In this paper a simple mathematical model is presented for estimating the natural frequencies and corresponding mode shapes of a tall building with outrigger-belt truss system. For this purposes an equivalent continuum system is analyzed in which a tall building structure is replaced by an idealized cantilever continuum beam representing the structural characteristics. The equivalent system is comprised of a cantilever shear beam in parallel to a cantilever flexural beam that is constrained by a rotational spring at outrigger-belt truss location. The mathematical modeling and the derivation of the equation of motion are given for the cantilevers with identically paralleled and rotational spring. The equation of motion and the associated boundary conditions are analytically obtained by using Hamilton's variational principle. After obtaining non-trivial solution of the eigensystem, the resulting is used to determine the natural frequencies and associated mode shapes of free vibration analysis. A numerical example for a 40 story tall building has been solved with proposed method and finite element method. The results of the proposed mathematical model have good adaptation with those obtained from finite element analysis. Proposed model is practically suitable for quick evaluations during the preliminary design stages.
Khayat, Majid;Baghlani, Abdolhossein;Dehghan, Seyed Mehdi;Najafgholipour, Mohammad Amir
Steel and Composite Structures
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v.38
no.1
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pp.47-66
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2021
This work addresses the free vibration analysis of Functionally Graded Porous (FGP) nanocomposite truncated conical shells with Graphene PLatelet (GPL) reinforcement. In this study, three different distributions for porosity and three different dispersions for graphene platelets have been considered in the direction of the shell thickness. The Halpin-Tsai equations are used to find the effective material properties of the graphene platelet reinforced materials. The equations of motion are derived based on the higher-order shear deformation theory and Sanders's theory. The Fourier Differential Quadrature (FDQ) technique is implemented to solve the governing equations of the problem and to obtain the natural frequencies of the truncated conical shell. The combination of FDQ with higher-order shear deformation theory allows a very accurate prediction of the natural frequencies. The precision and reliability of the proposed method are verified by the results of literature. Moreover, a wide parametric study concerning the effect of some influential parameters, such as the geometrical parameters, porosity distribution, circumferential wave numbers, GPLs dispersion as well as boundary restraint conditions on free vibration response of FGP-GPL truncated conical shell is also carried out and investigated in detail.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.5
no.1
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pp.34-51
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1981
Lately, due to increasing engine output by high supercharging, heavy crankshaft and propeller mass, as well as long strokes attended with the reduced crankshaft axial stiffness, the critical crankshaft axial vibration has frequently appeared in maneuvering range of the engine. Some investigators have developed calculating methods of natural frequencies and resonant amplitudes for crankshaft axial vibrations. But their reliabilities are uncertain as the estimated crankshaft axial stiffness are incorrect. The calculating procedure of these natural frequencies is practically analogous to the classical calculation of torsional vibration frequencies, except for an important difference due to the relationship of the axial stiffness of a crank and the angle between the crank and other, especially the adjacent, cranks. In this paper, 6 calculation formulae of crankshaft axial stiffness already published and a theoretically- developed one by authors are checked by comparing their calculating results with those measured values of one model crankshafat and three full-scale actual crankshafts. Also, the calculating methods of the crankshaft axial free vibration are investigated and their computer programs are developed. Finally, those developed computer programs are applied to calculating one model crankshaft and two full-scale actual crankshafts of ship's propulsion engines and their calculated results are compared with those measured values.
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.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.25
no.12
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pp.822-829
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2015
A transfer matrix method has been developed to determine the more accurate natural frequencies for the bending vibration of Bernoulli-Euler beam with linearly reduced width and a concentrated tip mass. The proposed method can be computed an infinite number of the natural frequencies using a single element. Using the differential equation, shear force, and bending moment in which can be deduced by the diverse variational principles, a transfer matrix is formulated. The roots of the differential equation are computed by the Frobenius method. The effect of the concentrated mass for the natural frequencies of width-tapered beams is examined through a parametric study, and to show the accuracy of the proposed method, the computed results compared with those obtained from commercial finite element analysis program(ANSYS).
The current study employs the nonlocal Timoshenko beam (NTB) theory and von-Kármán's geometric nonlinearity to develop a non-classic beam model for evaluating the nonlinear free vibration of bi-directional functionally-graded (BFG) nanobeams. In order to avoid the stretching-bending coupling in the equations of motion, the problem is formulated based on the physical middle surface. The governing equations of motion and the relevant boundary conditions have been determined using Hamilton's principle, followed by discretization using the differential quadrature method (DQM). To determine the frequencies of nonlinear vibrations in the BFG nanobeams, a direct iterative algorithm is used for solving the discretized underlying equations. The model verification is conducted by making a comparison between the obtained results and benchmark results reported in prior studies. In the present work, the effects of amplitude ratio, nanobeam length, material distribution, nonlocality, and boundary conditions are examined on the nonlinear frequency of BFG nanobeams through a parametric study. As a main result, it is observed that the nonlinear vibration frequencies are greater than the linear vibration frequencies for the same amplitude of the nonlinear oscillator. The study finds that the difference between the dimensionless linear frequency and the nonlinear frequency is smaller for CC nanobeams compared to SS nanobeams, particularly within the α range of 0 to 1.5, where the impact of geometric nonlinearity on CC nanobeams can be disregarded. Furthermore, the nonlinear frequency ratio exhibits an increasing trend as the parameter µ is incremented, with a diminishing dependency on nanobeam length (L). Additionally, it is established that as the nanobeam length increases, a critical point is reached at which a sharp rise in the nonlinear frequency ratio occurs, particularly within the nanobeam length range of 10 nm to 30 nm. These findings collectively contribute to a comprehensive understanding of the nonlinear vibration behavior of BFG nanobeams in relation to various parameters.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2004.05a
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pp.164-168
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2004
The vibration analysis of an axially moving membrane are investigated when the membrane has the two sets of in-plane boundary conditions, which are free and fixed constraints in the lateral direction. Since the in-plane stiffness is much higher than the out-of-plane stiffness, it is assumed during deriving the equations of motion that the in-plane motion is in a steady state. Under this assumption. the equation of out-of\ulcornerplane motion is derived, which is a linear partial differential equation influenced by the in-plane stress distributions. After discretizing the equation by using the Galerkin method, the natural frequencies and mode shapes are computed. In particular, we put a focus on analyzing the effects of the in-plane boundary conditions on the natural frequencies and mode shapes of the moving membrane.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.14
no.9
s.90
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pp.910-918
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2004
The vibration analysis of an axially moving membrane are investigated when the membrane has the two sets of in-plane boundary conditions, which are free and fixed constraints in the lateral direction. Since the in-plane stiffness is much higher than the out-of-plane stiffness, it is assumed during deriving the equations of motion that the in-plane motion is in a steady state. Under this assumption, the equation of out-of-plane motion is derived, which is a linear partial differential equation influenced by the in-plane stress distributions. After discretizing the equation by using the Galerkin method, the natural frequencies and mode shapes are computed. In particular, we put a focus on analyzing the effects of the in-plane boundary conditions on the natural frequencies and mode shapes of the moving membrane.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.3
no.1
s.7
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pp.47-55
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2003
This paper is concerned with the dynamic characteristics of buildings, especially with the measurement of the natural frequencies(natural periods) and the damping. Process of ambient vibration and synchronized human excitation tests for natural period and damping are given. Data from measurement on 16 reinforced concrete buildings in Seoul and Seoul national university of technology are given. 16 Low-rise Reinforced concrete buildings are measured for ambient vibration to obtain the vibrations characteristics. The natural periods obtained by ambient vibration measurements are compared with those of forecast model suggested by standards and foreign researchers. The natural periods show a clear dependence on building height. On the other hand, the damping ration scatter under the influence of various factors, for example, building height and natural frequency.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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1996.10a
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pp.414-421
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1996
The study of the vibration characteristics of annular sector plates which are clamped along their inner circumferential edge is important for structural engineers. The present analysis consists of experimental method and numerical method. The experimental method using time-average holographic interferometry is obtained vibration modes and frequencies. The experimental results are verified by a numerical method using F.E.M. The important aspects of the present paper is the dependence of the natural frequencies and the mode shape on the annular area changing sector angle. The radial nodal lines converge to the center of the plate. As increasing sector angle, the radial modes are predominant.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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