigation of the seismic response is measured by the reduction of three objective functions: horizontal peak displacements, root mean square (RMS) response of displacements, and horizontal peak floor acceleration. Three case-studies are employed for the analysis, determined from actual buildings of Medellin city from low, medium to high rise (30 meters, 97 meters, and 144 meters respectively). In the TMDI analysis, the results show a clear trend in the amplification of displacements as inertance values increase, and consequently, a better behavior of the case-studies controlled via TMD is attained. On the contrary, the numerical results exhibited a clear enhancement of the seismic performance of the case-studies when the variant-type of the TID proposed herein is applied, better than conventional TIDs installed at the ground story level.

Para lograr un desempeño adecuado de amortiguadores de masa sintonizada (AMS) en edificaciones sometidas a excitaciones sísmicas, se deben agregar cantidades considerables de masa en los niveles superiores, lo que en ocasiones puede resultar poco práctico o económicamente inviable, especialmente para el caso de edificios altos. Por lo tanto, esta investigación contempla dos posibles alternativas para el control pasivo de edificios sin incluir grandes cantidades de masa, mediante dispositivos basados en el inerter, el amortiguador de masa sintonizado inerter (AMSI) y una variante del amortiguador sintonizado inerter (ASI) propuesto en este trabajo. El primero, combina el clásico AMS con un inerter, el cual es un dispositivo mecánico de dos terminales capaz de producir una fuerza proporcional a la aceleración relativa entre sus terminales, actuando como un amplificador de masa para el AMS. El segundo dispositivo está inspirado en el ASI convencional, con la diferencia principal de que su ubicación cambia del nivel de piso a los dos últimos niveles del sistema estructural. Ahora bien, un algoritmo de optimización metaheurística basado en el método de evolución diferencial se va a emplear para resolver el problema de ajuste de los dispositivos de control. Además, ocho acelerogramas de diferentes terremotos se emplean para representar las cargas sísmicas durante el proceso de optimización, en el que la mitigación de la respuesta sísmica se mide mediante la reducción de tres funciones objetivo: desplazamientos máximos horizontales, media cuadrática (valor eficaz) de la respuesta de desplazamientos y máxima aceleración horizontal de piso. Para el análisis se van a emplear tres casos de estudio, los cuales fueron determinados a partir de edificios reales de la ciudad de Medellín, de pequeña, mediana y gran altura (30 metros, 97 metros y 144 metros respectivamente). En el análisis del AMSI, los resultados muestran una clara tendencia en la amplificación de los desplazamientos a medida que aumentan los valores de inertance, observándose un mejor comportamiento de las edificaciones controladas mediante el AMS convencional. Por el contrario, los resultados numéricos exhiben una mejora significativa del desempeño sísmico de las edificaciones cuando su respuesta se controla mediante la variante de ASI propuesta en esta investigación, mejor que cuando se utilizó el ASI convencional instalado a nivel de piso.