Proceedings of the Korean Society of Agricultural Engineers Conference
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1999.10c
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pp.206-211
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1999
The purpose of this study is to investigate the natural frequencies and mode shapes of beam-columns on the non-homogeneous foundaion. The beam model is based on the classical Bernoulli-Euler beam theory. The linear foundation modulus is chosen as the non-homogeneous foundation in this study . The differentidal equation goeverning free vibrations of such beam-columns subjected to axial load is derived and solved numerically for calculting the natural frquencies and mode shapes. In numerical fivekinds of end constraint are considered, and the lowest four natural frquencies and corresponding mode shape are obtained as the non-dimensional forms.
This paper provides a variety of viewpoints to illustrate the mechanism of the deck-stay interaction with the appropriate initial shapes of cable-stayed bridges. Based on the smooth and convergent bridge shapes obtained by the initial shape analysis, the one-element cable system (OECS) and multi-element cable system (MECS) models of the Kao Ping Hsi Bridge in Taiwan are developed to verify the applicability of the analytical model and numerical formulation from the field observations in the authors' previous work. For this purpose, the modal analysis of the two finite element models are conducted to calculate the natural frequency and normalized mode shape of the individual modes of the bridge. The modal coupling assessment is also performed to obtain the generalized mass ratios among the structural components for each mode of the bridge. The findings indicate that the coupled modes are attributed to the frequency loci veering and mode localization when the "pure" deck-tower frequency and the "pure" stay cable frequency approach one another, implying that the mode shapes of such coupled modes are simply different from those of the deck-tower system or stay cables alone. The distribution of the generalized mass ratios between the deck-tower system and stay cables are useful indices for quantitatively assessing the degree of coupling for each mode. These results are demonstrated to fully understand the mechanism of the deck-stay interaction with the appropriate initial shapes of cable-stayed bridges.
Macroperforations improve the sound absorption performance of porous materials in acoustic cavities and in waveguides. In an acoustic cavity, enhanced noise reduction is achieved using porous materials having macroperforations. Double porosity materials are obtained by filling these macroperforations with different poroelastic materials having distinct physical properties. The locations of macroperforations in porous layers can be chosen based on cavity mode shapes. In this paper, the effect of variation of macroporosity and double porosity in porous materials on noise reduction in an acoustic cavity is presented. This analysis is done keeping each perforation size constant. Macroporosity of a porous material is the fraction of area covered by macro holes over the entire porous layer. The number of macroperforations decides macroporosity value. The system under investigation is an acoustic cavity having a layer of poroelastic material rigidly attached on one side and excited by an internal point source. The overall sound pressure level (SPL) inside the cavity coupled with porous layer is calculated using mixed displacement-pressure finite element formulation based on Biot-Allard theory. A 32 node, cubic polynomial brick element is used for discretization of both the cavity and the porous layer. The overall SPL in the cavity lined with porous layer is calculated for various macroporosities ranging from 0.05 to 0.4. The results show that variation in macroporosity of the porous layer affects the overall SPL inside the cavity. This variation in macroporosity is based on the cavity mode shapes. The optimum range of macroporosities in poroelastic layer is determined from this analysis. Next, SPL is calculated considering periodic and nodal line based optimum macroporosity. The corresponding results show that locations of macroperforations based on mode shapes of the acoustic cavity yield better noise reduction compared to those based on nodal lines or periodic macroperforations in poroelastic material layer. Finally, the effectiveness of double porosity materials in terms of overall sound pressure level, compared to equivolume double layer poroelastic materials is investigated; for this the double porosity material is obtained by filling the macroperforations based on mode shapes of the acoustic cavity.
This paper presents a finite element approach for determining the natural frequencies for planar inclined arches of various shapes vibrating in three-dimensional space. The profile of inclined arches, represented by undeformed centriodal axis of cross-section, is defined by the equation of plane curves expressed in the rectangular coordinates which are : circular, parabolic, sine, elliptic, and catenary shapes. In free vibration state, the arch is slightly displaced from its undeformed position. The linear relationship between curvature-torsion and axial strain is expressed in terms of the displacements in three-dimensional space. The finite element discretization along the span length is used rather than the total are length. Numerical results for arches of various shapes are given and they are in good agreement with those reported in literature. The natural frequency parameters and mode shapes are reported as functions of two nondimensional parameters: the span to cord length ratio (e) and the rise to cord length ratio (f).
Dynamic characteristics of a structure, i.e., natural frequency and mode shape, have been widely using as an input data in the area of structural integrity or health monitoring which combined with the damage evaluation and structural system identification techniques. It is very difficult, however, to get those information by the conventional modal analysis method from large structures, such as the offshore structure or the long-span bridge, since the source of vibration is not available. In this paper, a method to obtain the frequencies and the mode shapes of a large span truss structure using only acceleration responses is studied. The calculation procedures to obtain acceleration responses and frequency response functions are provided utilizing a numerical model of the truss, and the process to extract natural frequencies and mode shapes from the modal analysis is cleary explained. The extracted mode shapes by proposed method are compared with those from eigenvalue analysis for the estimation of accuracy. The validity of the mode shapes is also demonstrated using an existing damage detection technique for the truss structure by simulated damage cases.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.5A
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pp.631-639
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2008
This paper reports the mode shapes of Seohae cable-stayed bridge extracted by TDD technique. In order to record total 72 acceleration points in the vertical direction of the bridge deck, a custom made data acquisition system with LAN communication has been especially developed and a set of ambient vibration tests has been conducted. For the measured acceleration responses, total twenty four mode shapes up to 2Hz has been extracted by TDD technique. The extracted mode shapes include many new modes that have not been identified in the current on-line health monitoring system installed in the bridge. It is confirmed that TDD technique is the most effective in extracting the high resolution mode shapes on a particularly long span bridge.
Dynamic characteristics of the bell-type structure including acoustic effects and transient dynamic problems were analyzed numerically. Natural frequencies, mode shapes and transient dynamic analysis used the finite element method with 3-D general shell element. Mode shapes and stress distributions of transient dynamic analysis were expressed by computer graphics. The method using this study was evaluated by comparision of theoretical results at reference papers(14), (15) and the experimental test using Fast Fourier Transform analyzer. Vibrational modes governing acoustic characteristics of the typical bell-type structure depended on the first flexural mode(4-0 mode) and the second flexural mode(6-0 mode). Asymmetric effects by Dangiwas, acoustic holes gave rise to beat frequencies, and the Dangjwa was found to be most effective. When impact load acted on the bell, stress concentration occured at the rim part of bell. It was found that the bell type structure should be designed thickly at the rim part in order to prevent impact load from stress concentration.
The effectiveness of wavelet transform in detecting delamination damages in multilayered composite beams and plates is studied here. The damaged composite beams and plates are modeled in finite element software ABAQUS and the first few mode shapes are obtained. The mode shapes of the damaged structures are then wavelet transformed. It is observed that the distribution of wavelet coefficients can identify the damage location of beams and plates by showing higher values of wavelet coefficients at the position of damage. The effectiveness of the method is studied for different boundary conditions, damage location and size for single as well as multiple delaminations in composite beams and plates. It is observed that both discrete wavelet transform (DWT) and continuous wavelet transform (CWT) can detect the presence and location of the damaged region from the mode shapes of the structures. DWT may be used to approximately evaluate the size of the delamination area, whereas, CWT is efficient to detect smaller delamination areas in composites.
In this paper, a novel and effective damage diagnosis algorithm is proposed to detect and estimate damage using two stages least squares support vector machine (LS-SVM) and limited number of attached sensors on structures. In the first stage, LS-SVM1 is used to predict the unmeasured mode shapes data based on limited measured modal data and in the second stage, LS-SVM2 is used to predicting the damage location and severity using the complete modal data from the first-stage LS-SVM1. The presented methods are applied to a three story irregular frame and cantilever plate. To investigate the noise effects and modeling errors, two uncertainty levels have been considered. Moreover, the performance of the proposed methods has been verified through using experimental modal data of a mass-stiffness system. The obtained damage identification results show the suitable performance of the proposed damage identification method for structures in spite of different uncertainty levels.
In this paper, the efficiency and the accuracy of classical (CE) and high order (HE) beam element are improved by introducing two novel techniques. The first proposed element (FPE) provides an alternative for (HE) by taking the mode shapes of the clamped-clamped (C-C) beam into account. The second proposed element (SPE) which could be utilized instead of (CE) and (HE) considers not only the mode shapes of the (C-C) beam but also some virtual nodes. It is numerically proven that the eigenvalue problem and the frequency response function for Euler-Bernoulli beam are obtained more accurate and efficient in contrast to the traditional ones.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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