Negative stiffness vibration control systems for seismic protection: mechanical design and optimization

Abstract

This dissertation aims to advance the development and application of KDamper-based devices installed at the base of structures intended for horizontal seismic protection. These devices constitute a new class of passive vibration control systems that synergistically combine engineered negative stiffness, tuned-mass damping and in certain variants inerter technology. Although these devices have emerged as a promising alternative to conventional base isolation techniques, their practical realization and systematic tuning remain underexplored. Accordingly, the objectives of this dissertation are twofold and are structured around the integration of mechanical design and multi-objective optimization to enhance the feasibility and performance of the proposed negative stiffness vibration control systems. On the mechanical side, the objective is to transform the KDamper family of devices from conceptual models into fully engineered, testable hardware. This begins with the selection and dimensioning of three negative-stiffness mechanisms characterized by simple configurations, primarily composed of articulated links and pre-compressed stiffness elements. Subsequently, the corresponding positive stiffness, damping and inerter components are designed and verified analytically and/or through finite element analysis (FEA). Detailed and scalable design guidelines are formulated and complete computer-aided design (CAD) assemblies are developed for seismic masses of 0.25t and 1t. An indicative implementation of one of the devices at the base of a 3-story building is also provided. On the optimization side, the objective is to develop a constrained optimization framework capable of identifying optimal design parameters for KDamper-based devices, fully exploiting their potential for effective vibration control and seismic protection. This study adopts a bi-objective optimization approach using the Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm type II, which is designed to manage trade-offs among key seismic response indicators. For time-domain optimizations, a simplified design approach is proposed to reduce the computational complexity. Complementary frequency-domain optimizations are also conducted, yielding a more holistic methodology compared to time-domain approaches. The proposed devices are optimized both as stand-alone seismic isolation systems and as supplementary components integrated into bearing-isolated structures. Numerical applications confirm that the designed and optimized KDamper-based devices significantly improve the dynamic performance of the host structures, outperforming conventional base isolation strategies. As such, the findings and contributions of this work may support future research on the proposed vibration control systems.

Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην προώθηση της ανάπτυξης και της εφαρμογής συσκευών βασισμένων στον ταλαντωτή KDamper που εγκαθίστανται στη βάση κατασκευών για οριζόντια σεισμική προστασία. Οι συσκευές αυτές αποτελούν μια καινοτόμα κατηγορία παθητικών συστημάτων ελέγχου ταλαντώσεων. Συνδυάζουν αποτελεσματικά την τεχνολογία της αρνητικής στιβαρότητας με αυτή του αποσβεστήρα συντονισμένης μάζας (Tuned Mass Damper, TMD) και σε ορισμένες παραλλαγές ενσωματώνουν και μηχανολογικά στοιχεία αδράνειας (inerters). Παρότι, σύμφωνα με προηγούμενες έρευνες, οι διατάξεις αυτές αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική έναντι συμβατικών τεχνικών σεισμικής μόνωσης βάσης (εφέδρανα), η ρεαλιστική τους υλοποίηση και η βελτιστοποίησή τους παραμένουν σχετικά ανεξερεύνητες. Συνεπώς οι στόχοι της διατριβής είναι διττοί και εστιάζουν στον μηχανολογικό σχεδιασμό και στην πολυκριτηριακή βελτιστοποίηση των προτεινόμενων συστημάτων, με σκοπό τόσο την ενίσχυση της κατασκευασιμότητάς τους όσο και της απόδοσής τους. Στο μηχανολογικό σκέλος, στόχος είναι η μετατροπή της οικογένειας των συσκευών KDamper, από θεωρητικά μοντέλα σε πλήρως διαστασιολογημένες και ρεαλιστικές διατάξεις, κατάλληλες για εργαστηριακές δοκιμές. Η διαδικασία αρχίζει με την επιλογή και τη διαστασιολόγηση τριών μηχανισμών αρνητικής στιβαρότητας που χαρακτηρίζονται από απλή γεωμετρία και αποτελούνται κυρίως από αρθρωτούς συνδέσμους και προ-συμπιεσμένα ελαστικά στοιχεία (ελατήρια). Ακολούθως, τα στοιχεία θετικής στιβαρότητας, απόσβεσης και αδράνειας (μάζες και inerters) των συσκευών, σχεδιάζονται και επαληθεύονται αναλυτικά και/ή μέσω ανάλυσης με πεπερασμένα στοιχεία (Finite Element Analysis, FEA). Διατυπώνονται αναλυτικές οδηγίες σχεδιασμού και αναπτύσσονται ολοκληρωμένα τρισδιάστατα μοντέλα των συσκευών με χρήση λογισμικού σχεδίασης (Computer-Aided Design, CAD) για σεισμικές μάζες 0.25t και 1t. Επιπλέον, παρέχεται μια ενδεικτική εγκατάσταση μίας εκ των προτεινόμενων διατάξεων στη βάση ενός τριώροφου κτιρίου. Στο σκέλος της βελτιστοποίησης, στόχος είναι η ανάπτυξη αλγοριθμικού πλαισίου που να προσδιορίζει τις βέλτιστες παραμέτρους σχεδιασμού των συσκευών KDamper, αξιοποιώντας πλήρως τις δυνατότητές τους στον έλεγχο ταλαντώσεων και την σεισμική προστασία. Συγκεκριμένα, υιοθετείται βελτιστοποίηση δύο στόχων μέσω του αλγορίθμου NSGA-II (Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm type II), ο οποίος αποσκοπεί στην ελαχιστοποίηση δυναμικών αποκρίσεων της κατασκευής, οι οποίες είναι μεταξύ τους ανταγωνιστικές. Για τις βελτιστοποιήσεις στο πεδίο του χρόνου, προτείνεται μια απλοποιημένη στρατηγική σχεδιασμού που μειώνει τον υπολογιστικό φόρτο, ενώ συμπληρωματικές βελτιστοποιήσεις στο πεδίο της συχνότητας εξασφαλίζουν μια πιο ολιστική προσέγγιση σχεδιασμού. Οι προτεινόμενες συσκευές βελτιστοποιούνται τόσο ως αυτόνομα συστήματα σεισμικής μόνωσης όσο και ως συμπληρωματικά στοιχεία ενσωματωμένα σε κατασκευές με εφέδρανα. Οι αριθμητικές εφαρμογές επιβεβαιώνουν ότι οι σχεδιασμένες και βελτιστοποιημένες διατάξεις βασισμένες στο KDamper βελτιώνουν σημαντικά τη δυναμική συμπεριφορά των κατασκευών, υπερτερώντας έναντι συμβατικών στρατηγικών σεισμικής μόνωσης βάσης. Ως εκ τούτου, τα ευρήματα και οι συνεισφορές της παρούσας εργασίας δύνανται να υποστηρίξουν μελλοντική έρευνα στα προτεινόμενα συστήματα ελέγχου ταλαντώσεων.