Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.2
no.3
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pp.27-35
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1998
Steel structures with added viscoelastic dampers are analysed to investigat their behavior under earthquake excitation. The direct integration method, which produces exact solution for the non-proportional or non-classical damping system, is used throughout the analysis. The results from modal strain energy method are also provided for comparison. Then a new analytical a, pp.oach, based on the rigid floor diaphragm assumption and matrix condensation technique, is introduced, and the results are compared with those obtained from direct integration method and modal strain energy method. The well known phenomenon, that the effectiveness of the viscoelastic dampers depends greatly on the location of the dampers, is once again confirmed in the analysis. It is also found that the modal strain energy method generaly underestimates the responses obtained from the direct integration method, especially when the dampers are placed in only a part of the building. The proposed method turns out to be very efficient with considerable saving in computation this and reasonably accurate considering the reduced degrees of freedom.
The prestress force effect on the fundamental frequency and deflection shape of Prestressed Concrete I (PCI) beams was studied in this paper. Currently, due to the conflicts among existing theories, the analytical solution for properly considering the structural behavior of these prestressed members is not clear. A series of experiments were conducted on a large-scale PCI beam of high strength concrete with an eccentric straight unbonded tendon. Specifically, the simply supported PCI beam was subjected to free vibration and three-point bending tests with different prestress forces. Subsequently, the experimental data were compared with analytical results based on the Euler-Bernoulli beam theory. It was proved that the fundamental frequency of PCI beams is unaffected by the increasing applied prestress force, if the variation of the initial elastic modulus of concrete with time is considered. Vice versa, the relationship between the deflection shape and prestress force is well described by the magnification factor formula of the compression-softening theory assuming the secant elastic modulus.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.17
no.3
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pp.107-115
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2017
In this paper, a structural design method of a smart tuned mass damper (TMD) for a retractable-roof spatial structure under earthquake excitation was proposed. For this purpose, a retractable-roof spatial structure was simplified to a single degree of freedom (SDOF) model. Dynamic characteristics of a retractable-roof spatial structure is changed based on opened or closed roof condition. This condition was considered in the numerical simulation. A magnetorheological (MR) damper was used to compose a smart TMD and a displacement based ground-hook control algorithm was used to control the smart TMD. The control effectiveness of a smart TMD under harmonic and earthquake excitation were evaluated in comparison with a conventional passive TMD. The vibration control robustness of a smart TMD and a passive TMD were compared along with the variation of natural period of a simplified structure. Dynamic responses of a smart TMD and passive TMD under resonant harmonic excitation and earthquake load were compared by varying mass ratio of TMD to total mass of the simplified structure. The design procedure proposed in this study is expected to be used for preliminary design of a smart TMD for a retractable-roof spatial structure.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.12
no.5
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pp.992-1002
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1988
The dynamic response of rotor-bearing systems subjected to six-component nonststionary earthquake ground accelerations is analyzed. The governing equations of motion for the rotor are derived using Lagrangian approach. The six-component earthquake inputs result in both inhomogeneous and parametric excitations, so that the conventional spectral analysis of random vibration is not applicable. The method of Monte Carlo simulation is utilized to simulate the six-component nonstationary earthquake ground motions and to determine the response statistics of rotor-bearing systems. The significant influences due to rotational motions of seismic base on the overall structural response is demonstrated by a numerical example.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.2
no.1
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pp.63-69
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1998
A rotating shaft system subjected to seismic motions has been investigated for the various operating modes at start-up. During an earthquake excitation, the rotor may hit the stator of machines due to the excessive deformation of shaft, and thus the response of rotating shaft system of which foundation is supported by the vibration isolation devices has been simulated. In order to examine the transient response of the rotating shaft system at the start-up to both the various operating conditions and the seismic excitation simultaneously, nonlinear equations of motion are derived and solved numerically using Runge-Kutta method. The response of the rotating shaft system is calculated according to the operating modes as recommended by the machine and the system parameters such as the spring stiffness of isolation devices.
Energy harvesting is an emerging technique that extracts energy from surrounding environments to power low-power devices. For example, it can potentially provide sustainable energy for wireless sensing networks (WSNs) or structural control systems in civil engineering applications. This paper presents a comprehensive study on harvesting energy from earthquake-induced structural vibrations, which is typically of low frequency, to power WSNs. A macroscale pendulum-type electromagnetic harvester (MPEH) is proposed, analyzed and experimentally validated. The presented predictive model describes output power dependence with mass, efficiency and the power spectral density of base acceleration, providing a simple tool to estimate harvested energy. A series of shaking table tests in which a single-storey steel frame model equipped with a MPEH has been carried out under earthquake excitations. Three types of energy harvesting circuits, namely, a resistor circuit, a standard energy harvesting circuit (SEHC) and a voltage-mode controlled buck-boost converter were used for comparative study. In ideal cases, i.e., resistor circuit cases, the maximum electric energy of 8.72 J was harvested with the efficiency of 35.3%. In practical cases, the maximum electric energy of 4.67 J was extracted via the buck-boost converter under the same conditions. The predictive model on output power and harvested energy has been validated by the test data.
A reinforced concrete water tank is a typical functional liquid storage structure and cracks are the greatest threat to the liquid storage structure. Tanks are readily cracked due to seismic activity, thereby leading to the leakage of the stored liquid and a loss of function. In order to study the effect of cracks on liquid storage tanks, self-healing and leakage tests for bending cracks and through cracks in the walls of a reinforced concrete water tank were conducted. Material performance tests were also performed. The self-healing performance of bending cracks in a lentic environment and through cracks in a lotic environment were tested, thereby the self-healing width of bending micro-cracks in the lentic environment in the short term were determined. The through cracks had the capacity for self-healing in the lotic environment was found. The leakage characteristics of the bending cracks and through cracks were tested with the actual water head on the crack. The effects on liquid leakage of the width of bending cracks, the depth of the compression zone, and the acting head were determined. The relationships between the leakage rate and time with the height of the water head were analyzed. Based on the tests, the relationships between the crack characteristics and self-healing as well as the leakage were obtained. Thereby the references for water tank structure design and grading earthquake damage were provided.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.26
no.2
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pp.95-103
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2022
In order to evaluate the earthquake safety of equipment in structures, it is essential to analyze the In-Structure Response Spectrum (ISRS). The ISRS has a peak value at the frequency corresponding to the structural vibration mode, but the frequency and amplitude at the peak can vary because of many uncertain parameters. There are several seismic design criteria for ISRS peak-broadening for fixed base structures. However, there are no suggested criteria for constructing the design ISRS of seismically isolated structures. The ISRS of isolated structures may change due to the major uncertainty parameter of the isolator, which is the shear stiffness of the isolator and the several uncertainty parameters caused by the nonlinear behavior of isolators. This study evaluated the effects on the ISRS due to the initial stiffness of the bi-linear curve of isolators and the variation of effective stiffness by the input ground motion intensity and intense motion duration. Analyzing a simplified structural model for isolated base structure confirmed that the ISRS at the frequency of structural mode was amplified and shifted. It was found that the uncertainty of the initial stiffness of isolators significantly affects the shape of ISRS. The variation caused by the intensity and duration of input ground motions was also evaluated. These results suggested several considerations for generating ISRS for seismically isolated structures.
This paper firstly proposed high performance composite columns for cold-region infrastructures using ultra-high performance concrete (UHPC) and ultra-high strength steel (UHSS) Q960E. Then, 24 square UHPC-filled UHSS tubes (UHSTCs) at low temperatures of -80, -60, -30, and 30℃ were performed under axial loads. The key influencing parameters on axial compression performance of UHSS were studied, i.e., temperature level and UHSS-tube wall thickness (t). In addition, mechanical properties of Q960E at low temperatures were also studied. Test results revealed low temperatures improved the yield/ultimate strength of Q960E. Axial compression tests on UHSTCs revealed that the dropping environmental temperature increased the compression strength and stiffness, but compromised the ductility of UHSTCs; increasing t significantly increased the strength, stiffness, and ductility of UHSTCs. This study developed numerical and theoretical models to reproduce axial compression performances of UHSTCs at low temperatures. Validations against 24 tests proved that both two methods provided reasonable simulations on axial compression performance of UHSTCs. Finally, simplified theoretical models (STMs) and modified prediction equations in AISC 360, ACI 318, and Eurocode 4 were developed to estimate the axial load capacity of UHSTCs at low temperatures.
A conventional tuned mass damper (TMD) provides a passive control option to suppress the structures' wind- or earthquake-induced vibrations. However, excessive displacements of the TMD raise concerns in the practical implementation. Therefore, this study proposes a novel TMD designed for and deployed on a high-rise sightseeing tower. The device consists of an integrated two-way slide rail mount and an eddy current damper (ECD) with a stroke control mechanism. This stroke control mechanism allows the damping coefficient to automatically increase when the stroke reaches a predetermined value, preventing excessive damper displacements during large earthquakes. The corresponding two-stage damping parameters are designed with a variable-thickness copper plate to enable the TMD stroke within a specified range. Thus, this study discusses the detailed design schemes of the device components in TMD. The designed two-stage damping parameters are also numerically verified, and the structural responses with/without the TMD are compared. As seen in the results, the proposed TMD yields effective control authority to limit the acceleration response within a comfort level. In addition, this TMD resolves the spatial availability for the damper movement in high-rise buildings by the controllable damping mechanism.
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