Excessive vibrations induced by earthquake excitation and wind load are an obstacle in design and construction of tall and super tall buildings. An innovative vibration control structure system (Mega-Sub Controlled Structure System-MSCSS) was recently proposed to further improve humans comfort and their safeties during natural disasters. Preliminary investigations were performed using a two dimensional equivalent simplified model, composed by 3 mega-stories. In this paper, a more reasonable and realistic scaled model is design to investigate the dynamical characteristics and controlling performances of this structure when subjected to strong earthquake motion. The control parameters of the structure system, such as the modulated sub-structures disposition; the damping coefficient ratio (RC); the stiffness ratio (RD); the mass ratio of the mega-structure and sub-structure (RM) are investigated and their optimal values (matched values) are obtained. The MSCSS is also compared with the so-called Mega-Sub Structure (MSS) regarding their displacement and acceleration responses when subjected to the same load conditions. Through the nonlinear time history analysis, the effectiveness and the feasibility of the proposed mega-sub controlled structure system (MSCSS) is demonstrated in reducing the displacement and acceleration responses and also improving human comfort under earthquake loads.
The steady rotating flows in eccentric annulus has been studied by a numerical method based on the spectral collocation method. The inner cylinder has a constant angular velocity while the outer on e is stationary. Flow between eccentric cylinders is of considerable technical importance as it occurs in journal bearings. In the present work, the governing equations for laminar flow are expressed as Navier-Stokes equations, including the non-linear convection terms. The solutions were utilized i, estimate the effects of the nonlinear terms on the load acting on the rotating cylinder. Based on the half and the full Sommerfeld methods, the load on the rotating cylinder is evaluated with eccentricity, by integrating the pressure and skin friction around the cylinder. The attitude angle and Sommerfeld reciprocal are calculated from the load. Also, the torque on the rotating inner cylinder was calculated. considering the skin friction. The attitude angle and Sommerfeld reciprocal are decreased with eccentricity. Viscous damping coefficient due to the skin friction becomes larger with decreasing the annular space. It is found the non-linear effects of the convection terms on the flow and the load are important. especially on the attitude angle, for relatively wide annular configurations however, the effects on those are minor for very narrow annular ones.
This paper deals with a study of striker type impact hammer drill for improving the drilling performance. The study was performed through a numerical simulation of the impact hammer mechanism and an experimental comparison of the numerical simulation results was followed. Optimization of the impact mechanism was also performed. The numerical model of the impact hammer drill takes into account the striker motion and the effects of the pressure in the cylinder as well as the friction acting on the striker. The equation of motion is solved with the pressure equation in the cylinder including the friction force. The friction is considered as a combination of Coulomb friction and viscous damping friction. At the moment of impact, an ideal impact model that uses restitution coefficient is used to calculate the sudden change of the striker motion. The numerically simulated impact force shows a good agreement with the experimental result and thus, the validity of the numerical model is proven. Based upon the proposed model, an optimization was performed to improve the impact force of the hammer drill. The objective function is to maximize the impact force and the used design variables are striker mass, frequency of piston, bit guide mass, cylindrical diameter and dimensions of the mechanism components. Each design variable and some other conditions that are essential to manitain normal operation of the hammer drill are considered as constraints. The optimized result show a remarkable improvement in impact force and an experimental proof was investigated.
Liu, Zuqiang;Zhou, Chaofeng;Xue, Jianyang;Leon, Roberto T.
Steel and Composite Structures
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제36권3호
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pp.339-353
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2020
This study investigates the seismic performance of steel reinforced concrete (SRC) T-shaped columns under low cyclic loading tests. Based on test results of ten half-scale column specimens, failure patterns, hysteretic behavior, skeleton curves, ultimate strength, ductility, stiffness degradation and energy dissipation capacity were analyzed. The main variables included loading angles, axial compression ratios and steel ratios. The test results show that the average values of the ductility factor and the equivalent viscous damping coefficient with respect to the failure of the columns were 5.23 and 0.373, respectively, reflecting good seismic performance. The ductility decreased and the initial stiffness increased as the axial compression ratio of the columns increased. The strength increased with increasing steel ratio, as expected. The columns displaced along the web had higher strength and initial stiffness, while the columns displaced along the flange had better ductility and energy dissipation capacity. Based on the test and analysis results, a formula is proposed to calculate the effective stiffness of SRC T-shaped columns.
The friction is one of the nonlinearities to be considered in the precise position control of a system which has electromechanical components. The friction has complicated nonlinear characteristics and depends on the velocity, the position and the time. The conventional fixed friction compensator and the controller based on linear control theory may cause the steady state position error or oscillation. The plant to be controlled in this study is a positioning system with a linear brushless DC motor(LBLDCM). The system behaves like a 4th-order model including the compliance and the friction. In this study, the plant model is simplified to a 2nd-order model to reduce the computation in on- line estimation. Also, to reduce the computation time, only the friction is estimated on-line while the mass and the viscous damping coefficient are fixed to the values obtained from off-line estimation. The validity of the proposed scheme is illustrated with the computer simulation and the experiment where the friction is compensated by using the estimation.
Lots of semi-active control devices have been developed in recent years because they have the best features of passive and active system. Especially, controllable magneto-rheological(MR) fluid devices have received significant attention in these area of research. The MR fluid is the material that reversibly changes from a free-flowing, linear viscous fluid to a semisolid with a controllable yield strength in milliseconds when exposed to a magnetic field. If the magnetic field is induced by moving a permanent magnet instead of applying current to a solenoid, it is possible to design a MR damper consuming low power because the power consumption is reduced at steady state. This paper proposes valve mode MR damper using permanent magnetic circuit that has wide range of operation with low power consumption and small size. To design a MR damper that has a large maximum dissipating torque and a low damping coefficient, a design parameter is adopted. The magnetic circuit, material of choke and choke type are selected experimentally with the design parameter. The behaviors of the damper are examined and torque tracking control using PID feedback controller is performed for step, ramp and sinusoidal trajectories.
복합원형 실린더군의 미소진폭 동위상 진동유동에 대해 수치해석적 및 실험적으로 연구하였다. 유동장은 내부와 외부로 분리하여 해석되어진다. 1차 비선형해는 스톡스 진동해로서 해석적으로 구해지며, 경계층 외부의 2차 정상유동은 경계적분법(Panel Method)와 유한체적법(Finite Volume Code)에 의해 구하였다. 수치해석해와 정성적 정량적으로 비교하기 위하여, 전유동장 측정기법의 하나인 입자영상유속계(PIV)기법을 사용하였으며, 계산시간 단축을 위해 영상압축 및 코드화기법에서 개발된 삼단계추적 알고리즘을 도입하였다. TLP등 저 댐핑 시스템에 있어서 작지만 0 아닌 항력계수의 정확한 시스템 거동 및 공진에 의한 파괴문제에 있어서 중요한 과제이다. 본 논문에서는 실린더의 갯수와 배열, 간격의 변화에 따른 항력계수 값들을 계산하여 도표화하였다.
International Journal of Control, Automation, and Systems
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제6권1호
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pp.54-61
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2008
This paper presents a method for reducing modelling error in the linear motion system with voicecoil actuator (VCA). A model of linear motion system composed of a mechanism and control was prepared to verify the proposed method. In modeling of the system, the damping coefficient obtained experimentally is applied to the model in order to consider the effect of the viscous friction for the moving part in VCA. The response velocity of VCA for duty ratio of PWM signal was analyzed in the time domain. Consequently, the relation between velocity and duty ratio was obtained. The result from the experiment showed an error of 9% when compared with that of simulation. In order to reduce the modeling error, impedance variation according to input frequency was analyzed, and equivalent impedance with multi-frequency was applied to the control part. As a result, the modeling error decreased to 5%.
Han, Qiang;Zhou, Yulong;Du, Xiuli;Huang, Chao;Lee, George C.
Earthquakes and Structures
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제7권3호
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pp.251-269
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2014
To investigate the seismic performance and to obtain quantitative parameters for the requirement of performance-based bridge seismic design approach, 12 reinforced concrete (RC) hollow rectangular bridge column specimens were tested under constant axial load and cyclic bending. Parametric study is carried out on axial load ratio, aspect ratio, longitudinal reinforcement ratio and transverse reinforcement ratio. The damage states of these column specimens were related to engineering limit states to determine the quantitative criteria of performance-based bridge seismic design. The hysteretic behavior of bridge column specimens was simulated based on the fiber model in OpenSees program and the results of the force-displacement hysteretic curves were well agreed with the experimental results. The damage states of residual cracking, cover spalling, and core crushing could be well related to engineering limit states, such as longitudinal tensile strains of reinforcement or compressive strains of concrete, etc. using cumulative probability curves. The ductility coefficient varying from 3.71 to 8.29, and the equivalent viscous damping ratio varying from 0.19 to 0.31 could meet the requirements of seismic design.
The frame structures investigated in this paper is composed of Concrete encased columns with L-shaped steel section and steel beams. The seismic behavior of this structural system is studied through experimental and numerical studies. A 2-bay, 3-story and 1/3 scaled frame specimen is tested under constant axial loading and cyclic lateral loading applied on the column top. The load-displacement hysteretic loops, ductility, energy dissipation, stiffness and strength degradation are investigated. A typical failure mode is observed in the test, and the experimental results show that this type of framed structure exhibit a high strength with good ductility and energy dissipation capacity. Furthermore, finite element analysis software Perform-3D was conducted to simulate the behavior of the frame. The calculating results agreed with the test ones well. Further analysis is conducted to investigate the effects of parameters including concrete strength, column axial compressive force and steel ratio on the seismic performance indexes, such as the elastic stiffness, the maximum strength, the ductility coefficient, the strength and stiffness degradation, and the equivalent viscous damping ratio. It can be concluded that with the axial compression ratio increasing, the load carrying capacity and ductility decreased. The load carrying capacity and ductility increased when increasing the steel ratio. Increasing the concrete grade can improve the ultimate bearing capacity of the structure, but the ductility of structure decreases slightly.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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