The dynamic characterization is important in making accurate predictions of the seismic response of the hybrid structures dominated by different damping mechanisms. Different damping characteristics arise from the construction of the tower with different materials: steel for the upper part; reinforced concrete for the lower main part and interaction with supporting soil. The process of modeling damping matrices and experimental verification is challenging because damping cannot be determined via static tests as can mass and stiffness. The assumption of classical damping is not appropriate if the system to be analyzed consists of two or more parts with significantly different levels of damping, such as steel/concrete mixed structure - supporting soil coupled system. The dynamic response of structures is critically determined by the damping mechanisms, and its value is very important for the design and analysis of vibrating structures. An analytical approach capable of evaluating the equivalent modal damping ratio from structural components is desirable for improving seismic design. Two approaches are considered to define and investigate dynamic characteristics of hybrid tower of cable-stayed bridges: The first approach makes use of a simplified approximation of two lumped masses to investigate the structure irregularity effects including damping of different material, mass ratio, frequency ratio on dynamic characteristics and modal damping; the second approach employs a detailed numerical step-by step integration procedure in which the damping matrices of the upper and the lower substructures are modeled with the Rayleigh damping formulation.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.11
no.3
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pp.135-140
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1999
To simulate the wave transformation by an energy dissipation region, a numerical model is suggested by discretizing the elliptic mild-slope equation. Generalized conjugate gradient method is used as solution algorithm to apply parabolic approximation to open boundary condition. To demonstrate the applicabil-ity of the numerical procedure suggested, the wave scattering by a circular damping region is examined. The feature of reflection in front of the damping region is captured clearly by the numerical solution. The effect of the size of dissipation coefficient is examined for a rectangular damping region. The recovery of wave height by diffraction occurs very slowly with distance behind the damping region.
In ocean industry, free surface type ART (Anti Roll tank) system has been widely used to suppress the roll motion of floating structures. In those, various obstacles have been devised to obtain the sufficient damping and to enhance the controllability of freely rushing water inside the tank. Most of previous researches have paid on the development of simple mathematical formula for coupled ship-ARTs analysis although other numerical and experimental approaches exist. Little attention has been focused on the use of 3D panel method for preliminary design of free surface type ART despite its advantages in computational time and general capacity for hydrodynamic damping estimation. This study aims at developing a potential theory based hydrodynamic code for the analysis of floating structure with baffled ARTs. The sloshing in baffled tanks is modeled through the linear potential theory with FE discretization and it coupled with hydrodynamic equations of floating structures discretized by BEM and FEM, resulting in direct coupled FE-BE formulation. The general capacity of proposed formulation is emphasized through the coupled hydrodynamic analysis of floating structure and sloshing inside baffled ARTs. In addition, the numerical methods for natural sloshing frequency tuning and estimation of hydrodynamic damping ratio of liquid sloshing in baffled tanks undergoing wave exiting loads are developed through the proposed formulation. In numerical examples, effects of natural frequency tuning and baffle ratios on the maximum and significant roll motions are investigated.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.13
no.1
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pp.260-277
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2021
The appropriate radiation conditions of ship motion problem with advancing speed in frequency domain are investigated from a theoretical and practical point of view. From extensive numerical experiments that have been conducted for evaluation of the relevant radiation conditions, a hybrid radiation technique is proposed in which the Sommerfeld radiation condition and the free surface damping are mixed. Based on the comparison with the results of the translating and pulsating Green function method, the optimal damping factor of the hybrid radiation technique is selected, and the observed limitations of the proposed hybrid radiation technique are discussed, along with its accuracy obtained from the numerical solutions. Comparative studies of the forward-speed seakeeping prediction methods available confirm that the results of applying the hybrid radiation technique are relatively similar to those obtained from the translating and pulsating Green function method. This confirmation is made in comparisons with the results of solely applying either the free surface damping, or the Sommerfeld radiation condition. By applying the proposed hybrid radiation technique, the wave patterns, hydrodynamic coefficients, and motion responses of the Wigley III hull are finally calculated, and compared with those of model tests. It is found that, in comparison with the model test results, the three-dimensional Rankine source method adopting the proposed hybrid radiation technique is more robust in terms of accuracy and numerical stability, as well as in obtaining the forward speed seakeeping solution.
The vertical center of gravity (VCG) has a significant impact on the roll motion response of a surface ship, particularly oil tankers based on the oil level in the tanker after discharging oil at several stations or positional changes, such as changes in the superstructure and deck structure. This study examined the motion response of the Korea very large crude carrier 2 (KVLCC2) at various VCGs, especially roll motion when the VCG changed. The potential theory in the Ansys AQWA program was used as a numerical simulation method to calculate the motion response. On the other hand, the calculations obtained through potential theory overestimated the roll amplitudes during resonance and lacked precision. Therefore, roll damping is a necessary parameter that accounts for the viscosity effect by performing an experimental roll decay. The roll decay test estimated the roll damping coefficients for various VCGs using Froude's method. The motion response of the ship in regular waves was evaluated for various VCGs using the estimated roll-damping coefficients. In addition, the reliability of the numerical simulation in motion response was verified with those of the experiment method reported elsewhere. The simulation results showed that the responses of the surge, sway, heave, pitch, and yaw motion were not affected by changing the VCG, but the natural frequency and magnitude of the peak value of the roll motion response varied with the VCG.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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1996.10a
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pp.224-230
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1996
In the mechanical systems with large damping, the conventional SDM method developed for no damping systems will lead to an error solution. Here, we introduce a SDM method based on the experimental modal model for large damping systems. The sensitivities of natural frequencies and mode shapes with respect to mass, damping, and stiffness coefficients of structures are used to calculate the position and quantity of modification, and predict the new dynamic characteristics. Through numerical simulation and experiment, the effectiveness of the proposed method is tested.
Damping as a material property plays an important role in decreasing dynamic response of structures. However, very little is known about the evaluation and application of the actual damping of Fiber Reinforced Polymer Confined Reinforced Concrete (FRP-C RC) material which is widely adopted in civil engineering at present. This paper first proposes a stress-dependent damping model for FRP-C RC material using a validated Finite Element Model (FEM), then based on this damping-stress relation, an iterative scheme is developed for the computations of the non-linear damping and dynamic response of FRP-C RC columns at any given harmonic exciting frequency. Numerical results show that at resonance, a considerable increase of the loss factor of the FRP-C RC columns effectively reduces the dynamic response of the columns, and the columns with lower concrete strength, FRP volume ratio and axial compression ratio or higher longitudinal reinforcement ratio have stronger damping values, and can relatively reduce the resonant response.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.20
no.7_spc
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pp.503-508
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2016
In this study, effectiveness of seismic retrofitting methods using passive damping devices was investigated through numerical analyses of short-period structures under earthquakes which have short-duration and high-frequency impulse characteristics similar to Geyongju earthquakes. Displacement spectra of elastic systems and ductility demand of inelastic systems were evaluated by increasing viscous or friction damping. The damping devices could reduce responses of the structures with shorter structural period than 0.2s. The earthquakes similar to impulse load did not induce the responses of the structures with longer period than 0.4s, and the effects of the damping devices which generates damping forces proportional to structural responses became insignificant.
In this paper, the energy-based plastic-damage model previously proposed by the authors [International Journal of Solids and Structures, 43(3-4): 583-612] is first simplified with an empirically defined evolution law for the irreversible strains, and then it is extended to its rate-dependent version to account for the strain rate effect. Regarding the energy dissipation by the motion of the structure under dynamic loadings, within the framework of continuum damage mechanics a new damping model is proposed and incorporated into the developed rate-dependent plastic-damage mode, leading to a unified constitutive model which is capable of directly considering the damping on the material scale. Pertinent computational aspects concerning the numerical implementation and the algorithmic consistent modulus for the unified model are also discussed in details, through which the dynamic nonlinear analysis of damping structures can be coped with by the same procedures as those without damping. The proposed unified plastic-damage model is verfied by the simulations of concrete specimens under different quasistatic and high rate straining loading conditions, and is then applied to the Koyna dam under earthquake motions. The numerical predictions agree fairly well with the results obtained from experimental tests and/or reported by other investigators, demonstrating its capability for reproducing most of the typical nonlinear performances of concrete under quasi-static and dynamic loading conditions.
Explicit design formulae of liquid column vibration absorber (LCVA) for suppressing harmonic vibration of structures with small inherent structural damping are developed in this study. The developed design formulae are also applicable to the design of a tuned mass damper (TMD) and a tuned liquid column damper (TLCD) for damped structures under harmonic force excitation. The optimum parameters of LCVA for suppressing harmonic vibration of undamped structures are first derived. Numerical searching of the optimum parameters of tuned vibration absorber system for suppressing harmonic vibration of damped structure is conducted. Explicit formulae for these optimum parameters are then obtained by a series of curve fitting techniques. The analytical result shows that the control performance of TLCD for reducing harmonic vibration of undamped structure is always better than that of non-uniform LCVA for same mass and length ratios. As for the effects of structural damping on the optimum parameters, it is found that the optimum tuning ratio decreases and the optimum damping ratio increases as the structural damping is increased. Furthermore, the optimum head loss coefficient is inversely proportional to the amplitude of excitation force and increases as the structural damping is increased. Numerical verification of the developed explicit design expressions is also conducted and the developed expressions are demonstrated to be reasonably accurate for design purposes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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