KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.33
no.1
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pp.71-80
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2013
According to design specifications for structural safety, a bridge in initial design step has been modelled to have larger self-weight, external loads and less stiffness than those of real one in service. Thereby measured buffeting responses of existing bridge show different distributions from those of the design model in design step. In order to obtain accurate buffeting responses of the in-site bridge, the analysis model needs to be modified by considering the measured natural frequencies. Until now, a Manual Tuning Method (MTM) has been widely used to obtain the Measurement-based Model(MBM) that has equal natural frequencies to the real bridge. However, since state variables can be selected randomly and its result is not apt to converge exact rapidly, MTM takes a lot of effort and elapsed time. This study presents Buffeting Response Correction Method (BRCM) to obtain more exact buffeting response above MTM. The BRCM is based on the idea the commonly used frequency domain buffeting analysis does not need all structural properties except mode shapes, natural frequencies and damping ratio. BRCM is used to improve each modal buffeting responses of the design model by substituting measured natural frequencies. The measured natural frequencies are determined from acceleration time-history in ordinary vibration of the real bridge. As illustrated examples, simple beam is applied to compare the results of BRCM with those of a assumed MBM by numerical simulation. Buffeting responses of BRCM are shown to be appropriate for those of in-site bridge and the difference is less than 3% between the responses of BRCM and MTM. Therefore, BRCM can calculate easily and conveniently the buffeting responses and improve effectively maintenance and management of in-site bridge than MTM.
Dynamic characteristics of a structure, i.e., natural frequency and mode shape, have been widely using as an input data in the area of structural integrity or health monitoring which combined with the damage evaluation and structural system identification techniques. It is very difficult, however, to get those information by the conventional modal analysis method from large structures, such as the offshore structure or the long-span bridge, since the source of vibration is not available. In this paper, a method to obtain the frequencies and the mode shapes of a large span truss structure using only acceleration responses is studied. The calculation procedures to obtain acceleration responses and frequency response functions are provided utilizing a numerical model of the truss, and the process to extract natural frequencies and mode shapes from the modal analysis is cleary explained. The extracted mode shapes by proposed method are compared with those from eigenvalue analysis for the estimation of accuracy. The validity of the mode shapes is also demonstrated using an existing damage detection technique for the truss structure by simulated damage cases.
본 연구에서는 기설구조물에 대한 손상도 추정기법과 내진능력평가 방법에 대하여 연구하였다. 구조물의 손상도를 추정하는 방법으로는 소수의 계측 데이터를 이용한 모드섭동법(inverse modal perturbation)을 이용하였다. 구조물의 손상은 강성행렬의 감소로 표현하여, 각 요소행렬에 대한 손상을 손상지수를 사용하여 나타내었다. 구조적 손상과 이에 기인한 고유진동 특성의 변화량과의 관계를 섭동방정식으로부터 구한 후, 이로부터 손상지수와 고유진동 특성의 변화량과의 관계를 유동하였다. 따라서 손상 전과 후에서 구조물의 고유진동수와 모드형상을 측정하여 섭동식의 해를 구함으로써 구조물의 강성행렬의 감소로 나타나는 구조물의 손상도를 추정하게 된다. 손상도 추정에 의해 평가된 강성의 변화량에 기인한 손상 후의 기설구조물의 지진응답, 내진능력과 지진손상도의 평가를 손상전과 비교하였다. 내진능력은 구조부재에서 회전연성도 능력의 경험식을 이용하여 평가하였고, 지진손상도의 평가는 가장 많이 사용되는 방법인 Park & Ang 방법을 사용하였다. 예제해석은 다른 지진하중을 받는 2층과 8층의 예제구조물에 대해서 수행하였다.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.27
no.2
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pp.63-70
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2014
Design sensitivity analysis and topology design optimization for a piezoelectric crystal resonator are developed. The piezoelectric crystal resonator is deformed mechanically when subjected to electric charge on the electrodes, or vice versa. The Mindlin plate theory with higher-order interpolations along thickness direction is employed for analyzing the thickness-shear vibrations of the crystal resonator. Thin electrode plates are masked on the top and bottom layers of the crystal plate in order to enforce to vibrate it or detect electric signals. Although the electrode is very thin, its weight and shape could change the performance of the resonators. Thus, the design variables are the bulk material densities corresponding to the mass of masking electrode plates. An optimization problem is formulated to find the optimal topology of electrodes, maximizing the thickness-shear contribution of strain energy at the desired motion and restricting the allowable volume and area of masking plates. The necessary design gradients for the thickness-shear frequency(eigenvalue) and the corresponding mode shape(eigenvector) are computed very efficiently and accurately using the analytical design sensitivity analysis method using the eigenvector expansion concept. Through some demonstrative numerical examples, the design sensitivity analysis method is verified to be very efficient and accurate by comparing with the finite difference method. It is also observed that the optimal electrode design yields an improved mode shape and thickness-shear energy.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.39
no.10
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pp.919-926
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2011
The fin of high speed air vehicle is composed of skins and strong skeletons. In the flutter analysis, the eigenmodes of a fin are used for evaluating the unsteady aerodynamic force and the modal approach is applied for solving the flutter equation in both time and frequency domain. Therefore, the proper eigenmodes used for a modal flutter analysis should be chosen. For the appropriate choice of eigenmodes, when there exist local modes of a skin in the high modes, the effects of those modes on the unsteady aerodynamic force and flutter characteristics are anlalyzed.
A method of calculating the natural frequency corresponding to the first mode of vibration of beams and tower structures, with irregular cross sections and with arbitrary boundary conditions was developed and reported by Kim, D. H. in 1974. In this paper, the result of application of this method to the special orthotropic plates on elastic foundation with free boundaries is presented. Such plates represent the concrete highway slab and hybrid composite pavement on bridges. Any method may be used to obtain the deflection influence surfaces needed for this vibration analysis. Finite difference method is used for this purpose, in this paper. The influence of the modulus of the foundation and the aspect ratio of the plate on the natural frequency is thoroughly studied. The effect of neglecting the mass of the plates on the natural frequency, as the ratio of the point mass/masses to the plate mass increases, is also studied, in deep.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2009.04a
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pp.266-271
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2009
A modeling method for the modal analysis of a multi-packet blade system having a crack undergoing rotational motion is presented in this paper. Each blade is assumed as a slender cantilever beam. The stiffness coupling effects between blades due to the flexibilities of the disc and the shroud are modeled with discrete springs. Hybrid deformation variables are employed to derive the equations of motion. The flexibility due to crack, which is assumed to be open during the vibration, is calculated basing on a fracture mechanics theory. To obtain more general information, the equations of motion are transformed into dimensionless forms in which dimensionless parameters are identified. The effects of the dimensionless parameters related to the angular speed, the depth and location of a crack on the modal characteristics of the system are investigated with some numerical examples.
Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers
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v.23
no.1
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pp.85-91
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2009
This paper proposes a simulation method of the internal winding fault to calculate the short-circuit current, electromagnetic force and vibration mode in a distribution power transformer by using FEM program(FLUX2D) and analytic algorithm. A usage of the Transfer matrix method is also presented for the vibration mode analysis of the cable-type winding of power transformer. The equations of the winding are approximated by the series expansions of the distributed mass mode and Timoshenko's beam theory. The simulation examples are provided for the cable type winding of the transformer(22.9[kV]/220[V], 1,000[kVA]) to verify the method. The proposed Transfer Matrix Method is also verified by the ANSYS program for the vibration mode of the transformer winding. The method presented may serve as one of the useful tools in the electromagnetic force and vibration analysis of the transformer winding under the short circuit condition.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.25
no.1
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pp.1-10
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2013
In this study, impact vibration tests are applied to analyze the vibration characteristics of caisson-type breakwater, and the results obtained from vibration tests are compared with numerical simulation results considering fluid-soil-structure interaction effects to verify the feasibility of a numerical analysis model. It is found that natural frequencies are reduced as amount of 1.7-4.3% after additional parapet structure is added to increase the height of breakwater, and the same results was observed from the numerical simulation study. Through the comparison, it was verified that the vibration tests and numerical simulation study can be applied to evaluate the vibration characteristics of caisson-type breakwater.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.14
no.2
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pp.57-65
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2010
To determine the static buckling loads and evaluate the structural performance of slender steel pipe-arches such as for greenhouse structures, a series of modal tests using a fixed hammer and roving sensors was carried out, by providing no load, then a range of vertical loads, on an arch rib in several steps. More attention was given to an internal arch where vertical and horizontal auxiliary members are not placed, unlike an end arch. Modal parameters such as natural frequencies, mode shapes and damping ratios were extracted using more advanced system identification methods such as PolyMAX (Polyreference Least-Squares Complex Frequency Domain), and compared with those predicted by commercial FEA (Finite Element Analysis) software ANSYS for various conditions. A good correlation between them was achieved in an overall sense, however the reduction of natural frequencies due to the existence of preaxial loads was not apparent when the vertical load level was about up to 38% of its resistance. Some difficulties related to the field testing and parameter extraction for a very slender arch, as might arise from the influences of neighboring members, are carefully discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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