The dynamic response of structures under extremely short duration dynamic loads is of great concern nowadays. This paper investigates structures' response as well as the associated structural damage to explosive loads considering and ignoring the supporting soil flexibility effect. In the analysis, buildings are modeled by two alternate approaches namely, (1) building with fixed supports, (2) building with supports accounting for soil-flexibility. A lumped parameter model with spring-dashpot elements is incorporated at the base of the building model to simulate the horizontal and rotational movements of supporting soil. The soil flexibility for various shear wave velocities has been considered in the investigation. In addition, the influence of variation of lateral natural periods of building models on the obtained response and peak response time-histories besides damage indices has also been investigated under blast loads with different peak over static pressures. The Dynamic response is obtained by solving the governing equations of motion of the considered building model using a developed Matlab code based on the finite element toolbox CALFEM. The predicted results expressed in time-domain by the building model incorporating SSI effect are compared with the corresponding model results ignoring soil flexibility effect. The results show that the effect of surrounding soil medium leads to significant changes in the obtained dynamic response of the considered systems and hence cannot be simply ignored in damage assessment and response time-histories of structures where it increases response and amplifies damage of structures subjected to blast loads. Moreover, the numerical results provide an understanding of level of damage of structure through the computed damage indices.
Ku, C.J.;Tamura, Y.;Yoshida, A.;Miyake, K.;Chou, L.S.
Wind and Structures
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v.16
no.2
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pp.157-178
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2013
Output-only modal parameter identification is based on the assumption that external forces on a linear structure are white noise. However, harmonic excitations are also often present in real structural vibrations. In particular, it has been realized that the use of forced acceleration responses without knowledge of external forces can pose a problem in the modal parameter identification, because an external force is imparted to its impulse acceleration response function. This paper provides a three-stage identification procedure as a solution to the problem of harmonic and white noise excitations in the acceleration responses of a linear dynamic system. This procedure combines the uses of the mode indicator function, the complex mode indication function, the enhanced frequency response function, an iterative rational fraction polynomial method and mode shape inspection for the correlation-related functions of the force-embedded acceleration responses. The procedure is verified via numerical simulation of a five-floor shear building and a two-dimensional frame and also applied to ambient vibration data of a large-span roof structure. Results show that the modal parameters of these dynamic systems can be satisfactorily identified under the requirement of wide separation between vibration modes and harmonic excitations.
Modular construction has been increasingly used for mid-to-high rise buildings attributable to the high construction speed, improved quality and low environmental pollution. The individual and repetitive room-sized module unit is usually fully finished in the factory and installed on-site to constitute an integrated construction. However, there is a lack of design guidance on modular structures. This paper mainly focuses on the evaluation of the initial stiffness of corrugated steel plate shears walls (CSPSWs) in container-like modular construction. A finite element model was firstly developed and verified against the existing cyclic tests. The theoretical formulas predicting the initial stiffness of CSPSWs were then derived. The accuracy of the theoretical formulas was verified by the related numerical and test results. Furthermore, parametric analysis was conducted and the influence of the geometrical parameters on the initial stiffness of CSPSWs was discussed and evaluated in detail. The present study provides practical design formulas and recommendations for CSPSWs in modular construction, which are useful to broaden the application of modular construction in high-rise buildings and seismic area.
This article derived a hybrid coupling technique using the higher-order displacement polynomial and three soft computing techniques (teaching learning-based optimization, particle swarm optimization, and artificial bee colony) to predict the optimal stacking sequence of the layered structure and the corresponding frequency values. The higher-order displacement kinematics is adopted for the mathematical model derivation considering the necessary stress and stain continuity and the elimination of shear correction factor. A nine noded isoparametric Lagrangian element (eighty-one degrees of freedom at each node) is engaged for the discretisation and the desired model equation derived via the classical Hamilton's principle. Subsequently, three soft computing techniques are employed to predict the maximum natural frequency values corresponding to their optimum layer sequences via a suitable home-made computer code. The finite element convergence rate including the optimal solution stability is established through the iterative solutions. Further, the predicted optimal stacking sequence including the accuracy of the frequency values are verified with adequate comparison studies. Lastly, the derived hybrid models are explored further to by solving different numerical examples for the combined structural parameters (length to width ratio, length to thickness ratio and orthotropicity on frequency and layer-sequence) and the implicit behavior discuss in details.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.23
no.1
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pp.43-54
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2019
Existing reinforced concrete frame buildings designed for only gravity loads have been seismically vulnerable due to their inadequate column detailing. The seismic vulnerabilities can be mitigated by the application of a column retrofit technique, which combines high-strength near surface mounted bars with a fiber reinforced polymer wrapping system. This study presents the full-scale shaker testing of a non-ductile frame structure retrofitted using the combined retrofit system. The full-scale dynamic testing was performed to measure realistic dynamic responses and to investigate the effectiveness of the retrofit system through the comparison of the measured responses between as-built and retrofitted test frames. Experimental results demonstrated that the retrofit system reduced the dynamic responses without any significant damage on the columns because it improved flexural, shear and lap-splice resisting capacities. In addition, the retrofit system contributed to changing a damage mechanism from a soft-story mechanism (column-sidesway mechanism) to a mixed-damage mechanism, which was commonly found in reinforced concrete buildings with strong-column weak-beam system.
The thermal eigenvalue responses of the graded sandwich shell structure are evaluated numerically under the variable thermal loadings considering the temperature-dependent properties. The polynomial type rule-based sandwich panel model is derived using higher-order type kinematics considering the shear deformation in the framework of the equivalent single-layer theory. The frequency values are computed through an own home-made computer code (MATLAB environment) prepared using the finite element type higher-order formulation. The sandwich face-sheets and the metal core are discretized via isoparametric quadrilateral Lagrangian element. The model convergence is checked by solving the similar type published numerical examples in the open domain and extended for the comparison of natural frequencies to have the final confirmation of the model accuracy. Also, the influence of each variable structural parameter, i.e. the curvature ratios, core-face thickness ratios, end-support conditions, the power-law indices and sandwich types (symmetrical and unsymmetrical) on the thermal frequencies of FG sandwich curved shell panel model. The solutions are helping to bring out the necessary influence of one or more parameters on the frequencies. The effects of individual and the combined parameters as well as the temperature profiles (uniform, linear and nonlinear) are examined through several numerical examples, which affect the structural strength/stiffness values. The present study may help in designing the future graded structures which are under the influence of the variable temperature loading.
Rezaiee-Pajand, Mohammad;Masoodi, Amir R.;Alepaighambar, Ali
Steel and Composite Structures
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v.39
no.5
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pp.599-614
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2021
This study deals with the Lateral-Torsional Buckling (LTB) of a mono-symmetric tapered I-beam, in which the cross-section is varying longitudinally. To obtain the buckling moment, two concentrated bending moments should be applied at the two ends of the structure. This structure is made of Functionally Graded Material (FGM). The Young's and shear modules change linearly along the longitudinal direction of the beam. It is considered that this tapered beam is laterally restrained continuously, by using torsional springs. Furthermore, two rotational bending springs are employed at the two structural ends. To achieve the buckling moment, Ritz solution method is utilized. The response of critical buckling moment of the beam is obtained by minimizing the total potential energy relation. The lateral and torsional displacement fields of the beam are interpolated by harmonic functions. These functions satisfy the boundary conditions. Two different support conditions are considered in this study. The obtained formulation is validated by solving benchmark problems. Moreover, some numerical studies are implemented to show the accuracy, efficiency and high performance of the proposed formulation.
The research presented in this paper deals with dynamic stability analysis of the graphene nanoplatelets (GPLs) reinforced composite spinning disk. The presented small-scaled structure is simulated as a disk covered by viscoelastic substrate which is two-parametric. The centrifugal and Coriolis impacts due to the spinning are taken into account. The stresses and strains would be obtained using the first-order-shear-deformable-theory (FSDT). For Poisson ratio, as well as various amounts of mass densities, the mixture rule is employed, while a modified Halpin-Tsai model is inserted for achieving the elasticity module. The structure's boundary conditions (BCs) are obtained employing GPLs reinforced composite (GPLRC) spinning disk's governing equations applying principle of Hamilton which is based on minimum energy and ultimately have been solved employing numerical approach called generalized-differential quadrature-method (GDQM). Spinning disk's dynamic properties with different boundary conditions (BCs) are explained due to the curves drawn by Matlab software. Also, the simply-supported boundary conditions is applied to edges 𝜃=𝜋/2, and 𝜃=3𝜋/2, while, cantilever, respectively, is analyzed in R=Ri, and R0. The final results reveal that the GPLs' weight fraction, viscoelastic substrate, various GPLs' pattern, and rotational velocity have a dramatic influence on the amplitude, and vibration behavior of a GPLRC rotating cantilevered disk. As an applicable result in related industries, the spinning velocity impact on the frequency is more effective in the higher radius ratio's amounts.
In this study, we investigated the dominant processing variables that would influence the microstructural development of AA6061 deformed by differential speed rolling (DSR) at ambient temperature. For this purpose, we carried out a series of DSR on the samples to investigate the effects of roll speed ratio, sample rotation, and number of operation under specific rotation. Among these, the condition with a height reduction of 75% at a speed ratio of 1:4 through rotation along rolling direction (RR) displayed the pronounced results of more homogenous matrix-structure and superior mechanical properties than the others tested in this study. This was mainly due to the cross shearing of macro-shear pattern in segment where dynamic recrystallization took place with ease throughout the sample. Thus, an average microhardness value of 101 Hv was obtained in the present sample deformed by 4-pass DSR with RR where macro cross-shearing was effectively applied.
To reduce the weight of the vehicle, the application of the high strength steel sheets to chassis parts is increased. High forming load is induced during the shearing process of steel chassis parts made of high strength steel, and the possibility of an eccentric load is increased depending on the product seating condition on the die, which decreases the stability and lifespan of the die. In this paper, a three-dimensional finite element analysis with the continuum element was conducted using the damage theory for the cam-trimming process of the front lower arm. The structural analysis of the trimming die was performed with the forming load result obtained from the analysis, and the amount of deflection and the stress distribution of the die during the shearing process were evaluated for the confirmation of the tool stability. The shape of the weak region of the die was modified according to structural analysis and then the stability was confirmed with the finite element analysis. The analysis result showed that the possibility of tool failure during cam-trimming process was remarkably reduced, and the reliability of the proposed modified design was validated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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