Fourier series-based models in the time domain are frequently established to represent individual bouncing loads, which neglects the stochastic property of human bouncing activity. A power spectral density (PSD) model in the frequency domain for individual bouncing loads is developed herein. An experiment was conducted on individual bouncing loads, resulting in 957 records linked to form long samples to achieve a fine frequency resolution. The Welch method was applied to the linked samples to obtain the experimental PSD, which was normalized by the bouncing frequency and the harmonic order. The energy, energy distribution center, and energy distribution shape of the experimental PSD were investigated to establish the PSD model. The proposed model was used to analyze structural vibration responses using stochastic vibration theory, which was verified via field measurements. It is believed that this framework can evaluate the vibration capacity of structures excited by bouncing crowds, such as concert halls and grandstands.
The magneto-rheological visco-elastomer (MRVE) is used as a smart core to control the stochastic micro-vibration of a sandwich plate with supported mass. The micro-vibration response of the sandwich plate with MRVE core and supported mass under stochastic support motion excitations is studied and compared to evaluate the vibration suppression capability. The effects of the supported mass and localized magnetic field on the stochastic micro-vibration response of the MRVE sandwich plate are taken into account. The dynamic characteristics of the MRVE core in micro-vibration are described by a non-homogeneous complex modulus dependent on vibration frequency and controllable by applied magnetic fields. The partial differential equations for the coupled transverse and longitudinal motions of the MRVE sandwich plate with supported mass are derived from the dynamic equilibrium, constitutive and geometric relations. The simplified ordinary differential equations are obtained for the transverse vibration of the MRVE sandwich plate under localized magnetic fields. A frequency-domain solution method for the stochastic micro-vibration response of sandwich plates with supported mass is developed based on the Galerkin method and random vibration theory. The expressions of frequency-response functions, response power spectral densities and root-mean-square velocity responses of the plate in terms of the one-third octave frequency band are obtained for micro-vibration evaluation. Finally, numerical results are given to illustrate the large response reduction capacity of the MRVE sandwich plate with supported mass under stochastic support motion excitations, and the influences of MRVE parameters, supported mass and localized magnetic field placement on the micro-vibration response.
In this study, the subspace stochastic realization theories (SSR model I and SSR model II) have been applied to a real bridge for estimating its dynamic characteristics (natural frequencies, damping constants, and vibration modes) under ambient vibration. A numerical simulation is carried out for an arch-type steel truss bridge using a white noise excitation. The estimates obtained from this simulation are compared with those obtained from the Finite Element (FE) analysis, demonstrating good agreement and clarifying the excellent performance of this method in estimating the structural dynamic characteristics. Subsequently, these methods are applied to the vibration induced by both strong and weak winds as obtained by remote monitoring of the Kabashima bridge (an arch-type steel truss bridge of length 136 m, and situated in Nagasaki city). The results obtained with this experimental data reveal that more accurate estimates are obtained when strong wind vibration data is used. In contrast, the vibration data obtained from weak wind provides accurate estimates at lower frequencies, and inaccurate accuracy for higher modes of vibration that do not get excited by the wind of lower intensity. On the basis of the identified results obtained using both simulated data and monitored data from a real bridge, it is determined that the SSR model II realizes more accurate results than the SSR model I. In general, the approach investigated in this study is found to provide acceptable estimates of the dynamic characteristics of highway bridges as well as for the vibration monitoring of bridges.
A theoretical procedure to estimate spectral displacement of a hysteretic oscillator with bilinear stiffness excited by band-limited excitation is presented. The stochastic method of ground-motion simulation is combined with the random vibration theory to compute linear and nonlinear structural response. The response is obtained by computing the root-mean-square oscillator response using dissipation energy balancing by integrating over all energy levels of system weighting with the stationary probability density of the energy. The results are presented in a convenient form, and the accuracy of the procedure is assessed by comparison with results obtained with the time-domain method using the recorded data. The model shows little or no bias at the structural period of engineering interest.
The stochastic optimal control for a piezoelectric spherically symmetric shell subjected to stochastic boundary perturbations is constructed, analyzed and evaluated. The stochastic optimal control problem on the boundary stress output reduction of the piezoelectric shell subjected to stochastic boundary displacement perturbations is presented. The electric potential integral as a function of displacement is obtained to convert the differential equations for the piezoelectric shell with electrical and mechanical coupling into the equation only for displacement. The displacement transformation is constructed to convert the stochastic boundary conditions into homogeneous ones, and the transformed displacement is expanded in space to convert further the partial differential equation for displacement into ordinary differential equations by using the Galerkin method. Then the stochastic optimal control problem of the piezoelectric shell in partial differential equations is transformed into that of the multi-degree-of-freedom system. The optimal control law for electric potential is determined according to the stochastic dynamical programming principle. The frequency-response function matrix, power spectral density matrix and correlation function matrix of the controlled system response are derived based on the theory of random vibration. The expressions of mean-square stress, displacement and electric potential of the controlled piezoelectric shell are finally obtained to evaluate the control effectiveness. Numerical results are given to illustrate the high relative reduction in the root-mean-square boundary stress of the piezoelectric shell subjected to stochastic boundary displacement perturbations by the optimal electric potential control.
The magneto-rheological (MR) damper contributes to the new technology of structural vibration control. Its developments and applications have been paid significant attentions in earthquake engineering in recent years. Due to the shortages, however, inherent in deterministic control schemes where only several observed seismic accelerations are used as the trivial input and in classical stochastic optimal control theory with assumption of white noise process, the derived control policy cannot effectively accommodate the performance of randomly base-excited engineering structures. In this paper, the experimental and analytical studies on stochastic seismic response control of structures with specifically designed MR dampers are carried out. The random ground motion, as the base excitation posing upon the shaking table and the design load used for structural control system, is represented by the physically based stochastic ground motion model. Stochastic response analysis and reliability assessment of the tested structure are performed using the probability density evolution method and the theory of extreme value distribution. It is shown that the seismic response of the controlled structure with MR dampers gain a significant reduction compared with that of the uncontrolled structure, and the structural reliability is obviously strengthened as well.
The optimum design of base isolation system considering model parameter uncertainty is usually performed by using the unconditional response of structure obtained by the total probability theory, as the performance index. Though, the probabilistic approach is powerful, it cannot be applied when the maximum possible ranges of variations are known and can be only modelled as uncertain but bounded type. In such cases, the interval analysis method is a viable alternative. The present study focuses on the bounded optimization of base isolation system to mitigate the seismic vibration effect of structures characterized by bounded type system parameters. With this intention in view, the conditional stochastic response quantities are obtained in random vibration framework using the state space formulation. Subsequently, with the aid of matrix perturbation theory using first order Taylor series expansion of dynamic response function and its interval extension, the vibration control problem is transformed to appropriate deterministic optimization problems correspond to a lower bound and upper bound optimum solutions. A lead rubber bearing isolating a multi-storeyed building frame is considered for numerical study to elucidate the proposed bounded optimization procedure and the optimum performance of the isolation system.
Industrial structure systems may have nonlinearity, and are also sometimes exposed to the danger of random excitation. This paper proposes a method to analyze response and reliability design of a complex nonlinear structure system under random excitation. The nonlinear structure system which is subjected to random process is modeled by finite element method. The nonlinear equations are expanded sequentially using the perturbation theory. Then, the perturbed equations are solved in probabilistic methods. Several statistical properties of random process that are of interest in random vibration applications are reviewed in accordance with the nonlinear stochastic problem.
The present study is concerned with the stochastic linear free vibration study of laminated composite plate embedded with piezoelectric layers with random material properties. The system equations are derived using higher order shear deformation theory. The lamina material properties of the laminate are modeled as basic random variables for accurate prediction of the system behavior. A $C^0$ finite element is used for spatial descretization of the laminate. First order Taylor series based mean centered perturbation technique in conjunction with finite element method is outlined for the problem. The outlined probabilistic approach is used to obtain typical numerical results, i.e., the mean and standard deviation of natural frequency. Different combinations of simply supported, clamped and free boundary conditions are considered. The effect of side to thickness ratio, aspect ratio, lamination scheme on scattering of natural frequency is studied. The results are compared with those available in literature and an independent Monte Carlo simulation.
This study presents the reliability-based analysis of nonlinear structures using the analytical fragility curves excited by random earthquake loads. The stochastic method of ground motion simulation is combined with the random vibration theory to compute structural failure probability. The formulation of structural failure probability using random vibration theory, based on only the frequency information of the excitation, provides an important basis for structural analysis in places where there is a lack of sufficient recorded ground motions. The importance of frequency content of ground motions on probability of structural failure is studied for different levels of the nonlinear behavior of structures. The set of simulated ground motion for this study is based on the results of probabilistic seismic hazard analysis. It is demonstrated that the scenario events identified by the seismic risk differ from those obtained by the disaggregation of seismic hazard. The validity of the presented procedure is evaluated by Monte-Carlo simulation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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