Shah, Mati Ullah;Usman, Muhammad;Kim, In-Ho;Dawood, Sania
Structural Engineering and Mechanics
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v.83
no.5
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pp.655-669
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2022
Passive vibration control devices like tuned liquid column dampers (TLCD) not only significantly reduce buildings' vibrations but also can serve as a water storage facility. The recently introduced modified form of TLCD known as tuned liquid column ball damper (TLCBD) suppressed external vibration efficiently compared to traditional TLCD. For excellent performance, the mass ratio of TLCBD should be in the range of 5% to 7%, which does not include the mass of the ball. This additional mass of the ball increases the overall structure mass. Therefore, in this paper, an effort is made to reduce the mass of TLCBD. For this purpose, a new modified version of TLCBD known as tuned liquid column hollow ball damper (TLCHBD) is proposed. The existing mathematical modeling of TLCBD is used for this new damper by updating the numerical values of the mass and mass moment of the ball. Analytically the optimal design parameters are obtained. Numerically the TLCHBD is investigated with a single degree of freedom structure under harmonic and seismic loadings. It is found that TLCHBD performance is similar to TLCBD in both loadings' cases. To validate the numerical results, an experimental study is conducted. The mass of the ball of TLCHBD is reduced by 50% compared to the ball of TLCBD. Both the arrangements are studied with a multi-degree of freedom structure under harmonic and seismic loadings using a shake table. The results of the experimental study confirm the numerical findings. It is found that the performance behavior of both the dampers is almost similar under harmonic and seismic loadings. In short, the TLCHBD is lighter in weight than TLCBD but has a similar vibration suppression ability.
Base isolation is one of the most widely implemented and well-known technique to reduce structural vibration and damages during an earthquake. However, while the base-isolated structure reduces storey drift significantly, it also increases the base drifts causing many practical problems. This study proposes the use of Shape Memory Alloys (SMA) wires for the reduction in base drift while controlling the overall structure vibrations. A multi-degree-of-freedom (MDOF) structure along with base isolators and Shape-Memory-Alloys (SMA) wires in diagonal is tested experimentally and analytically. The isolation bearing considered in this study consists of laminates of steel and silicon rubber. The performance of the proposed structure is evaluated and studied under different loadings including harmonic loading and seismic excitation. To assess the seismic performance of the proposed structure, shake table tests are conducted on base-isolated MDOF frame structure incorporating SMA wires, which is subjected to incremental harmonic and historic seismic loadings. Root mean square acceleration, displacement and drift are analyzed and discussed in detail for each story. To better understand the structure response, the percentage reduction of displacement is also determined for each story. The result shows that the reduction in the response of the proposed structure is much better than conventional base-isolated structure.
Rotating systems concern with torsional vibration, and it should be considered in vibration analysis. To do this, the time-dependent torsional vibrations in a single-walled carbon nanotube (SWCNT) under the linear and harmonic external torque, are investigated in this paper. Eringen's nonlocal elasticity theory is considered to demonstrate the nonlocality and constitutive relations. Hamilton's principle is established to derive the governing equation of motion and consequently related boundary conditions. An analytical method, called the Galerkin method, is utilized to discretize the driven differential equations. Linear and harmonic torsional loads, along with determined amplitude, are applied to the SWCNT as the external torques. SWCNT is considered under the clamped-clamped end supports. In free vibration, analysis of small scale effect reveals the capability of natural frequencies in different modes, and this results desirably are in coincidence with another study. The forced torsional vibration in the time domain, especially for carbon nanotubes, has not been done before in the previous works. The previous forced studies were devoted to the transverse vibrations. It should be emphasized that the dynamical analysis of torsion is novel, workable, and at the beginning of the path. The variations of nonlocal parameter, CNT's thickness, and the influence of excitation frequency on time-dependent angular displacement and nondimensional angular displacement are investigated in the context.
This study aims at numerically and experimentally investigating torsional guided wave mixing with weak material nonlinearity under acoustoelastic effect in tubular structures. The acoustoelastic effect on single central frequency guided wave propagation in structures has been well-established. However, the acoustoelastic on guided wave mixing has not been fully explored. This study employs a three-dimensional (3D) finite element (FE) model to simulate the effect of stress on guided wave mixing in tubular structures. The nonlinear strain energy function and theory of incremental deformation are implemented in the 3D FE model to simulate the guided wave mixing with weak material nonlinearity under acoustoelastic effect. Experiments are carried out to measure the nonlinear features, such as combinational harmonics and second harmonics in related to different levels of applied stresses. The experimental results are compared with the 3D FE simulation. The results show that the generation combinational harmonic at sum frequency provides valuable stress information for tubular structures, and also useful for damage diagnosis. The findings of this study provide physical insights into the effect of applied stresses on the combinational harmonic generation due to wave mixing. The results are important for applying the guided wave mixing for in-situ monitoring of structures, which are subjected to different levels of loadings under operational condition.
The non-linear static and dynamic response of doubly curved thin isotropic shells has been studied for the step and sinusoidal loadings. Dynamic analogues Von Karman-Donnel type shell equations are used. Clamped immovable and simply supported immovable boundary conditions are considered. The governing nonlinear partial differential equations of the shell are discretized in space and time domains using the harmonic differential quadrature (HDQ) and finite differences (FD) methods, respectively. The accuracy of the proposed HDQ-FD coupled methodology is demonstrated by the numerical examples. Numerical examples demonstrate the satisfactory accuracy, efficiency and versatility of the presented approach.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.7
no.2
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pp.1-7
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2003
Mode superposition method(MSM) is the most commonly used for solving linear response problems of structural dynamics. The major advantage of MSM is that usually a small number of lower mode is sufficient to analysis the response. However, the convergence is slow and many modes would be needed to give an accurate MSM in large structure with many degrees of freedom. The inaccuracies of MSM are caused by mode truncation in the solution. These demerits can be overcome by use of the mode acceleration method(MAM). Example analyses are carried out in simple beam subjected to harmonic loadings and compared the convergence of the joint displacements by the two methods. For relatively low frequency loadings, a good results was obtained by the lowest one mode in MAM, so the method is more economic in numerical analysis on an accurate solution.
Katkhuda, Hasan N.;Dwairi, Hazim M.;Shatarat, Nasim
Structural Engineering and Mechanics
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v.34
no.3
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pp.351-366
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2010
A novel system identification and structural health assessment procedure of steel framed structures with semi-rigid connections is presented in this paper. It is capable of detecting damages at the local element level under normal operating conditions; i.e., serviceability limit state. The procedure is a linear time-domain system identification technique in which the structure responses are required, whereas the dynamic excitation force is not required to identify the structural parameters. The procedure tracks changes in the stiffness properties of all the elements in a structure. It can identify damage-free and damaged structural elements very accurately when excited by different types of dynamic loadings. The method is elaborated with the help of several numerical examples. The results indicate that the proposed algorithm identified the structures correctly and detected the pre-imposed damages in the frames when excited by earthquake, impact, and harmonic loadings. The algorithm can potentially be used for structural health assessment and monitoring of existing structures with minimum disruption of operations. Since the procedure requires only a few time points of response information, it is expected to be economic and efficient.
This paper presents the semi-analytical development of the dynamic instability behavior and the dynamic response of functionally graded (FG) cylindrical shallow shell panel subjected to different type of periodic axial compression. First, in prebuckling analysis, the stresses distribution within the panels are determined for respective loading type and these stresses are used to study the dynamic instability behavior and the dynamic response. The prebuckling stresses within the shell panel are the same as applied in-plane edge loading for the case of uniform and linearly varying loadings. However, this is not true for the case of parabolic loadings. The parabolic edge loading produces all the stresses (${\sigma}_{xx}$, ${\sigma}_{yy}$ and ${\tau}_{xy}$) within the FG cylindrical panel. These stresses are evaluated by minimizing the membrane energy via Ritz method. Using these stresses the partial differential equations of FG cylindrical panel are formulated by applying Hamilton's principal assuming higher order shear deformation theory (HSDT) and von-$K{\acute{a}}rm{\acute{a}}n$ non-linearity. The non-linear governing partial differential equations are converted into a set of Mathieu-Hill equations via Galerkin's method. Bolotin method is adopted to trace the boundaries of instability regions. The linear and non-linear dynamic responses in stable and unstable region are plotted to know the characteristics of instability regions of FG cylindrical panel. Moreover, the non-linear frequency-amplitude responses are obtained using Incremental Harmonic Balance (IHB) method.
Chang, Seongkyu;Kim, Dookie;Raman, Mohammad Sabbir;Kim, Hyung Seong
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.20
no.5
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pp.295-300
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2016
In this study, Stockbridge damper was adopted to reduce the reponses of structures under earthquakes. A finite element analysis software, SAP2000, was used to simulate the structural response and the control device under dynamic loads. A 3 story frame model and the proposed control device, Stockbridge damper, were designed under laboratory conditions. In this research, a pendulum type tuned mass damper (PTMD) was also adopted in order to compare with the Stockbridge damper. Harmonic loads were applied to verity the control performance of both control devices in each mode. In results, it has been found that the Stockbirdge damper decreases significantly the responses of the structure more than the PTMD under the harmonic loadings. The El Centro and Northridge earthquakes were also applied in order to investigate the performance by both control devices. The responses of the building demonstrate that the Stockbridge damper reduces the response of the building structure during earthquakes more effectively than the PTMD.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.33
no.1
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pp.1-6
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2013
Ultrasonic guided wave techniques have been widely used for long range nondestructive detection in tube-like structures. The present paper investigates the ultrasonic linear and nonlinear parameters for evaluating the thermal damage in aluminum pipe. Specimens were subjected to thermal loading. Flexible polyvinylidene fluoride (PVDF) comb transducers were used to generate and receive the ultrasonic waves. The second harmonic wave generation technique was used to check the material nonlinearity change after different heat loadings. The conventional linear ultrasonic approach based on attenuation was also used to evaluate the thermal damages in specimens. The results show that the proposed experimental setup is viable to assess the thermal damage in an aluminum pipe. The ultrasonic nonlinear parameter is a promising candidate for the prediction of micro-damages in a tube-like structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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