This research deals with the influence of nonlinearities associated with impact and sliding upon the rocking behavior of a rigid block, which is subjected to two-dimensional horizontal and vertical excitation. Nonlinearities in the vibration were found to depend strongly on the effect of the impact between the block and the base, which involves an abrupt reduction in the system's kinetic energy. In particular, when sliding occurs, the rocking behavior is substantially changed. Response analysis using a non-dimensional rocking equation was carried out for a variety of excitation levels and excitation frequencies. The chaos responses were observed over a wide response region, particularly, in the cases of high vertical displacement and violent sliding motion, and the chaos characteristics appear in the time histories, Poincare maps, power spectra and Lyapunov exponents of the rocking responses. The complex behavior of chaotic response, in phase space, is illustrated by the Poincare map. The distribution of the rocking response is described by bifurcation diagrams and the effects of sliding motion are examined through the several rocking response examples.
The current study reports the results of an experimental program conducted on a structure fitted with a liquid damper (TLD) and subjected to harmonic excitation. Screens were placed inside the TLD to achieve the required inherent damping. In the first part of the study, reduced scale models of the building-TLD systems were tested under two levels of excitation. The efficiency of the damper was assessed by evaluating the effective damping provided to the structure and comparing it to the optimum effective damping value, provided by a linear tuned mass damper (TMD). An extensive parametric study was then conducted for one of the three models by varying both the excitation amplitude and the tuning ratio, defined as the ratio of the TLD sloshing frequency to the natural frequency of the structure. The effectiveness and robustness of a TLD with screens were assessed. Results indicate that the TLD can be tuned to achieve a robust performance and that its efficiency is not significantly affected by the level of excitation. Finally, the equivalent amplitude dependent TMD model, developed in the companion paper is validated using the system test results.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.18
no.2
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pp.160-168
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2008
This paper presents the study on the stability of nonlinear oscillations of a thin cantilever beam subject to harmonic base excitation in vertical direction. Two partial differential governing equations under combined parametric and external excitations were derived and converted into two-degree-of-freedom ordinary differential Mathieu equations by using the Galerkin method. We used the method of multiple scales in order to analyze one-to-one combination resonance. From these, we could obtain the eigenvalue problem and analyze the stability of the system. From the thin cantilever experiment using foamax, we could observe the nonlinear modes of bending, twisting, sway, and snap-through buckling. In addition to qualitative information, the experiment using aluminum gave also the quantitative information for the stability of combination resonance of a thin cantilever beam under parametric excitation.
A frequency domain response analysis is presented for building frames passively controlled by viscoelastic dampers, under harmonic ground excitation. Three different models are used to represent the linear dynamic force-deformation characteristics of viscoelastic dampers namely, Kelvin model, Linear hysteretic model and Maxwell model. The frequency domain solution is obtained by (i) an iterative pseudo-force method, which uses undamped mode shapes and frequencies of the system, (ii) an approximate modal strain energy method, which uses an equivalent modal damping of the system in each mode of vibration, and (iii) an exact method which uses complex frequency response function of the system. The responses obtained by three different methods are compared for different combinations of viscoelastic dampers giving rise to both classically and non-classically damped cases. In addition, the effect of the modelling of viscoelastic dampers on the response is investigated for a certain frequency range of interest. The results of the study are useful in appropriate modelling of viscoelastic dampers and in understanding the implication of using modal analysis procedure for building frames which are passively controlled by viscoelastic dampers against base excitation.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2009.10a
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pp.842-849
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2009
The objective of this study is to investigate design parameters of a tuned liquid column damper(TLCD), which is affected by various excitation amplitudes, through shaking table test. Design parameters of a TLCD are examined based on the equivalent tuned mass damper(TMD) model of a TLCD, in which the nonlinear damping of a TLCD is transposed to equivalent viscous damping. Shaking table test is carried out for a TLCD specimen subjected to harmonic waves with various amplitudes. Transfer functions are ratios of liquid displacement of TLCD and control force produced by a TLCD, respectively, with respect to the acceleration excited by a shaking table. They are derived based on the equivalent TMD model of a TLCD. Then, the variation of design parameters according to the excitation amplitude is examined by comparing analytical transfer functions with experimental ones. Finally, the dissipation energy due to the damping of a TLCD, which is experimentally observed from the shaking table test, is examined according to the excitation amplitude. Comparisons between test results and analytical transfer functions showed that natural frequencies of TLCD and the ratio of the liquid mass in a horizontal column to the total liquid mass does not depend on the excitation amplitude, while the damping ratio of a TLCD increases with larger excitation amplitudes.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.19
no.11
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pp.1167-1176
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2009
The objective of this study is to investigate design parameters of a tuned liquid column damper(TLCD), which is affected by various excitation amplitude, through shaking table test. Design parameters of a TLCD are examined based on the equivalent tuned mass damper(TMD) model of a TLCD, in which the nonlinear damping of a TLCD is transposed to equivalent viscous damping. Shaking table test is carried out for a TLCD specimen subjected to harmonic waves with various amplitude. Transfer functions are ratios of liquid displacement of TLCD and control force produced by a TLCD, respectively, with respect to the acceleration excited by a shaking table. They are derived based on the equivalent TMD model of a TLCD. Then, the variation of design parameters according to the excitation amplitude is examined by comparing analytical transfer functions with experimental ones. Finally, the dissipation energy due to the damping of a TLCD, which is experimentally observed from the shaking table test, is examined according to the excitation amplitude. Comparisons between test results and analytical transfer functions showed that natural frequencies of TLCD and the ratio of the liquid mass in a horizontal column to the total liquid mass do not depend on the excitation amplitude, while the damping ratio of a TLCD increases with larger excitation amplitude.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.59
no.3
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pp.134-140
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2022
Ship local structure sometimes experiences severe vibration due to the resonance with an excitation force generated by the propulsion system. In that case, the installation of dynamic vibration absorber such as Tuned Mass Damper (TMD) on the structure can be considered as an effective alternative countermeasure to reduce the troublesome vibration if structural modification or change of excitation frequencies is difficult. Meanwhile, the conventional optimal design method of TMD premises the target structure exposed on an excitation force without the constraint of its magnitude and frequency range. However, the frequencies of major ship excitation forces due to propulsion system are normally bounded and its magnitude is varied according to its operation speed. Hence, the optimal design of TMD to reduce the resonant vibration of ship local structure should be differently approached compared with the conventional ones. For the purpose, this paper proposes an optimal design method of TMD considering maximum frequency and magnitude variation of a target harmonic excitation component. It is done by both lowering the resonant response at the 1st natural frequency and locating the 2nd natural frequency over maximum excitation frequency for the idealized 2 degree of freedom system consisted of the structure and the TMD. For the validation of the proposed method, a numerical design case of TMD for a ship local structure exposed on resonant vibration due to a propeller excitation force is introduced and its performance is compared with the conventionally designed one.
The natural frequencies of a long span bridge vary during its construction and it is thus difficult to apply traditional tuned liquid column dampers (TLCD) with a fixed configuration to reduce bridge vibration. The restriction of TLCD imposed by frequency tuning requirement also make it difficult to be applied to structure with either very low or high natural frequency. A semi-active tuned liquid column damper (SATLCD), whose natural frequency can be altered by active control of liquid column pressure, is studied in this paper. The principle of SATLCD with adaptive tuning capacity is first introduced. The analytical models are then developed for lateral vibration of a structure with SATLCD and torsional vibration of a structure with SATLCD, respectively, under either harmonic or white noise excitation. The non-linear damping property of SATLCD is linearized by an equivalent linearization technique. Extensive parametric studies are finally carried out in the frequency domain to find the beneficial parameters by which the maximum vibration reduction can be achieved. The key parameters investigated include the distance from the centre line of SATLCD to the rotational axis of a structure, the ratio of horizontal length to the total length of liquid column, head loss coefficient, and frequency offset ratio. The investigations demonstrate that SATLCD can provide a greater flexibility for its application in practice and achieve a high degree of vibration reduction. The sensitivity of SATLCD to the frequency offset between the damper and structure can be improved by adapting its frequency precisely to the measured structural frequency.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.10
no.1
s.47
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pp.51-62
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2006
To dale, lots of types of tuned mass dampers are developed and investigated to reduce dynamic responses of a structure due to various causes. In this study, control performance of semi-active tuned mass damper(STMD), that can change the damping of tuned mass damper in real time based on structural responses, was investigated with respect to various types of excitation employing numerical simulation. Skyhook control algorithm was used to appropriately modulate the damping ratio of semi-active damper that composes STMD. The control effectiveness of a STMD under harmonic and random excitation were evaluated using a single-degree-of-freedom (SDOF) structure in comparison with a conventional passive tuned mass damper (TMD). The robustness of a STMD and a passive TMD were compared along with the variation of the mass of a SDOF structure. The control performance of STMD using magnetorheological (MR) damper was also investigated in this study. Based on the numerical studios, it was shown that the control effectiveness of the STMD was significantly superior to that of a passive TMD with respect to harmonic and random excitation.
Tuned Liquid Dampers (TLDs) provide low damping when it comes to deep water condition, and that not all water depth is mobilized in energy dissipation. This research focussed on a method to improve the efficiency of TLDs with deep water condition. Several bottom-mounted baffles were installed inside a TLD and the dynamic characteristics of modified TLDs together with their effect on the vibration control of a SDOF structure were studied experimentally. A series of free vibration and harmonic forced vibration tests were carried out. The controlling parameter in the conducted tests was the Vertical Blocking Ratio (VBR) of baffles. Results indicated that increase in VBR decreases the natural frequency of TLD and increases its damping ratio. It was found that the VBR range of 10% to 30% reduced response of the structure significantly. The modified TLD with the VBR of 30% showed the best performance when reduction in structural responses under harmonic excitations were compared.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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