The main purpose of this research work is to investigate the free vibration of conical shell structures reinforced by graphene platelets (GPLs) and the elastic properties of the nanocomposite are obtained by employing Halpin-Tsai micromechanics model. To this end, a shell model is developed based on Donnell's theory. To solve the problem, the analytical Galerkin method is employed together with beam mode shapes as weighting functions. Due to importance of boundary conditions upon mechanical behavior of nanostructures, the analysis is carried out for different boundary conditions. The effects of boundary conditions, semi vertex angle, porosity distribution and graphene platelets on the response of conical shell structures are explored. The correctness of the obtained results is checked via comparing with existing data in the literature and good agreement is eventuated. The effectiveness and the accuracy of the present approach have been demonstrated and it is shown that the Donnell's shell theory is efficient, robust and accurate in terms of nanocomposite problems.
Railroad bridges form an integral part of railway infrastructure throughout the world. To accommodate increased axel loads, train speeds, and greater volumes of freight traffic, in the presence of changing structural conditions, the load carrying capacity and serviceability of existing bridges must be assessed. One way is through system identification of in-service railroad bridges. To dates, numerous researchers have reported system identification studies with a large portion of their applications being highway bridges. Moreover, most of those models are calibrated at global level, while only a few studies applications have used globally and locally calibrated model. To reach the global and local calibration, both ambient vibration tests and controlled tests need to be performed. Thus, an approach for system identification of a railroad bridge that can be used to assess the bridge in global and local sense is needed. This study presents system identification of a railroad bridge using free vibration data. Wireless smart sensors are employed and provided a portable way to collect data that is then used to determine bridge frequencies and mode shapes. Subsequently, a calibrated finite element model of the bridge provides global and local information of the bridge. The ability of the model to simulate local responses is validated by comparing predicted and measured strain in one of the diagonal members of the truss. This research demonstrates the potential of using measured field data to perform model calibration in a simple and practical manner that will lead to better understanding the state of railroad bridges.
When the crossing frequency of a train meets the natural frequency of a railway bridge, the bridge is bound to become resonant. There are few available time response samples involving a train that passes a bridge at high speed. Very effective modal-parameter extraction techniques for such special high-speed railway bridge conditions are introduced in this paper. Utilizing the cross-correlations of the free-vibration responses after the train passes, mode shapes and the temporal modal parameters (e.g., natural frequency and damping ratio) are extracted using the TDD and SI techniques, respectively. This approach has been applied to a two-span steel composite bridge in the Kyung-Bu high-speed railway system. The estimation results were compared with those obtained using the existing methods. The results fully coincide with those that were extracted using the existing aforementioned technique.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.16
no.2
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pp.197-206
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2003
A three-dimensional (3-D) method of analysis is presented for determining the free vibration frequencies and mode shapes of solid and hollow hemispherical shells of revolution of arbitrary wall thickness having arbitrary constraints on their boundaries. Unlike conventional shell theories, which are mathematically two-dimensional (2-D), the present method is based upon the 3-D dynamic equations of elasticity. Displacement components μ/sub Φ/, μ/sub z/, and μ/sub θ/ in the meridional, normal, and circumferential directions, respectively, are taken to be sinusoidal in time, periodic in θ, and algebraic polynomials in the Φ and z directions. Potential (strain) and kinetic energies of the hemispherical shells are formulated, and the Ritz method is used to solve the eigenvalue problem, thus yielding upper bound values of the frequencies obtained by minimizing the frequencies. As the degree of the polynomials is increased, frequencies converge to the exact values. Novel numerical results are presented for solid and hollow hemispheres with linear thickness variation. The effect on frequencies of a small axial conical hole is also discussed. Comparisons are made for the frequencies of completely free, thick hemispherical shells with uniform thickness from the present 3-D Ritz solutions and other 3-D finite element ones.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.3
no.3
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pp.27-37
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1983
A method of dynamic analysis is developed for torsional free vibrations of elliptical-box girder type or stiffening truss system suspension bridge. In this study, the method based on a finite element technique using a digital computer, is illustrated by two numerical examples, the Namhae Bridge which is located in Kyungsang nam-do opened on June, 1973, and the Mt. Chunma Bridge is simple span pedestrian's suspension bridge with lateral bracing system in Mt. Chunma, Kyungki-do, are used. In general, dynamic modes of complex suspension bridges are three-dimensional in form, i.e., coupling between vertical and torsional motions. However, introduced that amplitudes of oscillation are infinitesimal for coincidence with the purpose of it's use, thereupon, the torsional vibration analyses are treated without coupling terms. A sufficient number of natural frequencies and mode shapes for torsional free vibration are presented in this paper. In the case of Mt. Chunma Bridge, the natural frequencies and periods are computed with and without reinforcement, respectively, and compared their discrepancies. The influence of the auxiliary reinforcing cables is prevailing in the first few modes, namely, 1st and 2nd in symmetric and 1st, 2nd and 3rd in antisymmetric vibration, and conspicuous in the symmetric compared with the antisymmetric motion, but in the higher modes, this kind of simple accessory elucidates rether converse effects. In the Namhae Bridge, the results are compared with the Manual's obtained by wind tunnel test. It reveals commendable agreement.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.17
no.2
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pp.119-129
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2004
A three dimensional (3D) method of analysis is presented for determining the free vibration frequencies and mode shapes of thick, circular and annular plates with nonlinear thickness variation along the radial direction. Unlike conventional plate theories, which are mathematically two dimensional (2D), the present method is based upon the 3D dynamic equations of elasticity. Displacement components u/sub s/, u/sub z/, and u/sub θ/ in the radial, thickness, and circumferential directions, respectively, are taken to be sinusoidal in time, periodic in θ, and algebraic polynomials in the s and z directions. Potential (strain) and kinetic energies of the plates are formulated, and the Ritz method is used to solve the eigenvalue problem thus yielding upper bound values of the frequencies by minimizing the frequencies. As the degree of the polynomials is increased, frequencies converge to the exact values. Convergence to four digit exactitude is demonstrated for the first five frequencies of the plates. Numerical results we presented for completely free, annular and circular plates with uniform linear, and quadratic variations in thickness. Comparisons are also made between results obtained from the present 3D and previously published thin plate (2D) data.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.16
no.3
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pp.251-260
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2003
A three dimensional (3-D) method of analysis is presented for determining the free vibration frequencies and mode shapes of deep, tapered rods and beams with circular cross section. Unlike conventional rod and beam theories, which are mathematically one-dimensional (1-D), the present method is based upon the 3-D dynamic equations of elasticity. Displacement components u/sup r/, u/sub θ/ and u/sub z/, in the radial, circumferential, and axial directions, respectively, are taken to be sinusoidal in time, periodic in , and algebraic polynomials in the r and z directions. Potential (strain) and kinetic energies of the rods and beams are formulated, the Ritz method is used to solve the eigenvalue problem, thus yielding upper bound values of the frequencies by minimizing the frequencies. As the degree of the polynomials is increased, frequencies converge to the exact values. Convergence to four-digit exactitude is demonstrated for the first five frequencies of the rods and beams. Novel numerical results are tabulated for nine different tapered rods and beams with linear, quadratic, and cubic variations of radial thickness in the axial direction using the 3D theory. Comparisons are also made with results for linearly tapered beams from 1-D classical Euler-Bernoulli beam theory.
This paper represents the final results of a research program sponsored by the European Commission through project WIND-CHIME ($\underline{W}$ide Range Non-$\underline{IN}$trusive $\underline{D}$evices toward $\underline{C}$onservation of $\underline{HI}$storical Monuments in the $\underline{ME}$diterranean Area), in which the possibility of using advanced seismic protection technologies to preserve historical monuments in the Mediterranean area is investigated. In the current research, the dynamic characteristics of two outstanding Mamluk-Style minarets, which similar minarets were reported to experience extensive damage during Dahshur 1992 earthquake, are investigated. The first minaret is the Qusun minaret (1337 A.D, 736 Hijri Date (H.D)) located in El-Suyuti cemetery on the southern side of the Salah El-Din citadel. The minaret is currently separated from the surrounding building and is directly resting on the ground (no vaults underneath). The total height of the minaret is 40.28 meters with a base rectangular shaft of about 5.42 ${\times}$ 5.20 m. The second minaret is the southern minaret of Al-Sultaniya (1340 A.D, 739 H.D). It is located about 30.0 meters from Qusun minaret, and it is now standing alone but it seems that it used to be attached to a huge unidentified structure. The style of the minaret and its size attribute it to the first half of the fourteenth century. The minaret total height is 36.69 meters and has a 4.48 ${\times}$ 4.48 m rectangular base. Field investigations were conducted to obtain: (a) geometrical description of the minarets, (b) material properties of the minarets' stones, and (c) soil conditions at the minarets' location. Ambient vibration tests were performed to determine the modal parameters of the minarets such as natural frequencies and mode shapes. A $1/16^{th}$ scale model of Qusun minaret was constructed at Cairo University Concrete Research Laboratory and tested under free vibration with and without SMA wire dampers. The contribution of SMA wire dampers to the structural damping coefficient was evaluated under different vertical loads and vibration amplitudes. Experimental results were used along with the field investigation data to develop a realistic 3-D finite element model that can be used for seismic risk evaluation of the minarets. Examining the updated finite element models under different seismic excitations indicated the vulnerability of such structures to earthquakes with medium to high a/v ratio. The use of SMA wire dampers was found feasible for reducing the seismic risk for this type of structures.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.31
no.3
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pp.127-132
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2018
In this paper, a scheme for the evaluation of variability in the eigen-modes of functionally graded material(FGM) beams is proposed within the framework of perturbation-based stochastic analysis. As a random parameter, the spatially varying elastic modulus of FGM along the axial direction at the mid-surface of the beam is chosen, and the thru-thickness variation of the elastic modulus is assumed to follow the original form of exponential variation. In deriving the formulation, the first order Taylor expansion on the eigen-modes is employed. As an example, a simply supported FGM beam having symmetric elastic modulus with respect to the mid-surface is chosen. Monte Carlo analysis is also performed to check if the proposed scheme gives reasonable outcomes. From the analyses it is found that the two schemes give almost identical results of the mean and standard deviation of eigen-modes. With the propose scheme, the standard deviation shape of respective eigen-modes can be evaluated easily. The deviated mode shape is found to have one more zero-slope points than the mother modes shapes, irrespective of order of modes. The amount of deviation from the mean is found to have larger values for the higher modes than the lower modes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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