In vertical seismic isolation (VSI), a building is partitioned intentionally by vertical layers into two dynamically different substructures for seismic response reduction. Initially, a 1-story frame was partitioned into two substructures, interconnected by viscous and visco-elastic links, and seismic responses of the original and the vertically isolated structures (VIS) were obtained, considering a large number of stiffness and mass ratios of substructures with respect to the original structure. Color contour graphs were defined for presentation and investigation of large amounts of output results. Dynamic characteristics of the isolated structures were studied by considering the non-classical damping of the system, and then the effects of viscous and visco-elastic link parameters on the modal damping ratios were discussed. On this basis, three states of mass isolation, interactional state, and control mass were differentiated. Response history analyses were performed by Runge-Kutta numerical method. In these analyses, interaction of isolation ratios and link parameters, on response control of VIS was studied and the appropriate ranges for link parameters as well as the optimal ranges for isolation ratios were suggested. Results show that by using the VSI technique, seismic response reduction up to 50% in flexible substructure and even more in stiff substructure is achievable.
The logarithmic decrement method has been long used to estimate damping ratios in systems with only one modal component such as linear single degree of freedom (SDOF) mechanical systems. This paper presents an application of a methodology that uses joint time-frequency distribution (JTFD) as input, instead of the raw signal, to systems with several vibration modes. A most important feature of the present approach is that it can be applied to a system with time-varying damping ratio. Initially the precision and robustness of the method is determined using a synthetic model with multiple harmonic components, one of them displaying a time-varying damping ratio, subsequently the results obtained from experiments with a reduced model are presented. A comparison is made between the results obtained with this methodology and those using the classical technique of Least Squares Complex Exponential Method (LSCE) in order to highlight the advantages of the former, such as, good precision, robustness and excellent performance in extreme cases, e.g., when very low frequency components and time varying damping ratio are present.
Tata S. Rao;Shoji Kuniaki;Mita Shigeo;Minami Kiyokazu
Proceedings of the Korean Institute of Navigation and Port Research Conference
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2006.10a
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pp.134-143
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2006
Out of all types of motions the critical motions leading to capsize is roll. The dynamic amplification in case of roll motion may be large for ships as roll natural frequency generally falls within the frequency range of wave energy spectrum typical used for estimation of motion spectrum. Roll motion is highly non-linear in nature. Den are various representations of non-linear damping and restoring available in literature. In this paper an uncoupled non-linear roll equations with three representation of damping and cubic restoring term is solved using a perturbation technique. Damping moment representations are linear plus quadratic velocity damping, angle dependant damping and linear plus cubic velocity dependant damping. Numerical value of linear damping coefficient is almost same for all types but non-linear damping is different. Linear and non-linear damping coefficients are obtained form free roll decay tests. External rolling moment is assumed as deterministic with sinusoidal form. Maximum roll amplitude of non-linear roll equation with various representations of damping is calculated using analytical procedure and compared with experimental results, which are obtained form forced tests in regular waves by varying frequency with three wave heights. Experiments indicate influence of non-linearity at resonance frequency. Both experiment and analytical results indicates increase in maximum roll amplitude with wave slope at resonance. Analytical results are compared with experiment results which indicate maximum roll amplitude analytically obtained with angle dependent and cubic velocity damping are equal and difference from experiments with these damping are less compared to non-linear equation with quadratic velocity damping.
Passive control technologies are commonly used in several areas to suppress structural vibrations by the addition of supplementary damping, and some modal damping may be heavy beyond critical damping even for regular structures with energy dissipation devices. The design of passive control structures is typically based on (complex) mode superposition approaches. However, the conventional mode superposition approach is predominantly applied to cases of under-critical damping. Moreover, when any modal damping ratio is equal or close to 1.0, the system becomes defective, i.e., a complete set of eigenvectors cannot be obtained such that some well-known algorithms for the quadratic eigenvalue problem are invalid. In this paper, a generalized complex mode superposition method that is suitable for under-critical, critical and over-critical damping is proposed and expressed in a unified form for structural displacement, velocity and acceleration responses. In the new method, the conventional algorithm for the eigenvalue problem is still valid, even though the system becomes defective due to critical modal damping. Based on the modal truncation error analysis, modal corrected methods for displacement and acceleration responses are developed to approximately consider the contribution of the truncated higher modes. Finally, the implementation of the proposed methods is presented through two numerical examples, and the effectiveness is investigated. The results also show that over-critically damped modes have a significant impact on structural responses. This study is a development of the original complex mode superposition method and can be applied well to dynamic analyses of non-classically damped systems.
Na Sung-Soo;Park Jae-Yong;Park Chul-H.;Kwak Moon-K.;Shim Jae-Hong
Journal of Mechanical Science and Technology
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v.20
no.8
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pp.1139-1148
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2006
This paper addresses the analytical modeling and dynamic response of the advanced composite rotating blade modeled as thin-walled beams and incorporating viscoelastic material. The blade model incorporates non-classical features such as anisotropy, transverse shear, rotary inertia and includes the centrifugal and coriolis force fields. The dual technology including structural tailoring and passive damping technology is implemented in order to enhance the vibrational characteristics of the blade. Whereas structural tailoring methodology uses the directionality properties of advanced composite materials, the passive material technology exploits the damping capabilities of viscoelastic material (VEM) embedded into the host structure. The VEM layer damping treatment is modeled by using the Golla-Hughes-McTavish (GHM) method, which is employed to account for the frequency-dependent characteristics of the VEM. The case of VEM spread over the entire span of the structure is considered. The displayed numerical results provide a comprehensive picture of the synergistic implications of both techniques, namely, the tailoring and damping technology on the dynamic response of a rotating thin-walled b ε am exposed to external time-dependent excitations.
Weber, Felix;Huber, Peter;Spensberger, Simon;Distl, Johann;Braun, Christian
International Journal of High-Rise Buildings
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v.8
no.2
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pp.117-123
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2019
Tall buildings are prone to wind-induced vibrations due to their slenderness whereby peak structural accelerations may be higher than the recommended maximum value. The common countermeasure is the installation of a tuned mass damper (TMD) near the highest occupied floor. Due to the extremely large modal mass of tall buildings and because of the narrow to broad band type of wind excitation the TMD mass may become inacceptable large - in extreme cases up to 2000 metric tons. It is therefore a need to develop more efficient TMD concepts which provide the same damping to the building but with reduced mass. The adaptive TMD concept described in this paper represents a solution to this problem. Frequency and damping of the adaptive TMD are controlled in real-time by semi-active oil dampers according to the actual structural acceleration. The resulting enhanced TMD efficiency allows reducing its mass by up to 20% compared to the classical passive TMD. The adaptive TMD system is fully fail-safe thanks to a smart valve system of the semi-active oil dampers. In contrast to active TMD solutions the adaptive TMD is unconditionally stable and its power consumption on the order of 1 kW is negligible small as controllable oil dampers are semi-active devices. The adaptive TMD with reduced mass, stable behavior and lowest power consumption is therefore a preferable and cost saving damping tool for tall buildings.
In this paper some techniques for the dynamic analysis of non-classically damped linear systems are reviewed and compared. All these methods are based on a transformation of the governing equations using a basis of complex or real vectors. Complex and real vector bases are presented and compared. The complex vector basis is represented by the eigenvectors of the complex eigenproblem obtained considering the non-classical damping matrix of the system. The real vector basis is a set of Ritz vectors derived either as the undamped normal modes of vibration of the system, or by the load dependent vector algorithm (Lanczos vectors). In this latter case the vector basis includes the static correction concept. The rate of convergence of these bases, with reference to a parametric structural system subjected to a fixed spatial distribution of forces, is evaluated. To this aim two error norms are considered, the first based on the spatial distribution of the load and the second on the shear force at the base due to impulsive loading. It is shown that both error norms point out that the rate of convergence is strongly influenced by the spatial distribution of the applied forces.
Earthquake response calculation, parametric analysis and seismic parameter optimization of base-isolated structures are some critical issues for seismic design of base-isolated structures. To calculate the earthquake responses for such non-symmetric and non-classical damping linear systems and to implement the earthquake resistant design codes, a modified complex mode superposition design response spectrum method is put forward. Furthermore, to do parameter optimization for base-isolation structures, a graphical approach is proposed by analyzing the relationship between the base shear ratio of a seismic base-isolation floor to non-seismic base-isolation one and frequency ratio-damping ratio, as well as the relationship between the seismic base-isolation floor displacement and frequency ratio-damping ratio. In addition, the influences of mode number and site classification on the seismic base-isolation structure and corresponding optimum parameters are investigated. It is demonstrated that the modified complex mode superposition design response spectrum method is more precise and more convenient to engineering applications for utilizing the damping reduction factors and the design response spectrum, and the proposed graphical approach for parameter optimization of seismic base-isolation structures is compendious and feasible.
The semi-analytical method to study the nonlinear dynamic behavior of simply supported spiral stiffened functionally graded (FG) cylindrical shells subjected to an axial compression is presented. The FG shell is surrounded by damping and linear/nonlinear elastic foundation. The proposed linear model is based on the two-parameter elastic foundation (Winkler and Pasternak). A three-parameter elastic foundation with hardening/softening cubic nonlinearity is used for nonlinear model. The material properties of the shell and stiffeners are assumed to be FG. Based on the classical plate theory of shells and von $K{\acute{a}}rm{\acute{a}}n$ nonlinear equations, smeared stiffeners technique and Galerkin method, this paper solves the nonlinear vibration problem. The fourth order Runge-Kutta method is used to find the nonlinear dynamic responses. Results are given to consider effects of spiral stiffeners with various angles, elastic foundation and damping coefficients on the nonlinear dynamic response of spiral stiffened simply supported FG cylindrical shells.
In current paper, nonlocal (NLT), nonlocal strain gradient (NSGT) and Gurtin-Murdoch surface/interface (GMSIT) theories with classical theory (CT) are utilized to investigate vibration and stability analysis of Double Walled Piezoelectric Nanosensor (DWPENS) based on cylindrical nanoshell. DWPENS simultaneously subjected to direct electrostatic voltage DC and harmonic excitations, structural damping, two piezoelectric layers and also nonlinear van der Waals force. For this purpose, Hamilton's principle, Galerkin technique, complex averaging and with arc-length continuation methods are used to analyze nonlinear behavior of DWPENS. For this work, three nonclassical theories compared with classical theory CT to investigate Dimensionless Natural Frequency (DNF), pull-in voltage, nonlinear frequency response and stability analysis of the DWPENS considering the nonlocal, material length scale, surface/interface (S/I) effects, electrostatic and harmonic excitation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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