For vibration control of civil structures, especially large civil structures, one of the important issues is how to place a minimal number of actuators and sensors at their respective optimal locations to achieve the predetermined control performance. In this paper, a methodology is presented for the determination of the minimal number and optimal location of actuators and sensors for vibration control of building structures under earthquake excitation. In the proposed methodology, the number and location of the actuators are first determined in terms of the sequence of performance index increments and the predetermined control performance. A multi-scale response reconstruction method is then extended to the controlled building structure for the determination of the minimal number and optimal placement of sensors with the objective that the reconstructed structural responses can be used as feedbacks for the vibration control while the predetermined control performance can be maintained. The feasibility and accuracy of the proposed methodology are finally investigated numerically through a 20-story shear building structure under the El-Centro ground excitation and the Kobe ground excitation. The numerical results show that with the limited number of sensors and actuators at their optimal locations, the predetermined control performance of the building structure can be achieved.
A study of the structural strength evaluation on the doubler plate, considering various load cases that were subjected to in-plane and out of plane combined load, has been performed through the systematic evaluation process. In order to estimate the proper static strength of doubler plate for various load cases, elasto-plastic large deflection analysis is introduced, including the contact effect between main plate and doubler. The characteristics of stiffness and strength variation are discussed, based on the results. In order to compare the doubler structure with the original strength of main plate, without doubler, simple formulas for the evaluation of the equivalent flat plate thickness are derived for each load case, respectively, based on the additional series of analysis of flat plate structure. Using these derived equations, the thickness change of an equivalent flat plate is analyzed according to the variation of various design parameters of doubler platesome design guides are suggested in order to maintain the original strength of main plate without doubler reinforcement. Finally, correlation between derived equivalent flat plate formula and the developed buckling strength formulas are discovered, and these relations are formulated for the future development of simple strength evaluation formula of general doubler plate structure.
FEM analysis of the smart skin structure, and application of the sandwich structures investigated. The honeycomb manufactures only provide stillness of thickness direction and transverse shear modulus. Although these are dominant mechanical properties. the other mechanical properties are needed in FEM analysis. Hence, this work shows procedures of obtaining those mechanical properties. Honeycomb material was assumed to be ar, isotropic material and properties are estimated by its dominant honeycomb properties. The other honeycomb properties are then obtained by mechanical properties of Nomex. Buckling test and three point bending test were simulated by ABAQUS. Both the shell and solid element models were used. The results were compared with experimental results and analytical approaches. They showed good agreements. This study shows a guideline of FEM analysis of smart skin structure using commercial a FEM package.
Kim, Hyun-Sil;Kim, Jae-Seung;Kang, Hyun-Joo;Kim, Sang-Ryul
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.21
no.4
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pp.673-678
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1997
Stress wave propagations in an elastic half space to a normal point force of ramp type in time are analyzed. The governing equations are transformed by applying the Laplace and Hankel transforms with respect to time and radial distance. The inversion of Laplace transforms are performed by employing the Cagniard-de Hoop method, where the Rayleigh waves at surface are obtained by including the residue terms. The stress waves computed at the location very cose to the surface are shown to be almost identical to the surface waves obtained by the residue method except the Rayleigh wavefront. It is found that at the surface, the stresses are dominated by the Rayleigh waves, whose amplitudes increase linearly with time when time is very large. It is also found that in the interior part, the radial stress has a logarithmic singularity at the shear wavefront, while tangential stress shows no singularity.
In this study, a wavelet packet based method is proposed for identifying damage occurrence and damage location for beam-like structures. This method assumes that the displacement or the acceleration response time histories at various locations along a beam-like structure both before and after damage are available for damage assessment. These responses are processed through a proper level of wavelet packet decomposition. The wavelet packet signature (WPS) that consists of wavelet packet component signal energies is calculated. The change of the WPS curvature between the baseline state and the current state is then used to identify the locations of possible damage in the structure. Two numerical studies, one on a 15-storey shear-beam building frame and another on a simply-supported steel beam, and an experimental study on a simply-supported reinforced concrete beam are performed to validate the proposed method. Results show the WPS curvature change can be used to locate both single and sparsely-distributed multiple damages that exist in the structure. Also the accuracy of assessment does not seem to be affected by the presence of 20-15dB measurement noise. One advantage of the proposed method is that it does not require any mathematical model for the structure being monitored and hence can potentially be used for practical application.
This paper experimentally investigated the behavior of steel frame structures of traditional-style buildings subjected to combined constant axial load and reversed lateral cyclic loading conditions. The low cyclic reversed loading test was carried out on a 1/2 model of a traditional-style steel frame. The failure process and failure mode of the structure were observed. The mechanical behaviors of the steel frame, including hysteretic behaviors, order of plastic hinges, load-displacement curve, characteristic loads and corresponding displacements, ductility, energy dissipation capacity, and stiffness degradation were analyzed. Test results showed that the Dou-Gong component (a special construct in traditional-style buildings) in steel frame structures acted as the first seismic line under the action of horizontal loads, the plastic hinges at the beam end developed sufficiently and satisfied the Chinese Seismic Design Principle of "strong columns-weak beams, strong joints-weak members". The pinching phenomenon of hysteretic loops occurred and it changed into Z-shape, indicating shear-slip property. The stiffness degradation of the structure was significant at the early stage of the loading. When failure, the ultimate elastic-plastic interlayer displacement angle was 1/20, which indicated high collapse resistance capacity of the steel frame. Furthermore, the finite element analysis was conducted to simulate the behavior of traditional-style frame structure. Test results agreed well with the results of the finite element analysis.
Golzar, Farzin G.;Rodgers, Geoffrey W.;Chase, J. Geoffrey
Structural Engineering and Mechanics
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v.61
no.6
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pp.701-709
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2017
Seismic dissipation devices can play a crucial role in mitigating earthquake damages, loss of life and post-event repair and downtime costs. This research investigates the use of ring springs with high-force-to-volume (HF2V) dissipaters to create damage-free, recentring connections and structures. HF2V devices are passive rate-dependent extrusion-based devices with high energy absorption characteristics. Ring springs are passive energy dissipation devices with high self-centring capability to reduce the residual displacements. Dynamic behaviour of a system with nonlinear structural stiffness and supplemental hybrid damping via HF2V devices and ring spring dampers is used to investigate the design space and potential. HF2V devices are modelled with design forces equal to 5% and 10% of seismic weight and ring springs are modelled with loading stiffness values of 20% and 40% of initial structural stiffness and respective unloading stiffness of 7% and 14% of structural stiffness (equivalent to 35% of their loading stiffness). Using a suite of 20 design level earthquake ground motions, nonlinear response spectra for 8 different configurations are generated. Results show up to 50% reduction in peak displacements and greater than 80% reduction in residual displacements of augmented structure compared to the baseline structure. These gains come at a cost of a significant rise in the base shear values up to 200% mainly as a result of the force contributed by the supplemental devices.
This research studies the dynamic analysis of a concrete column reinforced with titanium dioxide ($TiO_2$) nanoparticles under earthquake load. The effect of nanoparticles accumulation in a region of concrete column is examined using Mori-Tanaka model. The structure is simulated mathematically based on the theory of sinusoidal shear deformation theory (SSDT). By calculating strain-displacement and stress-strain relations, the system energies include potential energy, kinetic energy, and external works are derived. Then, using the Hamilton's principle, the governing equations for the structure are extracted. Using these equations, the response of the concrete column under earthquake load is investigated using the numerical methods of differential quadrature (DQ) and Newark. The purpose of this study is to study the effects of percentage of nanoparticles, nanoparticles agglomeration, geometric parameters and boundary conditions on the dynamic response of the structure. The results indicate that by increasing the volume percent of $TiO_2$ nanoparticles, the maximum dynamic deflection of the structure decreases.
This paper deals with the dynamic stability of nanocomposite pipes conveying pulsating ferrofluid. The pipe is reinforced by carbon nanotubes (CNTs) where the agglomeration of CNTs are considered based on Mori-Tanaka model. Due to the existence of CNTs and ferrofluid flow, the structure and fluid are subjected to axial magnetic field. Based on Navier-Stokes equation and considering the body forced induced by magnetic field, the external force of fluid to the pipe is derived. For mathematical modeling of the pipe, the first order shear deformation theory (FSDT) is used where the energy method and Hamilton's principle are used for obtaining the motion equations. Using harmonic differential quadrature method (HDQM) and Bolotin's method, the motion equations are solved for calculating the excitation frequency and dynamic instability region (DIR) of the structure. The influences of different parameters such as volume fraction and agglomeration of CNTs, magnetic field, structural damping, viscoelastic medium, fluid velocity and boundary conditions are shown on the DIR of the structure. Results show that with considering agglomeration of CNTs, the DIR shifts to the lower excitation frequencies. In addition, the DIR of the structure will be happened at higher excitation frequencies with increasing the magnetic field.
Structural parameter evaluation and external force estimation are two important parts of structural health monitoring. But the structural parameter identification with limited input information is still a challenging problem. A new simultaneous identification method in time domain is proposed in this study to identify the structural parameters and evaluate the external force. Each sampling point in the time history of external force is taken as the unknowns in force evaluation. To reduce the number of unknowns for force evaluation the time domain measurements are divided into several windows. In each time window the structural excitation is decomposed by orthogonal polynomials. The time-variant excitation can be represented approximately by the linear combination of these orthogonal bases. Structural parameters and the coefficients of decomposition are added to the state variable to be identified. The extended Kalman filter (EKF) is augmented and selected as the mathematical tool for the implementation of state variable evaluation. The proposed method is validated numerically with simulation studies of a time-invariant linear structure, a hysteretic nonlinear structure and a time-variant linear shear frame, respectively. Results from the simulation studies indicate that the proposed method is capable of identifying the dynamic load and structural parameters fairly accurately. This method could also identify the time-variant and nonlinear structural parameter even with contaminated incomplete measurement.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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