Farag, Mousa M.N.;Mehanny, Sameh S.F.;Bakhoum, Mourad M.
Earthquakes and Structures
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v.9
no.1
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pp.195-219
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2015
A partial (hybrid) seismic isolation scheme for precast girder bridges in the form of a "buffer-gap-elastomeric bearings" system has been endorsed in the literature as an efficient seismic design system. However, no guides exist to detail an optimal gap size for different configurations. A numerical study is established herein for different scenarios according to Euro code seismic requirements in order to develop guidelines for the selection of optimal buffer-gap arrangements for various design cases. Various schemes are hence designed for ductile and limited ductility behavior of the bridge piers for different seismic demand levels. Seven real ground records are selected to perform incremental dynamic analysis of the bridges up to failure. Bridges with typical short and high piers are studied; and different values of initial gaps at piers are also investigated varying from a zero gap (i.e., fully locked) condition up to an initial gap at piers that is three quarters the gap left at abutments. Among the main conclusions is that the as-built initial gaps at piers (and especially large gap sizes that are ${\geq}1/2$ as-built gaps at abutments) do not practically reduce the seismic design demand and do not affect the reserve capacity of the bridge against failure for bridges featuring long piers, especially when these bridges are designed a priori for ductile behavior. To the contrary, the "buffer-gap-elastomeric bearings" system is more effective for the bridge schemes with short piers having a large difference between the stiffness of the bearings and that of their supporting (much stiffer) squat piers, particularly for designs with limited ductility. Such effectiveness is even amplified for the case of larger initial as-built gap sizes at piers.
Seismic isolation and vibration control techniques have been developed and put into practical use by challenging researchers and engineers worldwide since the latter half of the 20th century, and after more than 40 years, they are now used in thousands of buildings, private residences, highways in many seismic areas in the world. Seismic isolation and vibration control structures can keep the structures undamaged even in a major earthquake and realize continuous occupancy. This performance has come to be recognized not only by engineers but also by ordinary people, becoming indispensable for the formation of a resilient society. However, the dynamic characteristics of seismically isolated bearings, the key elements, are highly dependent on the size effect and rate-of-loading, especially under extreme loading conditions. Therefore, confirming the actual properties and performance of these bearings with full-scale specimens under prescribed dynamic loading protocols is essential. The number of testing facilities with such capacity is still limited and even though the existing labs in the US, China, Taiwan, Italy, etc. are conducting these tests, their dynamic loading test setups are subjected to friction generated by the large vertical loads and inertial force of the heavy table which affect the accuracy of measured forces. To solve this problem, the authors have proposed a direct reaction force measuring system that can eliminate the effects of friction and inertia forces, and a seismic isolation testing facility with the proposed system (E-isolation) will be completed on March 2023 in Japan. This test facility is designed to conduct not only dynamic loading tests of seismic isolation bearings and dampers but also to perform hybrid simulations of seismically isolated structures. In this paper, design details and the realization of this system into an actual dynamic testing facility are presented and the outcomes are discussed.
Park, Kyu-Sik;Jung, Hyung-Jo;Choi, Kang-Min;Lee, Jong-Heon;Lee, In-Won
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2004.11a
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pp.574-577
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2004
This paper presents a hybrid system combining lead rubber bearings and hydraulic actuators controlled by a $\mu-synthesis$ method for seismic response control of a cable-stayed bridge. A hybrid system could alleviate some of restrictions and limitations that exist when each system is acting alone because multiple control devices are operating. Therefore, the overall control performance of a hybrid system may be improved compared to each system, however the overall system robustness may be negatively impacted by active device in the hybrid system or active controller may cause instability due to small margins. Therefore, a $\mu-synthesis$ method that guarantees the robust performance is considered to enhance the possibility of real applications of the control system. The performances of the proposed control system are compared with those of passive, active, semiactive control systems and hybrid system controlled by a LQG algorithm. Furthermore, an extensive robust analysis with respect to stiffness and mass matrices perturbation and time delay of actuator is performed. Numerical simulation results show that the performances of the proposed control system are superior to those of passive system and slightly better than those of active and semiactive systems and two hybrid systems show similar control performances. Furthermore, the hybrid system controlled by a f-synthesis method shows the good robustness without loss of control performances. Therefore, the proposed control system could effectively be used to seismically excited cable-stayed bridge which contains many uncertainties.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2002.11a
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pp.400.1-400
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2002
This paper presents an optimum design of rotor-bearing system using a hybrid method to compute the solutions of optimization problem. The present hybrid algorithm, namely Enhanced Artificial Life Algorithm(EALA), is a synthesis of an artificial life algorithm(ALA) and the random tabu search(R-tabu) method. We applied EALA to the optimum design of rotor-shaft system supported by the floating ring journal bearings. (omitted)
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.17
no.10
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pp.967-975
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2007
A rotordynamic analysis was performed with a dry vacuum pump, which is a major equipment in modern semiconductor and LCD manufacturing processes. The system is composed of screw rotors, lobes picking air, helical gears, driving motor, and support rolling element bearings of rotors and motor. The driving motor-screw rotor system has a rated speed of 6,300 rpm, and was modeled utilizing a rotordynamic FE method for analysis, which was verified through 3-D FE analysis and experimental modal analysis. As loadings on the bearings due to the gear action were significant in the system considered, each resultant bearing load was calculated by considering the generalized forces of the gear action as well as the rotor itself. Each resultant bearing loading was used in calculating each stiffness of rolling element bearings. Design goals are to achieve wide separation margins of lateral and torsional critical speeds, and favorable unbalance responses of the rotor in the operating range. Then, a complex rotordynamic analysis of the system was carried out to evaluate its forward synchronous critical speeds, whirl natural frequencies and mode shapes, unbalance responses under various unbalance locations, and torsional interference diagram. Results show that the entire system is well designed in the operating range. In addition, the procedure of rotordynamic analysis for dry vacuum pump rotor-bearing system was proposed and established.
Kim, Myung-Hun;Han, Hun-Hee;Kim, Jae-Hyuk;Kim, Seong-Jong;Ha, Seong-Gyu
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2005.11a
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pp.169-172
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2005
A flywheel system is an electromechanical energy storage device that stores energy by rotating a rotor. The rotating part, supported by magnetic bearings, consists of the metallic shaft, composite rims of fiber-reinforced materials, and a hub that connects the rotor to the shaft. The delamination in the fiber wound composite rotor often lowered the performance of the flywheel energy storage system. In this work, an advanced hybrid composite rotor with a split hub was designed to both overcome the delamination problem in composite rim and prevent separation between composite rim and metallic shaft within all range of rotational speed. It was analyzed using a three-dimensional finite clement method. In order to demonstrate the predominant perfom1ance of the hybrid composite rotor with a split hub, a high spin test was performed up to 40,000 rpm. Four radial strains and another four circumferential strains were measured using a wireless telemetry system. These measured strains were in excellent agreement with the FE analysis. Most importantly, the radial strains were reduced using the hybrid composite rotor with a split hub, and all of them were compressive. As a conclusion, a compressive pressure on the inner surface of the proposed flywheel rotor was achieved, and it can lower the radial stresses within the composite rotor, enhancing the performance of the flywheel rotor.
A 500Wh class high-speed Flywheel Energy Storage System (FESS) driven by a built-in BLDC motor/generator has been designed, which runs from 30000 to 60000rpm nominally. Due to the motor/generator inside, the flywheel rotor made of composites supported by PM/EM hybrid bearing system has a shape of bell or pendulum and thus requires accurate rotordynamic analysis and prediction of its dynamic behavior to secure the operating reliability. Rotordynamic analyses of the flywheel rotor-bearing system revealed that the bell shaped rotor has two conical rigid-body modes in the system operating range and the first conical mode, of which nodal point lies in the radial EM bearing position, can adversely affect the dynamic response of the rotor at the corresponding critical speed. To eliminate the possibility of wild behavior of the rotor, two guide bearings are adopted at the upper end of the rotor and motor/generator. It was also revealed that the EM bearing stiffness if 0.5~1.0E+6 N/m and damping of 2000 Ns/m are favirable for smooth operation of the system around the 2nd critical speed.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.6
no.4
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pp.51-63
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2002
This paper presents a hybrid control strategy for seismic protection of a benchmark cable-stayed bridge, which is provided as a testbed structure for the development of strategies for the control of cable-stayed bridges. This benchmark problem considers the cable-stayed bridge that is scheduled for completion in Cape Girardeau, Missouri, USA in 2003. Seismic considerations were strongly considered in the design of this bridge due to the location of the bridge in the New Madrid seismic zone and its critical role as a principal crossing of the Mississippi river. Based on detailed drawings of this cable-stayed bridge, a three-dimensional linearlized evaluation model has been developed to represent the complex behavior of the bridge. A set of eighteen evaluation criteria has been developed to evaluate the capabilities of each control strategy. In this study, a hybrid control system is composed of a passive control system to reduce the earthquake-induced forces in the structure and an active control system to further reduce the bridge responses, especially deck displacements. Conventional base isolation devices such as lead rubber bearings are used for the passive control design and Bouc-Wen model is used to simulate the nonlinear behavior of these devices For the active control design, ideal hydraulic actuators are used and on $H_2$/LQG control algorithm is adopted. Numerical simulation results show that the performance of the proposed hybrid control strategy is quite effective compared to that of the passive control strategy and slightly better than that of the active control strategy. The hybrid control method is also more reliable than the fully active control method due to the passive control part. Therefore, the proposed hybrid control strategy can effectively be used to seismically excited cable-stayed bridges.
Hybrid finite element analysis was used to analyze the influence of bearing stiffness on the static properties of a planetary gear system with manufacturing errors. The effects of changes in stiffness were similar for most of the manufacturing errors. State variables were most affected by the stiffness of the planet ,bearings. Floating either the sun or carrier helps to equal load sharing and minimizes the critical tooth stress. The effects of a floating sun and carrier are similar, but it is not recommended that both float, because this can induce greater critical tooth stress. Planet bearing stiffness should be optimized. Both load sharing and critical tooth stress should be considered to determine optimal bearing stiffness.
Seo, Jung-Hyun;Lee, Jin-Woo;Cho, Hyun-Cheol;Lee, Kwon-Soon
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.56
no.4
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pp.777-783
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2007
In this paper, we present a novel control approach for linear motor-based transfer systems in which friction reduction and enhancement of control performance are considered. In general, in such systems friction effects from rails and wheels, and internal bearings complicate control scheme since in particularly its dynamics are arbitrarily changed due to mass variation, detent force of motor systems, and gaps among stators. Our control approach is achieved to reduce this undesired friction dynamics using fuzzy system. We construct hybrid control approach for this control system which Is composed of a nominal control and a vertical control against friction. Fuzzy parameter vector is optimally determined from iterative simulation experiments. We demonstrate its superiority via numerical simulations comparing with a traditional control method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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