The paper presents modal testing and analysis in order to obtain the dynamic characteristics of a middle spacer grids of a nuclear fuel rod. A spacer grid is one of the important structural elements supporting nuclear fuel rods. Such a fuel rod can be oscillated by its thermal expansion, neutron irradiation and etc. due to cooling water flow under the operation of a nuclear power plant. When the fuel rod vibrates, fretting wear due to repeated friction motion between the fuel rods and spacer grids can be occurred, and so the fuel rod is damaged. In this paper, through modal analysis and testing, natural frequencies and modes of a middle spacer grid were calculated, and the following conclusions were obtained. Firstly the numerical first-seven natural frequencies for spacer grids of a fuel rod having complicated structures have a small difference within 3.8% with experimental natural frequencies, and so the suitability of simulation results was verified. Secondly, experimental mode shapes for a middle spacer grid of a nuclear fuel rod were verified by obtaining lower non-diagonal terms through MAC(Modal Assurance Criteria), and were confirmed by the simulation modes.
Seismic design codes permit the use of Equivalent Static Analysis of buildings considering torsional eccentricity e with dynamic amplification factors on structural eccentricity and some accidental eccentricity. Estimation of e in buildings is not addressed in codes. This paper presents a simple approximate method to estimate e in RC Moment Frame and RC Structural Wall buildings, which required no detailed structural analysis. The method is validated by 3D analysis (using commercial structural analysis software) of a spectrum of building. Results show that dynamic amplification factor should be applied on torsional eccentricity when performing Response Spectrum Analysis also. Also, irregular or mixed modes of oscillation arise in torsionally unsymmetrical buildings owing to poor geometric distribution of mass and stiffness in plan, which is captured by the mass participation ratio. These irregular modes can be avoided in buildings of any plan geometry by limiting the two critical parameters (normalised torsional eccentricity e/B and Natural Period Ratio 𝜏 =T𝜃/T, where B is building lateral dimension, T𝜃 uncoupled torsional natural period and T uncoupled translational natural period). Suggestions are made for new building code provisions.
The quality of vibration pattern reproduction of elastic structures by the modal expansion method is influenced by the modal expansion method and the sensor placement as well as the accuracy of measured natural modes and the total number of vibration sensors. In this context, this paper presents an improved numerical method for reproducing the vibration patterns by introducing a block-wise modal expansion method (BMEM), together with the genetic algorithm (GA). For a given number of vibration sensors, the sensor positions are determined by an evolutionary optimization using GA and the modal assurance criterion (MAC). Meanwhile, for the proposed block-wise modal expansion, a whole frequency range of interest is divided into several overlapped frequency blocks and the vibration field reproduction is made block by block with different natural modes and different modal participation factors. A hollow cylindrical tank is taken to illustrate the proposed improved modal expansion method. Through the numerical experiments, the proposed method is compared with several conventional methods to justify that the proposed method provides the improved results.
In earthquake engineering area, the critical excitation method is an approach to find the most severe earthquake subjected to the structure. However, given some earthquake constraints, such as intensity and power, the critical excitations have spectral density functions that often resonate with the first modes of the structure. This paper presents a non-stationary critical excitation that is capable of exciting the main modes of the structure using a non-uniform power spectral density (PSD) that is similar to natural earthquakes. Thus, this paper proposes a new method to estimate the power and intensity of earthquakes. Finally, a new method for the linear seismic design of structures using a modified non-stationary critical excitation is proposed.
The optimal design of multiple tuned mass dampers (multiple TMD's) to suppress multi-mode structural response of beams and floor structures was investigated. A new method using a numerical optimizer, which can effectively handle a large number of design variables, was employed to search for both optimal placement and tuning of TMD's for these structures under wide-band loading. The first design problem considered was vibration control of a simple beam using 10 TMD's. The results confirmed that for structures with widelyspaced natural frequencies, multiple TMD's can be adequately designed by treating each structural vibration mode as an equivalent SDOF system. Next, the control of a beam structure with two closely-spaced natural frequencies was investigated. The results showed that the most effective multiple TMD's have their natural frequencies distributed over a range covering the two controlled structural frequencies and have low damping ratios. Moreover, a single TMD can also be made effective in controlling two modes with closely spaced frequencies by a newly identified control mechanism, but the effectiveness can be greatly impaired when the loading position changes. Finally, a realistic problem of a large floor structure with 5 closely spaced frequencies was presented. The acceleration responses at 5 positions on the floor excited by 3 wide-band forces were simultaneously suppressed using 10 TMD's. The obtained multiple TMD's were shown to be very effective and robust.
A new perturbation method is introduced to study the undamped free vibration of a non-prismatic Timoshenko beam for its natural frequencies and vibration modes. For simplicity, the natural modes of vibration of its corresponding prismatic Euler-Bernoulli beam with the same length and boundary conditions are used as Ritz base functions with necessary modifications to account for shear strain in the Timoshenko beam. The new method can transform two coupled partial differential equations governing the transverse vibration of the non-prismatic Timoshenko beam into a set of nonlinear algebraic equations. It significantly simplifies the solution process and is applicable to non-prismatic beams with various boundary conditions. Three examples indicated that the new method is more accurate than the previous perturbation methods. It successfully takes into account the effect of shear deformation of Timoshenko beams particularly at the free end of cantilever structures.
This paper describes the dynamic characteristics of the joint structures in case of using the simplified beam model in the F. E. analysis. The modeling errors, when replace the shell with the beam, are investigated through F. E. normal modes analysis. Normal mode analysis were performed to obtain the natural frequencies of the L and T shaped joints with various type of channels. The results were analyzed to access the effects of the models on the accuracy of F.E. analysis by identifying the geometric factors which cause the error. The geometric factors considered are joint angle, channel length, thickness and area ratio of the hollow section to the filled one. The joint stiffness evaluation technique is developed in this study using normal modes analysis with Lumped Mass. With this method, the progressively improved results of F. E. analysis are obtained using the simplified beam model. The static and normal modes analysis are performed with the joint stiffness values obtained by the Kazunori Shimonkakis' virtual stiffness method and the proposed method and these simplified modeling errors are compared.
임의의 단면과 지점을 갖고 임의의 하중을 받는 보나 탑의 진동해석 방법이 발표된 바가 있다. 이러한 진동해석을 위하여 처짐의 영향을 고려한 다양한 방법이 검토되었다. 본 연구에서 얻은 결과를 보 이론과 비교하였다. 이러한 목적으로 본 논문에서는 유한차분법을 사용하였다. 고유진동수에 대한 $D_{22}$ 탄성계수의 영향을 철저히 검토하였다. 본 논문에서는 구조부재의 고유진동수와 적용 하중의 크기에 대한 관련성을 연구하였으며 그 결과를 제시하였다. 본 논문에서는 특별직교이방성 판이론 이용하여 강교량과 철근콘크리트 슬래브 교량에 적용하여 을 해석하였으며 그 결과를 제시하였다.
The coupled free vibration of flexible structures and on-board liquid in zero gravity space was analyzed, considering the spacecraft main body as a rigid mass, the flexible appendages as two elastic beams, and the on-board liquid as a "spring-mass" system. Using the Lagrangians of a rigid mass (spacecraft main body), "spring-mass" (liquid), and two beams (flexible appendages), as well as assuming symmetric motion of the system, we obtained the frequency equations of the coupled system by applying Rayleigh-Ritz method. Solving these frequency equations, which are governed by three system parameters, as an eigenvalue problem, we obtained the coupled natural frequencies and vibration modes. We define the parameter for evaluating the magnitudes of coupled motions of the added mass (liquid) and beam (appendages). It was found that when varying one system parameter, the frequency curves veer, vibration modes exchange, and the significant coupling occurs not in the region closest to the two frequency curves but in the two regions separate from that region.
The paper is concerned with the elasto-plastic and geometrically nonlinear analysis of shell structures using an improved degenerated shell element. In the formulation of the improved degenerated shell element, an enhanced interpolation of transverse shear strains in the natural coordinate system is used to overcome the shear locking problems; the reduced integration technique in in-plane strains is applied to avoid membrane locking behavior; selective addition the nonconforming displacement modes improve the element performances. This element is free of serious locking problems and undesirable compatible or commutable spurious kinematic deformation modes and passes the patch tests. An incremental total Lagrangian formulation is presented which allows the calculation of arbitrarily large displacements and rotations. The resulting nonlinear equations are solved by the Newton-Raphson solution scheme. The versatility and accuracy of this improved degenerated shell element are demonstrated by solving several numerical examples.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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