For evaluation of rotational accuracy performance of high speed machine tool spindle system, the characteristics of main spindle and tool motion behavior are presented by means of three point accuracy testing method. The results of experiments and analyses are as follows: (1) The high speed spindle rotational accuracy can be evaluated by the combination of the spindle and tool motion behavior. (2) The spindle motion behavior increases up to more that 4 times the tool motion behavior. (3) For the influence of oil viscosity on spindle and tool taper application, 32 cSt of oil viscosity showed the most satisfactory result for rotational accuracy. (4) In order to improve the rotational accuracy of high speed machine tool spindle system, it is needed to reduce the combination error. This can be achieved by improving the working accuracy and supplying the proper lubrication with contact area at the spindle and tool.
Friction energy dissipative devices have been increasingly implemented as structural seismic damage protecting systems due to their excellent seismic energy dissipating capacity and high stiffness. This study develops rotational friction energy dissipative devices and verifies experimentally their cyclic response. Based on the understanding of the differences between the traditional linear-motion friction behavior and the rotational friction behavior, the configuration of the frictional surface was determined by investigating the characteristics of the micro-friction behavior. The friction surface suggested in this paper consists of brake-lining pads and stainless steel sheets and is normally stressed by high-strength bolts. Based upon these frictional characteristics of the selected interface, the rotational friction energy dissipative devices were developed. Bolt torque-bearing force tests, rotational friction tests of the suggested friction interfaces were carried out to identify their frictional behavior. Test results show that the bearing force is almost linearly proportional to the applied bolt torque and presents stable cyclic response regardless of the experimental parameters selected this testing program. Finally, cyclic tests of the rotational friction energy dissipative devices were performed to find out their structural characteristics and to confirm their stable cyclic response. The developed friction energy dissipative devices present very stable cyclic response and meet the requirements for displacement-dependent energy dissipative devices prescribed in ASCE/SEI 7-10.
This study examined the effect of rotational stiffness of joints between vertical and horizontal members in system supports. In order to prevent repeated disasters of system supports, it is important to examine the accurate behavior of system supports. Among various factors affecting the complex behavior of system supports, this study focused on the stiffness of joints between vertical and horizontal members. The considered joint was modelled by a rotational spring, but the translational displacements were fixed. The stiffness of rotational spring was calculated by utilizing the usable experimental data. In addition, the hinge connection condition, which is generally considered in design and only restrict the translational displacements, was modelled to compare the results. The case with the rotational stiffness in joints showed 3.5 times buckling loads compared to the case without the rotational stiffness. Thus, the structural behavior of the vertical member in system supports was similar to the vertical member with the fixed condition. For the combined stresses of vertical members, the combined stress ratios were reduced 5~6% by considering the rotational stiffness of connecting parts. However, for the horizontal member where showed relatively small stress range, the stresses were increased 2.3~7.6 times by considering the rotational stiffness in connecting parts.
Mahmoud T. Nawar;Ehab B. Matar;Hassan M. Maaly;Ahmed G. Alaaser;Osman Hamdy
Structural Engineering and Mechanics
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제88권1호
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pp.43-52
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2023
This paper handles the results of an extensive parametric study on the rotational stiffness of the flexible base connection using ABAQUS program. The results of the parametric study show the relation between the applied moment and the relative rotation for 96 different base connections. The configurations of the studied connections considered different numbers, diameters, and spacing of the anchor bolts along with different thicknesses of the base plate to investigate the effect of these parameters on the rotational stiffness behavior. The results of the previous parametric research used through the whale optimization algorithm (WOA) to detect different equation formulation of the moment-rotation (M-Ɵr) equation to detect optimum equation simulates the general nonlinear rotational behavior of the flexible base connection considering all variables used in the parametric study. WOA is a relatively new promising algorithm, which is used in different types of optimization problems. For more verification, the classical genetic algorithm (GA) is used to make a comparison with WOA results. The results show that WOA is capable of getting an optimum equation of the M-Ɵr relation, which can be used to simulate the actual rotational stiffness of the flexible base connections. The rotational stiffness at H/150 can be calculated using WOA (1) method and be used as a design aid for engineering design.
This paper is to investigate the micro-behavior of the double-span beams with WUF-W seismic connection under combined axial tension and moment and to propose the rational rotational capacity of it for progressive collapse-resistant analysis and design addressing the stress and strain transfer mechanism. To this end, the behavior of the double-span beams under the column missing event is first investigated using the advanced nonlinear finite element analysis. The characteristics of fracture indices of double-span beams with WUF-W connection under combined axial tension and flexural moment are addressed and then proposed the rational rotational capacity as the basic datum for the progressive collapse-resistant design and analysis. The distribution of fracture indices related to stress and strain for the double-span beams is investigated based on a material and geometric nonlinear finite element analysis. Furthermore, the micro-behavior for earthquake and progressive collapse is explicitly different.
According to the development of tool material and the improvement of machinability of cutting material like aluminium alloy, the higher spindle speed is needed. However, the higher speed causes the heat generation of bearings, the deformation of spindle unit parts, and the rotational accuracy of spindle to be worse. Therefore, it is essential to analyze and control the heat generation and the thermal behavior of spindle unit in order to have higher speed and better rotational accuracy. This paper shows the analogy between the analyzation of heat generation and thermal behavior of high speed spindle system by finite element method and the test results of actual temperature rise through running test, and shows the necessity of cooling the spindle and inner ring side of bearings for the thermal balance of high speed spindle system.
Ali Banazadeh;Ahmad Maleki;Mohammad Ali Lotfollahi Yaghin
Earthquakes and Structures
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제25권4호
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pp.223-234
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2023
The use of displacement-dependent rotational friction dampers (RFD) as fuses or interchangeable elements in the moment-resisting frames (MRF) is one of the newest methods for improving seismic performance. In the present study, the performance of rotational friction dampers in MRF has been investigated. Evaluation of MRF with and without RFD models was performed using the finite element method by ABAQUS. For validation, an MRF and MRF with rotational friction dampers were modeled that had been experimentally tested and reported in previous experimental research and a good agreement was observed. The behavior of these dampers in frames of 3-, 6-, and 9-story was studied by modeling the damper directly. Nonlinear time history dynamic analysis was used. It was observed that by increasing the number of stories in the buildings, rotational friction dampers should be used to perform properly against earthquakes. The installation of rotational friction dampers in steel moment-resisting frames shows that the drift ratio between the floors is reduced and the seismic performance of these frames is improved.
During strong seismic events, inelastic shear deformation occurs in beam-column joints. To capture inelastic shear deformation, an analytical model for beam-column joint in reinforced concrete (RC) frame structures has been proposed in this study. The proposed model has been developed using a rotational spring and rigid links. The stiffness properties of the rotational spring element have been assigned in terms of a moment rotation curve developed from the shear stress-strain backbone curve. The inelastic rotation behavior of joint has been categorized in three stages viz. cracking, yielding and ultimate. The joint shear stress and strain values at these stages have been estimated using analytical models and experimental database respectively. The stiffness properties of joint rotational spring have been modified by incorporating a geometry factor based on dimensions of adjoining beam and column members. The hysteretic response of the joint rotational spring has been defined by a pivot hysteresis model. The response of the proposed analytical model has been verified initially at the component level and later at the structural level with the two actually tested RC frame structures. The proposed joint model effectively emulates the inelastic behavior precisely with the experimental results at component as well as at structural levels.
This study simulates the responses of large-scale bridge piers under pseudo-dynamic tests to investigate the performance of four types of numerical models that consider the nonlinear behavior of the pier and the rocking behavior of the footing. In the models, beam-column elements with plastic hinges are used for the pier, two types of foundation models (rotational spring and distributed spring models) are adopted for the footing behavior, and two types of viscous damping models (Rayleigh and dashpot models) are applied for energy dissipation. Results show that the nonlinear pier model combined with the distributed spring-dashpot foundation model can reasonably capture the behavior of the piers in the tests. Although the commonly used rotational spring foundation model adopts a nonlinear moment-rotation property that reflects the effect of footing uplift, it cannot suitably simulate the hysteretic moment-rotation response of the footing in the dynamic analysis once the footing uplifts. In addition, the piers are susceptible to cracking damage under strong seismic loading and the induced plastic response can provide contribution to earthquake energy dissipation.
This paper addresses numerically the behavior of steel structures under Fire-after-Earthquake (FAE) loading. The study is focused on a four-storey library building and takes into account the damage that is induced in structural members due to earthquake. The basic objective is the assessment of both the fire-behavior and the fire-resistance of the structure in the case where the structure is damaged due to earthquake. The combined FAE scenarios involve two different stages: during the first stage, the structure is subjected to the ground motion record, while in the second stage the fire occurs. Different time-acceleration records are examined, each scaled to multiple levels of the Peak Ground Acceleration (PGA) in order to represent more severe earthquakes with lower probability of occurrence. In order to study in a systematic manner the behavior of the structure for the various FAE scenarios, a two-dimensional beam finite element model is developed, using the non-linear finite element analysis code MSC-MARC. The fire resistance of the structure is determined using rotational limits based on the ductility of structural members that are subjected to fire. These limits are temperature dependent and take into account the level of the structural damage at the end of the earthquake and the effect of geometric initial imperfections of structural members.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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