Any rational approach to define the configuration and size of viscous fluid dampers in a structure should be based on the dynamic properties of the system with the dampers. In this paper we propose an alternative representation of the complex eigenvalues of multi degree of freedom systems with dampers to calculate new equivalent natural frequencies. Analytical expressions for the dynamic properties of a two-story building model with a linear viscous damper in the first floor (i.e. with a non-proportional damping matrix) are derived. The formulas permit to obtain the equivalent damping ratios and equivalent natural frequencies for all the modes as a function of the mass, stiffness and damping coefficient for underdamped and overdamped systems. It is shown that the commonly used formula to define the equivalent natural frequency is not applicable for this type of system and for others where the damping matrix is not proportional to the mass matrix, stiffness matrix or both. Moreover, the new expressions for the equivalent natural frequencies expose a novel phenomenon; the use of viscous fluid dampers can modify the vibration frequencies of the structure. The significance of the new equivalent natural frequencies is expounded by means of a simulated free vibration test. The proposed approach may offer a new perspective to study the effect of viscous dampers on the dynamic properties of a structure.
건물에 설치된 마찰감쇠기는 외력의 크기에 따라 정지와 운동의 상태를 반복하여 외부 입력에너지를 소산시키기 때문에 외력과 응답관계가 비선형이다. 마찰감쇠기가 설치된 단자유도 건물은 마찰감쇠기외에 점성감쇠가 동시에 존재하므로 해석적인 정해를 구하기가 어렵다. 본 연구에서는 첫째, 점성과 마찰감쇠가 있는 단자유도계 건물의 자유진동 정해를 통하여 변위응답과 가속도 응답특성을 분석하였다. 둘째, 자유진동의 경우 응답이 멈출 때까지 소산에너지식을 이용하여 등가점성감쇠비를 구하였다. 셋째, 조화가진 일 때는 수치해석을 통하여 마찰력비 $F_r$에 따른 응답 특성을 알아보았다. 넷째, 조화가진의 경우 에너지 균형식을 바탕으로 등가점성감쇠비를 유도하였다. 등가점성감쇠비는 변위응답비의 영향을 받으므로 응답을 알아야만 구할 수 있다. 건물 응답의 진동수 특성은 협소영역(narrow band)이므로 고유진동수에 의해 지배된다고 가정하여 등가점성감쇠비를 구하였다. 마지막으로, 유도한 자유진동과 조화가진의 등가점성감쇠비를 이용한 등가선형운동방정식의 해를 비선형 수치해석 한 결과와 비교하여 검증하였다.
시간영역에서 수행되는 비선형 지반응답해석에서 지반의 미소변형률 감쇠는 Rayleigh 감쇠공식을 이용하여 점성감쇠로서 모사된다. 실제 지반의 미소변형률 감쇠는 주파수의 영향을 받지 않는 반면 시간영역해석에서의 점성감쇠는 주파수의 영향을 크게 받으며 이의 영향정도는 Rayleigh 감쇠공식에 따라서 결정된다. 본 연구에서는 국내 지반에 대한 비선형 지반응답해석시 감쇠공식의 영향을 평가하고자 일련의 해석을 수행하였다. 해석결과 점성감쇠공식은 계산된 응답에 매우 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 널리 사용되는 Simplified Rayleigh 공식은 심도 30m 이상의 지반에서 수치적으로 발생하는 인공감쇠로 인하여 고주파수에서의 에너지 소산을 과대예측하는 것으로 나타난 반면, Full Rayleigh 공식을 사용하며 적절하게 최적주파수를 선정한 경우, 인공감쇠는 크게 감소하는 것으로 나타났다. 나아가 해석결과를 등가선형해석과 비교한 결과 20m 미만의 얕은 심도 지반에서도 등가선형 해석은 최대가속도를 과대예측 할 수 있는 것으로 나타났다.
A simplified yet effective design procedure for viscous dampers was presented based on improved capacity spectrum method in the context of performance-based seismic design. The amount of added viscous damping required to meet a given performance objective was evaluated from the difference between the total demand for effective damping and inherent damping plus equivalent damping resulting from hysteretic deformation of system. Application of the method is illustrated by means of two examples, using Chinese design response spectrum and mean response spectrum. Nonlinear dynamic analysis results indicate that the maximum displacements of structures installed with supplemental dampers designed in accordance with the proposed method agree well with the given target displacements. The advantage of the presented procedure over the conventional iterative design method is also highlighted.
As an alternative to current conventional force-based assessment methods, the energy-based seismic performance of a code-designed 20-storey high-rise steel building is evaluated in this paper. Using 3D nonlinear dynamic time-history method with consideration of additional material damping effect, the influences of different restoring force models and P-${\Delta}/{\delta}$ effects on energy components are investigated. By combining equivalent viscous damping and hysteretic damping ratios of the structure subjected to strong ground motions, a new damping model, which is amplitude-dependent, is discussed in detail. According to the analytical results, all energy components are affected to various extents by P-${\Delta}/{\delta}$ effects and a difference of less than 10% is observed; the energy values of the structure without consideration of P-${\Delta}/{\delta}$ effects are larger, while the restoring force models have a minor effect on seismic input energy with a difference of less than 5%, but they have a certain effect on both viscous damping energy and hysteretic energy with a difference of about 5~15%. The paper shows that the use of the hysteretic energy at its ultimate state as a seismic design parameter has more advantages than seismic input energy since it presents a more stable value. The total damping ratio of a structure consists of viscous damping ratio and hysteretic damping ratio and it is found that the equivalent viscous damping ratio is a constant for the structure, while the equivalent hysteretic damping ratio approximately increases linearly with structural response in elasto-plastic stage.
Falzarano, Jeffrey;Somayajula, Abhilash;Seah, Robert
Ocean Systems Engineering
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제5권2호
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pp.55-76
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2015
Of all the six degrees of freedom, the roll motion of a ship is the most poorly understood and displays complicated phenomena. Due to the low potential wave damping at the natural frequency, the effective analysis of ship roll dynamics comes down to the accurate estimation of the viscous roll damping. This paper provides overview of the importance of roll damping and an extensive literature review of the various viscous roll damping prediction methods applied by researchers over the years. The paper also discusses in detail the current state of the art estimation of viscous roll damping for ship shaped structures. A computer code is developed based on this method and its results are compared with experimental data to demonstrate the accuracy of the method. While some of the key references describing this method are not available in English, some others have been found to contain typographic errors. The objective of this paper is to provide a comprehensive summary of the state of the art method in one place for future reference.
Recent years, direct displacement-based design (DDBD) procedure is proposed for the design of un-bonded posttensioned (UPT) concrete wall systems. In the DDBD procedure, the determination of the equivalent viscous damping (EVD) ratio is critical since it would influence the strength demand of the UPT wall systems. Nevertheless, the influence of EVD ratio determination of the UPT wall systems were not thoroughly evaluated. This study was aimed to investigate the influence of different EVD ratio determinations on the DDBD procedure of UPT wall systems. Case study structures with four, twelve and twenty storeys have been designed with DDBD procedure considering different EVD ratio determinations. Nonlinear time history analysis was performed to validate the design results of those UPT wall systems. And the simulation results showed that the global responses of the case study structures were influenced by the EVD ratio determination.
In general, crankshafts which are used in internal combustion reciprocating engines are subjects to high torsional vibration. Therefore, a damper is often used to minimize the torsional vibration in reciprocating engines. In this paper, in order to investigate damping performance of viscous damper, the real effective viscosity and complex damping coefficient of silicone oil, and the effective inertia moment of inertia ring are calculated considering the relative motion between damper casing and inertia ring. Based on these results multi-cylinder shaft is modeled into equivalent 2-degree of freedom system and optimum condition is estimated by calculating the amplification factor of viscous damper. Also the test damper was manufactured according to the result of theoretical investigation, the performance and durability was ascertained through experimental examination.
Hwang et al (2001) proposed a new method for an evaluation of equivalent damping ratios of a linear structure with linear or nonlinear damping devices. This procedure has a disadvantage that it requires time history analysis for the whole system including damping devices, which may be troublesome for practical application. To tackle this problem closed form formulas for equivalent damping ratios are proposed in this study. It is assumed that the responses of MDOF system can be reproduced by an equivalent SDOF system which vibrates in a fundamental mode. The numerical analyses of a ten-story building equipped with linear viscous damper or active mass damper or friction damper show the effectiveness of equivalent SDOF model and closed form formulas.
본 연구에서는 평면 비대칭건물의 비탄성 변위를 주어진 목표까지 제한하기 위하여 필요한 추가적인 감쇠량을 구하는 방법에 관하여 연구하였다. 이를 위하여 먼저 비대칭구조물의 항복 후 거동을 분석하고 구조물에 발생하는 연성도 요구량을 이용하여 필요한 등가 감쇠비를 유도하였다. 이러한 방법을 지진하중을 받는 5층 비대칭구조물에 적용하였다. 시간이력해석 결과와의 비교에 따르면 제안된 방법에 따라 점성감쇠기를 설치한 경우 주어진 지진하중에 대하여 약변 및 강변 모두 만족할만한 거동을 보이는 것으로 나타났다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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