The effectiveness of the newly developed smart passive control system employing a magnetorheological (MR) damper and an electromagnetic induction (EMI) part for seismic protection of base isolated structures is numerically investigated. An EMI part in the system consists of a permanent magnet and a coil, which changes the kinetic energy of the deformation of an MR damper into the electric energy (i.e. the induced current) according to the Faraday's law of electromagnetic induction. In the smart passive control system, the damping characteristics of an MR damper are varied with the current input generated from an EMI part. Hence, it does not need any control system consisting of sensors, a controller and an external power source. This makes the system much simpler as well as more economic. To verify the efficacy of the smart passive control system, a series of numerical simulations are carried out by considering the benchmark base isolated structure control problems. The numerical simulation results show that the smart passive control system has the comparable control performance to the conventional MR damper-based semiactive control system. Therefore, the smart passive control system could be considered as one of the promising control devices for seismic protection of seismically excited base isolated structures.
Considering a rigorously fluid-structure interaction, a method for an earthquake response analysis of a floating offshore structure subjected to vertical ground motion from a seaquake is developed. Mass, damping, stiffness, and hydrostatic stiffness matrices of the floating offshore structure are obtained from a finite-element model. The sea water is assumed to be a compressible, nonviscous, ideal fluid. Hydrodynamic pressure, which is applied to the structure, from the sea water is assessed using its finite elements and transmitting boundary. Considering the fluid-structure interaction, added mass and force from the hydrodynamic pressure is obtained, which will be combined with the numerical model for the structure. Hydrodynamic pressure in a free field subjected to vertical ground motion and due to harmonic vibration of a floating massless rigid circular plate are calculated and compared with analytical solutions for verification. Using the developed method, the earthquake responses of a floating offshore structure subjected to a vertical ground motion from the seaquake is obtained. It is concluded that the earthquake responses of a floating offshore structure to vertical ground motion is severely influenced by the compressibility of sea water.
In this paper, the diffraction problems for fixed offshore structures are solved using a hybrid scheme. In this hybrid scheme, potential-based solutions and the Navier-Stokes-based finite volume method (FVM) with a volume-of-fluid (VOF) method are combined. We introduce a buffer zone for efficient wave-making and damping. In this buffer zone, the near field solution from FVM-VOF is gradually changed to Stokes' 2nd order wave solutions. Three different models, including the truncated cylinder, sphere, and wigleyIII model, are numerically investigated in regular waves with a wave steepness of 1/30. The efficiency and accuracy of the hybrid scheme are numerically validated from results using different domain sizes and buffer zones. The wave exciting forces from the FVM-VOF simulations are compared with experiments and potential-based solutions from the higher-order boundary element method (HOBEM). This comparison shows good agreement between the hybrid scheme and potential-based solutions.
The governing differential equations for free vibration of multi-step orthotropic shear plates with variably distributed mass, stiffness and viscous damping are established. It is shown that a shear plate can be divided into two independent shear bars to determine the natural frequencies and mode shapes of the plate. The jk-th natural frequency of a shear plate is equal to the square root of the square sum of the j-th natural frequency of a shear bar and the k-th natural frequency of another shear bar. The jk-th mode shape of the shear plate is the product of the j-th mode shape of a shear bar and the k-th mode shape of another shear bar. The general solutions of the governing equations of the orthotropic shear plates with various boundary conditions are derived by selecting suitable expressions, such as power functions and exponential functions, for the distributions of stiffness and mass along the height of the plates. A numerical example demonstrates that the present methods are easy to implement and efficient. It is also shown through the numerical example that the selected expressions are suitable for describing the distributions of stiffness and mass of typical multi-storey buildings.
The objective of this paper is setting out, for a cable-stayed bridge with a curtain suspension, a method to determine the modes of vibration of the structure. The system of differential equations governing the vibrations of the bridge, derived by means of a variational formulation in a nonlinear field, is reported in Appendix C. The whole analysis results from the application of Hamilton's principle, using the expressions of potential and kinetic energies and of the virtual work made by viscous damping forces of the various parts of the bridge (Monaco and Fiore 2003). This paper focuses on the equation concerning the transversal motion of the girder of the cable-stayed bridge and in particular on its final form obtained, restrictedly to the linear case, neglecting some quantities affecting the solution in a non-remarkable way. In the hypotheses of normal mode of vibration and of steady-state, we propose the resolution of this equation by a particular method based on a numerical approach. Respecting the boundary conditions, we derive, for each mode of vibration, the corresponding frequency, both natural and damped, the shape-function of the girder axis and the exponential function governing the variability of motion amplitude in time. Finally the results so obtained are compared with those deriving from the dynamic analysis performed by a finite elements calculation program.
In this study, modal parameters such as natural frequencies, mode shapes and damping ratios of RC frames with low strength are determined for different construction stages using ambient vibration test. For this purpose full scaled, one bay and one story RC frames are produced and tested for plane, brick in-filled and brick in-filled with plaster conditions. Measurement time, frequency span and effective mode number are determined by considering similar studies and literature. To obtain experimental dynamic characteristics, Enhanced Frequency Domain Decomposition and Stochastic Subspace Identification techniques are used together. It is shown that the ambient vibration measurements are enough to identify the most significant modes of RC frames. The results indicate that modal parameters change significantly depending on the construction stages. In addition, Infill walls increase stiffness and change the mode shapes of the RC frame. There is a good agreement between mode shapes obtained from brick in-filled and in-filled with plaster conditions. However, some differences are seen in plane frame, like expected. Dynamic characteristics should be verified using finite element analysis. Finally, inconsistency between experimental and analytical dynamic characteristics should be minimize by finite element model updating using some uncertain parameters such as material properties, boundary condition and section properties to reflect the current behavior of the RC frames.
In this work, the dynamic properties of a high performance concrete containing glass powder (GP) was studied. The GP is a new cementitious material obtained by recycling waste glass presenting pozzolanic activity. This eco-friendly material was incorporated in concrete mixes by replacing 20 and 30% of cement. The mechanical properties of building materials highly affect the response of the structure under dynamic actions. First, the resonant vibration frequencies were measured on concrete plate with free boundary conditions after 14, 28 and 90 curing days by using an alternative vibration monitoring technique. This technique measures the average frequencies of several excitations done at different points of the plate. This approach takes into account the heterogeneity of a material like concrete. So, the results should be more precise and reliable. For measuring the bending and torsion resonant frequencies, as well as the damping ratio. The dynamic properties of material such as dynamic elastic modulus and dynamic shear modulus were determined by modelling the plate on the finite element software ANSYS. Also, the instantaneous aroused frequency method and ultrasound method were used to determine the dynamic elastic modulus for comparison purpose, with the results obtained from vibration monitoring technique.
The radiation problem for oscillating bodies on the free surface has been formulated by the over-determined Green integral equation, where the boundary condition on the free surface is satisfied by adopting the Kelvin-type Green function and the irregular frequencies are removed by placing additional control points on the free surface surrounded by the body. The B-Spline based higher order panel method is then applied to solve the problem numerically. Because both the body geometry and the potential on the body surface are represented by the B-Splines, that is in polynomials of space parameters, the unknown potential can be determined accurately to the order desired above the constant value. In addition, the potential expressed in B-Spline can be differentiated analytically to get the velocity on the surface without introducing any numerical error. Sample computations are performed for a semispherical body and a rectangular box floating on the free surface for six-degrees of freedom motions. The added mass and damping coefficients are compared with those by the already-validated constant panel method of the same formulation showing strikingly good agreements.
일반적인 형태의 동적 시스템에 가해지는 외란이 유색잡음이며, 외란의 형태가 시간에 따라 불규칙하게 변할 때와 감쇠계수와 강성계수가 시간에 따라 불규칙하게 변할 때의 그 확률 시스템의 특성과 제어기법에 대하여 연구하였다. 고려된 물리적인 모델은 불규칙한 대기교란을 받는 항공익으로써 이는 "시변계"가 되며 그 지배방정식이 확률론적 관점에서 F-P-K 접근법으로 유도되었으며, "유색잡음용 허-확률제어기"의 효과를 확률 영역 및 시간영역에서 고찰하였다. 또한 확률론적 플러터경계에 대해서도 고찰하였다.
A numerical scheme based on a mode superposition method is presented for the dynamic response analysis of a top-tensioned riser (TTR) under sheared current loads. The natural frequencies and mode shapes of the TTR have been calculated analytically for a beam with a slowly varying tension and pinned-pinned boundary conditions at the top and bottom ends. The lift coefficients and corresponding amplitudes used to estimate the vortex-induced modal force and damping for each mode were predicted via iterative calculations based on the input and output power balancing concept. Here, the power-in regions were controlled by the normal distribution function, for which the center was coincident with the lock -in location by local vortex-shedding, and the range was defined by the constant standard deviation for the reduced velocity by the local current speed. Finally, dynamic responses such as root-mean-squared displacement and stress were calculated using the mode superposition technique. In order to verify the presented scheme, a numerical calculation was performed for a TTR under an arbitrary linearly sheared current and linearly varying tension. A comparison with the results of the existing software showed that the presented scheme could give reliable and feasible solutions. Case studies were performed to investigate the effects of various current loads and tensions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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