In this study, stochastic responses of a cable-stayed bridge subjected to the spatially varying earthquake ground motion are investigated by the finite element method taking into account soil-structure interaction (SSI) effects. The considered bridge in the analysis is Quincy Bay-view Bridge built on the Mississippi River in between 1983-1987 in Illinois, USA. The bridge is composed of two H-shaped concrete towers, double plane fan type cables and a composite concrete-steel girder deck. In order to determine the stochastic response of the bridge, a two-dimensional lumped masses model is considered. Incoherence, wave-passage and site response effects are taken into account for the spatially varying earthquake ground motion. Depending on variation in the earthquake motion, the response values of the cable-stayed bridge supported on firm, medium and soft foundation soil are obtained, separately. The effects of SSI on the stochastic response of the cable-stayed bridge are also investigated including foundation as a rigidly capped vertical pile groups. In this approach, piles closely grouped together beneath the towers are viewed as a single equivalent upright beam. The soil-pile interaction is linearly idealized as an upright beam on Winkler foundation model which is commonly used to study the response of single piles. A sufficient number of springs on the beam should be used along the length of the piles. The springs near the surface are usually the most important to characterize the response of the piles surrounded by the soil; thus a closer spacing may be used in that region. However, in generally springs are evenly spaced at about half the diameter of the pile. The results of the stochastic analysis with and without the SSI are compared each other while the bridge is under the sway of the spatially varying earthquake ground motion. Specifically, in case of rigid towers and soft soil condition, it is pointed out that the SSI should be significantly taken into account for the design of such bridges.
The paper presents a simplified force-based seismic design procedure for the preliminary design of steel haunch retrofitting for the seismic upgrade of deficient RC frames. The procedure involved constructing a site-specific seismic design spectrum for the site, which is transformed into seismic base shear coefficient demand, using an applicable response modification factor, that defines base shear force for seismic analysis of the structure. Recent experimental campaign; involving shake table testing of ten (10), and quasi-static cyclic testing of two (02), 1:3 reduced scale RC frame models, carried out for the seismic performance assessment of both deficient and retrofitted structures has provided the basis to calculate retrofit-specific response modification factor Rretrofitted. The haunch retrofitting technique enhanced the structural stiffness, strength, and ductility, hence, increased the structural response modification factor, which is mainly dependent on the applied retrofit scheme. An additional retrofit effectiveness factor (ΩR) is proposed for the deficient structure's response modification factor Rdeficient, representing the retrofit effectiveness (ΩR=Rretrofitted /Rdeficient), to calculate components' moment and shear demands for the retrofitted structure. The experimental campaign revealed that regardless of the deficient structures' characteristics, the ΩR factor remains fairly the unchanged, which is encouraging to generalize the design procedure. Haunch configuration is finalized that avoid brittle hinging of beam-column joints and ensure ductile beam yielding. Example case study for the seismic retrofit designs of RC frames are presented, which were validated through equivalent lateral load analysis using elastic model and response history analysis of finite-element based inelastic model, showing reasonable performance of the proposed design procedure. The proposed design has the advantage to provide a seismic zone-specific design solution, and also, to suggest if any additional measure is required to enhance the strength/deformability of beams and columns.
The concrete bridge is likely to produce fatigue cracks during long period of service due to the moving vehicular loads and the degeneration of materials. This paper deals with the time-frequency analysis of a coupled bridge-vehicle system. The bridge is modeled as an Euler beam with breathing cracks. The vehicle is represented by a two-axle vehicle model. The equation of motion of the coupled bridge-vehicle system is established using the finite element method, and the Newmark direct integration method is adopted to calculate the dynamic responses of the system. The effect of breathing cracks on the dynamic responses of the bridge is investigated. The time-frequency characteristics of the responses are analyzed using both the Hilbert-Huang transform and wavelet transform. The results of time-frequency analysis indicate that complicated non-linear and non-stationary features will appear due to the breathing effect of the cracks.
Modal analysis of cracked cantilever composite beams, made of graphite-fibre reinforced polyamide, is studied. By using the finite element and component mode synthesis methods, a numeric model applicable to investigate the vibration of cracked composite beams is developed. In this new approach, from the crack section, the composite beam separated into two parts coupled by a flexibility matrix taking into account the interaction forces. These forces are derived from the fracture mechanics theory as the inverse of the compliance matrix calculated with the proper stress intensity factors and strain energy release rate expressions. Numerical results are obtained for modal analysis of composite beams with a transverse non-propagating open crack, addressing the effects of the location and depth of the crack, and the volume fraction and orientation of the fibre on the natural frequencies and mode shapes. By means of modal data, the position and dimension of the defect can be found. The results of the study confirmed that presented method is suitable for the vibration analysis of cracked cantilever composite beams. Present technique can be easily extended to composite plates and shells.
The main purpose of current study is to find the soil effects on natural period of elevated tank. The coupled analytical method is used to assess in this study. The current study presented models which are capable to consider the soil dynamic stiffness changes and fluid- structure interaction effects on natural period of elevated tanks. The basic of mentioned models is extracted from elastic beam and lumped mass theory. The finite element is used to verify the results. It is observed that, external excitation can change the natural period of elevated tanks. Considering the increase of excitation frequency, the natural period will be decreased. The concluded values of natural period in case of soft and very soft soil are more affected from excitation frequency values. The high range of excitation frequency may reduce the natural period values. In addition it is observed that the excitation frequency has no significant effect on convective period compare with impulsive period.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.10
no.1
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pp.203-208
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2002
In order to reduce the booming noise caused by first bending mode of a drive shaft, this paper proposes a simulation program for prediction of the bending mode frequency of any tubular shaft. This program consists of a pre-processor for modeling of geometrical shape of the drive shaft with boundary conditions of various joints, a processor for constructing of global finite element matrices using beam elements and an eigen-solver based on MATLAB program. Using this simulation program, the effective and accurate FE model far a shaft attached to vehicle can be obtained by aid of database for stiffness of each joint. Thus the resonance frequencies and mode shapes of a shaft can be calculated accurately. Because the effect of the resonance on interior noise can be verified, more improved shaft will be proposed at the early stage of design.
Park, Jong-Heuk;Hong, Seong-Wook;Lee, Chul;Kim, Jong-Wook
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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1998.04a
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pp.200-205
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1998
Although discretization methods such as the transfer matrix method (TMM) and the finite element method (FEM) have played an important role in the design or analysis of rotor-bearing systems, continuous system modeling and analysis are often desirable especially for sensitivity analysis or design. The present paper proposes a comprehensive modeling procedure to obtain exact solution of general rotor-bearing systems. The proposed method considers a Timoshenko beam model and makes use of complex coordinate in the formulation. The proposed method provides exact eigensolutions and frequency response functions (FRFS) of general multi-stepped rotor-bearing systems. The first numerical example compares the proposed method with FEM. The numerical study proves that the proposed method is very efficient and useful for the analysis of rotor-bearing systems.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.20
no.2
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pp.564-574
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1996
This paper describes as Electronic Speckle Pattern Interferometry system which has been designed for measuring vibration patterns and quantitative measurement of vibration amplitude fields by using the time average method on a object. Visbility of fringe patterns is more improved by using the phase stepping and frame average method to reduce speckle and electric noise. And a bias vibration is introduced into the reference beam to shift the $\frac{2}{0}$ fringes so that fringe shift algorithms can be used to determine vibration amplitude. The experimental results are compared to those of the FFT analyzer and the FEM model analysis.
Goncalves, Juliano F.;Fonseca, Jun S.O.;Silveira, Otavio A.A.
Smart Structures and Systems
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v.17
no.5
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pp.773-793
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2016
This work presents a methodology to distribute piezoelectric material for structural vibration active control. The objective is to design controlled structures with actuators which maximizes the system controllability. A topology optimization was formulated in order to distribute two material phases in the domain: a passive linear elastic material and an active linear piezoelectric material. The objective is the maximization of the smallest eigenvalue of the system controllability Gramian. Analytical sensitivities for the finite element model are derived for the objective functions and constraints. Results and comparisons with previous works are presented for the vibration control of a two-dimensional short beam.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2004.10a
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pp.282-285
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2004
The main purpose of this study is the vibration suppression of rotating composite blade containing distributed piezoelectric sensors and actuators. The blade is modeled by thin-walled, single cell composite beam including the warping function, centrifugal force, Coriolis acceleration and piezoelectric effect. Further, the numerical study is performed m ing finite element method. The vibration of composite rotor is suppressed by piezocomposite actuators and PVDF sensors that are embedded between composite layers. A velocity feedback control algorithm coupling the direct and converse piezoelectric effect is used to actively control the' dynamic response of an integrated structure through a closed control loop. Responses of the rotating blade are investigated. Newmark time integration method is used to calculate the time response of the model. In the numerical simulation, the effect of parameters such as rotating speed, fiber orientation of the blade and size of actuators are studied in detail.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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