This study is a basic study on the seismic reinforcement method of anchors of fixed parts in order to reduce the effect of seismic motion that affects the facilities in the event of an earthquake. By applying the test method of ICC ES AC 156, a seismic simulation experiment was performed on the vibration table with three axes simultaneously using the number of connecting bolts between cabinets and channels as a parameter. In addition, the reliability of the experiment was verified using numerical analysis, and the part about the dynamic characteristics that could not be performed according to the experimental limit was investigated through numerical analysis. As a result of the experiment, it was confirmed that the natural frequency of the main body was increased due to the increase in the number of connecting bolts between the cabinet-channel. Accordingly, it was judged that the rigidity of the lower part of the cabinet was increased due to seismic reinforcement. It was analyzed that the impact delivered to the body was effectively reduced. In the future, if the reinforcement of the connection parts mentioned in this study is added to the existing seismic reinforcement of the electrical cabinets, it is expected that the damage to the electrical cabinets of the power plant equipment caused by an earthquake will be effectively reduced.
Ola A. Siam;Rabab A. Shanab;Mohamed A. Eltaher;Norhan A. Mohamed
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.10
no.3
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pp.257-279
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2023
This manuscript is dedicated to deriving the closed form solutions of free vibration of viscoelastic nanobeam embedded in an elastic medium using nonlocal differential Eringen elasticity theory that not considered before. The kinematic displacements of Euler-Bernoulli and Timoshenko theories are developed to consider the thin nanobeam structure (i.e., zero shear strain/stress) and moderated thick nanobeam (with constant shear strain/stress). To consider the internal damping viscoelastic effect of the structure, Kelvin/Voigt constitutive relation is proposed. The perforation geometry is intended by uniform symmetric squared holes arranged array with equal space. The partial differential equations of motion and boundary conditions of viscoelastic perforated nonlocal nanobeam with elastic foundation are derived by Hamilton principle. Closed form solutions of damped and natural frequencies are evaluated explicitly and verified with prestigious studies. Parametric studies are performed to signify the impact of elastic foundation parameters, viscoelastic coefficients, nanoscale, supporting boundary conditions, and perforation geometry on the dynamic behavior. The closed form solutions can be implemented in the analysis of viscoelastic NEMS/MEMS with perforations and embedded in elastic medium.
Tharwat Osman;Salwa A. Mohamed;Mohamed A. Eltaher;Mashhour A. Alazwari;Nazira Mohamed
Steel and Composite Structures
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v.50
no.1
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pp.25-43
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2024
In this article, a mathematical model is developed to predict the dynamic behavior of bio-inspired composite beam with helicoidal orientation scheme under variable axial load using a unified higher order shear deformation beam theory. The geometrical kinematic relations of displacements are portrayed with higher parabolic shear deformation beam theory. Constitutive equation of composite beam is proposed based on plane stress problem. The variable axial load is distributed through the axial direction by constant, linear, and parabolic functions. The equations of motion and associated boundary conditions are derived in detail by Hamilton's principle. Using the differential quadrature method (DQM), the governing equations, which are integro-differential equations are discretized in spatial direction, then they are transformed into linear eigenvalue problems. The proposed model is verified with previous works available in literatures. Parametric analyses are developed to present the influence of axial load type, orthotropic ratio, slenderness ratio, lamination scheme, and boundary conditions on the natural frequencies of composite beam structures. The present enhanced model can be used especially in designing spacecrafts, naval, automotive, helicopter, the wind turbine, musical instruments, and civil structures subjected to the variable axial loads.
In this paper, the modified couple stress theory (MCST) and first order shear deformation theory (FSDT) are employed to investigate the free vibration and bending analyses of a three-layered micro-shell sandwiched by piezoelectric layers subjected to an applied voltage and reinforced graphene nanoplatelets (GPLs) under external and internal pressure. The micro-shell is resting on an elastic foundation modeled as Pasternak model. The mixture's rule and Halpin-Tsai model are utilized to compute the effective mechanical properties. By applying Hamilton's principle, the motion equations and associated boundary conditions are derived. Static/ dynamic results are obtained using Navier's method. The results are validated with the previously published works. The numerical results are presented to study and discuss the influences of various parameters on the natural frequencies and deflection of the micro-shell, such as applied voltage, thickness of the piezoelectric layer to radius, length to radius ratio, volume fraction and various distribution pattern of the GPLs, thickness-to-length scale parameter, and foundation coefficients for the both external and internal pressure. The main novelty of this work is simultaneous effect of graphene nanoplatelets as reinforcement and piezoelectric layers on the bending and vibration characteristics of the sandwich micro shell.
Isa Ahmadi;Mohammad Naeim Moradi;Mahdi Davar Panah
Structural Engineering and Mechanics
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v.89
no.2
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pp.135-153
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2024
In this study, the impact response of a nanobeam with a moving nanoparticle is investigated. Timoshenko beam theory is used to model the nanobeam behavior and nonlocal elasticity theory is used to consider the effects of small dimensions. The interaction between the nanoparticle and nanobeam has been described using Lennard-Jones potential theory and the equations are discretized by the radial basis meshless method and a mathematical model is presented for the nanobeam-nanoparticle system. Validation of the proposed model is achieved by comparing the obtained natural frequencies with reference values, demonstrating good agreement. Dimensionless frequency analysis reveals a decrease with increasing nonlocal parameter, pointing out a toughening effect in nanobeam. The dynamic response of the nanobeam and nanoparticle is obtained by time integration of equations of motion using Newmark and Wilson-𝜃 methods. A comparative analysis of the two methods is conducted to determine the most suitable approach for this study. As a distinctive aspect in this study, the analysis incorporates the deformation of the nanobeam resulting from the nanoparticle-nanobeam interaction when calculating the Lennard-Jones force in the nanobeam-nanoparticle system. The numerical findings explore the impact of various factors, including the nonlocal parameter, initial velocity, nanoparticle mass, and boundary conditions.
Ola Ragb;Mohamed Abd Elkhalek;M.S. Matbuly;Mohamed Salah;Mohamed Eltaher;Tharwat Osman
Steel and Composite Structures
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v.53
no.1
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pp.1-27
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2024
This work presents the effectiveness of differential quadrature shape functions (i.e., Lagrange interpolation polynomial, Cardinal sine function, Delta Lagrange kernel and Regularized Shannon kernel) in the solution of nonlinear vibration of multilayers piezoelectric plates with nonlinear elastic support. A piezoelectric composite laminated plate is rested on nonlinear Winkler and Visco-Pasternak elastic foundations problems. Based on 3D elasticity theory and piezoelectricity, the governing equations of motion are derived. Differential quadrature methods based on four shape functions are presented as numerical techniques for solving this problem. The perturbation method is implemented to solve the obtained nonlinear eigenvalue problem. A MATLAB code is written for each technique for solving this problem and extract the numerical results. To validate these methods, the computed results are we compare with the previous exact results. In addition, parametric analyses are offered to investigate the influence of length to thickness ratio, elastic foundation parameters, various boundary conditions, and piezoelectric layers thickness on the natural frequencies and mode shapes. Consequently, it is discovered that the obtained results via the proposed schemes can be applied in structural health monitoring.
When floor vibration problems occur in existing buildings, TMD (tuned mass damper) can be a viable alternative to resolving the problem. Only when TMD has been exactly tuned to the natural frequency of the floor, it can control the vibration as intended in design. However, TMD gets inefficient in the situation where the natural frequency changes as a result of the uncontrollable variation of the floor mass weight. This physical phenomenon is often called as TMD-off-tuning. This study proposes asymmetric TMD for enhancing the robustness of floor vibration control against uncertain natural frequencies. The proposed TMD features two asymmetric linear springs such that the floor vibrational energy can be dissipated through both the translational and rotational motion. An easy-to-use graphical optimization method was developed in this study. The asymmetric TMD proposed outperformed in vibration control by 28% compared to that of conventional TMD. The robustness of asymmetric TMD of this study was two times higher than that of conventional TMD.
Objective: This study aims to develop and scientifically investigate the efficacy of the Spine S-curve Reactive Backrest that responds to the spine curvature of the user when seated, and maintains and enhances the natural S-curve of the lower back, thereby helping to relieve fatigue, correct posture and prevent spine deformities. Background: The focus of current development, design guidelines and/or standards for office chairs is mainly placed on the chair's dimensions, incline angle, adjusting features and lumbar support. Research and development was called for developing a chair backrest that maintains and improves the S-curve of the full spine. Method: The Spine S-curve Reactive Backrest was ergonomically designed to maintain correct posture and enhance user comfort. When leaned on, the backrest responds to the user's spine line and the whole lower back sits closely against the backrest, thereby aligning the user's lower back and backrest as one to maintain and improve the natural S-curve formation of the spine. In order to evaluate the efficacy of the newly designed chair (new design) and the comparison target (chair), five male college students of standard body type with normal spine curvature were selected as test subjects, and a motion analyzer and electromyography were utilized to measure S-curve and erector spinae muscle activity when seated. Results: The spine S-curve was better maintained and improved when sitting in the new design than in the comparison chair. Particularly notable was the greater displacement gap of the thoracic spine than the cervical spine, and also that of the lumbar more than the thoracic spine, with the increase of the backrest tilting angle. Furthermore, the electromyogram results showed the new design caused a lower fatigue level of the erector spinae muscles compared to the comparison chair, and also earned a higher preference in the subjective opinion results. Conclusion: The newly designed chair in this study responds to the user's spine curvature and maintains and enhances the lower back's natural S-curve, and thereby relieves fatigue, promotes better posture, and helps to prevent spine deformities better than existing office chairs. There is a need to widely introduce and supply this new design. Application: The new design is applicable to office and student chairs, and is expected to improve concentration and work efficiency.
Inverse kinematics is a very useful method for control]ing the posture of an articulated body. In most inverse kinematics processes, the major matter of concern is not the posture of an articulated body itself but the position and direction of the end effector. In some applications such as 3D character animations, however, it is more important to generate an overall natural posture for the character rather than place the end effector in the exact position. Indeed, when an animator wants to modify the posture of a human-like 3D character with many physical constraints, he has to undergo considerable trial-and-error to generate a realistic posture for the character. In this paper, the Inductive Inverse Kinematics(IIK) algorithm using a Uniform Posture Map(UPM) is proposed to control the posture of a human-like 3D character. The proposed algorithm quantizes human behaviors without distortion to generate a UPM, and then generates a natural posture by searching the UPM. If necessary, the resulting posture could be compensated with a traditional Cyclic Coordinate Descent (CCD). The proposed method could be applied to produce 3D-character animations based on the key frame method, 3D games and virtual reality.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.22
no.5
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pp.143-150
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2021
To develop the technique for predicting the horizontal displacement of a retaining wall induced by an earthquake, an equation of motion that depicts the retaining wall-soil vibrating system was derived. The resulting differential equation was solved using the Runge-Kutta-Nystr?m method. Considering the pre-mentioned derivation process, the analysis procedures for obtaining horizontal displacement induced by an earthquake were programmed. The core algorithm of the displacement-force relationship, which is the main engine of the developed program, was suggested. Considering the results obtained by adopting the developed program to the assumed retaining wall under an earthquake, the relationships between the time-displacement, time-force, and displacement-force were reasonable. According to the results computed by the program, the displacements to the front direction of the wall occurred, and the displacement per cycle converged after some cycles elapsed. Displacements with a natural period were calculated, which showed that the maximum displacement was observed when the natural frequency was slightly different from the excitation frequency rather than the same values of the two frequencies. This happens because the vibrating system was modeled by two springs with different stiffness.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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