This paper investigates the possibility of controlling the response of typical portal frame structures to blast loading using a combination of semi-active and passive control devices. A one storey reinforced concrete portal frame is modelled using non-linear finite elements with each column discretised into multiple elements to capture the higher frequency modes of column vibration response that are typical features of blast responses. The model structure is subjected to blast loads of varying duration, magnitude and shape, and the critical aspects of the response are investigated over a range of structural periods in the form of blast load response spectra. It is found that the shape or length of the blast load is not a factor in the response, as long as the period is less than 25% of the fundamental structural period. Thus, blast load response can be expressed strictly as a function of the momentum applied to the structure by a blast load. The optimal device arrangements are found to be those that reduce the first peak of the structural displacement and also reduce the subsequent free vibration of the structure. Semi-active devices that do not increase base shear demands on the foundations in combination with a passive yielding tendon are found to provide the most effective control, particularly if base shear demand is an important consideration, as with older structures. The overall results are summarised as response spectra for eventual potential use within standard structural design paradigms.
Arani, Ali Ghorbanpour;Pourjamshidian, Mahmoud;Arefi, Mohammad
Smart Structures and Systems
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제22권1호
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pp.105-120
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2018
In this paper, the nonlinear free and forced vibration responses of sandwich nano-beams with three various functionally graded (FG) patterns of reinforced carbon nanotubes (CNTs) face-sheets are investigated. The sandwich nano-beam is resting on nonlinear Visco-elastic foundation and is subjected to thermal and electrical loads. The nonlinear governing equations of motion are derived for an Euler-Bernoulli beam based on Hamilton principle and von Karman nonlinear relation. To analyze nonlinear vibration, Galerkin's decomposition technique is employed to convert the governing partial differential equation (PDE) to a nonlinear ordinary differential equation (ODE). Furthermore, the Multiple Times Scale (MTS) method is employed to find approximate solution for the nonlinear time, frequency and forced responses of the sandwich nano-beam. Comparison between results of this paper and previous published paper shows that our numerical results are in good agreement with literature. In addition, the nonlinear frequency, force response and nonlinear damping time response is carefully studied. The influences of important parameters such as nonlocal parameter, volume fraction of the CNTs, different patterns of CNTs, length scale parameter, Visco-Pasternak foundation parameter, applied voltage, longitudinal magnetic field and temperature change are investigated on the various responses. One can conclude that frequency of FG-AV pattern is greater than other used patterns.
This paper presents the non-destructive evaluation of a high-speed railway bridge using train-induced strain responses. Based on the train-track-bridge interaction analysis, the strain responses of a high-speed railway bridge under moving trains with different operation status could be calculated. The train induced strain responses could be divided into two parts: the force vibration stage and the free vibration stage. The strain-displacement relationship is analysed and used for deriving critical displacements from theoretical stain measurements at a forced vibration stage. The derived displacements would be suitable for the condition assessment of the bridge through design specifications defined indexes and would show certain limits to the practical application. Thus, the damage identification of high-speed railways, such as the stiffness degradation location, needs to be done by comparing the measured strain response under moving trains in different states because the vehicle types of high-speed railway are relatively clear and definite. The monitored strain responses at the free vibration stage, after trains pass through the bridge, would be used for identifying the strain modes. The relationship between and the degradation degree and the strain mode shapes shows certain rules for the widely used simply supported beam bridges. The numerical simulation proves simple and effective for the proposed method to locate and quantify the stiffness degradation.
This study presents free vibration analyses of perforates steel plates with various cutouts. Four different parameters (shape, size, curvature radius ratio, and rotation of cutouts) were considered to investigate the effects of those parameters on the free vibration characteristics, such as natural frequencies of the perforated steel plates. Three different shapes of cutouts are circle, square, and triangle, and the considered sizes are 5, 10, 15, 20, and 25 mm. For the triangular and square cutouts, the characteristic radii of the inscribed circles of those cutouts were defined. In addition, the curvature radius ratio was defined as the ratio of curvature radius of bluntness and the characteristic radius. Then, total seven different curvature radius ratios (0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, and 1) were considered. To investigate the rotation effect of the cutouts, it was considered four rotations ($0^{\circ}$, $15^{\circ}$, $30^{\circ}$, and $45^{\circ}$) for the square cutouts and three rotations (0, 15, and 30) for the triangular cutouts. All the free vibration analyses were conducted using a general purpose finite element program. From the analyses we found that the most influential parameter for the free vibration response of the perforated plates is the size of cutout. The other factors such as the shape, curvature radius ratio, and rotation are minors; they mainly change the natural frequency as long as the size effect is accompanied.
In this paper, a new higher order shear deformation model is developed for static and free vibration analysis of functionally graded beams with considering porosities that may possibly occur inside the functionally graded materials (FGMs) during their fabrication. Different patterns of porosity distributions (including even and uneven distribution patterns, and the logarithmic-uneven pattern) are considered. In addition, the effect of different micromechanical models on the bending and free vibration response of these beams is studied. Various micromechanical models are used to evaluate the mechanical characteristics of the FG beams whose properties vary continuously across the thickness according to a simple power law. Based on the present higher-order shear deformation model, the equations of motion are derived from Hamilton's principle. Navier type solution method was used to obtain displacement, stresses and frequencies, and the numerical results are compared with those available in the literature. A comprehensive parametric study is carried out to assess the effects of volume fraction index, porosity fraction index, micromechanical models, mode numbers, and geometry on the bending and natural frequencies of imperfect FG beams.
Bennai, Riadh;Atmane, Hassen Ait;Ayache, Belqassim;Tounsi, Abdelouahed;Bedia, E.A. Adda;Al-Osta, Mohammed A.
Earthquakes and Structures
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제16권5호
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pp.547-561
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2019
In this work, a new analytical approach using a theory of a high order hyperbolic shear deformation theory (HSDT) has been developed to study the free vibration of plates of functionally graduated material (FGM). This theory takes into account the effect of stretching the thickness. In contrast to other conventional shear deformation theories, the present work includes a new displacement field that introduces indeterminate integral variables. During the manufacturing process of these plates defects can appear as porosity. The latter can question and modify the global behavior of such plates. The materials constituting the plate are assumed to be gradually variable in the direction of height according to a simple power law distribution in terms of the volume fractions of the constituents. The motion equations are derived by the Hamilton principle. Analytical solutions for free vibration analysis are obtained for simply supported plates. The effects of stretching, the porosity parameter, the power law index and the length / thickness ratio on the fundamental frequencies of the FGM plates are studied in detail.
This article investigates the free vibration behavior of carbon nanotube reinforced composite (CNTRC) beams embedded using variational analytical methods and artificial neural networks (ANN). The material properties of layered functionally graded CNTRC (FG-CNTRC) beams are estimated using nonlocal parameters modified power-law with different types of CNT distributions through the thickness direction of the beam. Adopting Eringen's nonlocal elasticity theory to capture the small size effects, the nonlocal governing equations are derived and solved using the analytical method. And also, the problem was analyzed using the ANN method. The architecture of the proposed ANN model is 3-9-1. In the experiments, we used 112 different data to predict the natural frequency using ANN. Based on the nonlocal differential constitutive relations of Eringen, the equations of motion as well as the boundary conditions of the beam are derived using Hamilton's principle. The classical beam theory is used to formulate a governing equation for predicting the free vibration of laminated CNTRC beams. According to the experimental results, the prediction ability of the ANN model is very good and the natural frequency can be predicted in ANN without attempting any experiments.
In the case of a precision equipment, it requires a vibration free environment to provide its proper function. Especially, lithography and inspection devices, which have sub-nanometer class high accuracy and resolution, have come to necessity for producing more improved giga class semiconductor wafers. This high technology equipments require very strict environmental vibration standard in promotion to the accuracy of the manufacturing, inspecting devices. The vibration criteria are usually obtained either by the real vibration exciting test on the equipment or by the analytical calculation. The former is accurate but requires a great deal of time and efforts while the latter lacks reliability. This paper proposes a new method to solve this problem at a time. The permissible vibration level to a precision equipment can be easily obtained by analyzing the process of Frequency Response Function(FRF). This paper also demonstrates its effectiveness by applying the proposed method to finding the permissible vibration criteria of a Computer Hard Disk Drive.
In this research paper, the free vibrational response of laminated composite plates is investigated using a non-polynomial refined shear deformation theory (NP-RSDT). The most interesting feature of this theory is the parabolic distribution of transverse shear deformations while ensuring the conditions of nullity of shear stresses at the free surfaces of the plate without requiring the Shear correction factor "Ks". A fourth-nodded isoparametric element with four degrees of freedom per node is employed for laminated composite plates. The numerical analysis of simply supported square anti-symmetric cross-ply and angle-ply laminated plate is carried out using a special discretization based on four-node finite element method which four degrees of freedom per node. Several numerical results are presented to show the effect of the coupling parameters of the plate such as the modulus ratios, the thickness ratio and the plate layers number on adimensional eigen frequencies. All numerical results presented using the current finite element method (FEM) is presented in 3D curve form.
Merino, Alberto Gonzalez;Pena, Luis Costas de la;Gonzalez, Arturo
Nuclear Engineering and Technology
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제51권3호
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pp.884-893
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2019
Spent fuel racks are steel structures used in the storage of the spent fuel removed from the nuclear power reactor. Rack units are submerged in the depths of the spent fuel pool to keep the fuel cool. Their free-standing design isolates their bases from the pool floor reducing structural stresses in case of seismic event. However, these singular features complicate their seismic analysis which involves a transient dynamic response with geometrical nonlinearities and fluid-structure interactions. An accurate estimation of the response is essential to achieve a safe pool layout and a reliable structural design. An analysis methodology based on the hydrodynamic mass concept and implicit integration algorithms was developed ad-hoc, but some dispersion of results still remains. In order to validate the analysis methodology, vibration tests are carried out on a reduced scale mock-up of a 2-rack system. The two rack mockups are submerged in free-standing conditions inside a rigid pool tank loaded with fake fuel assemblies and subjected to accelerations on a unidirectional shaking table. This article compares the experimental data with the numerical outputs of a finite element model built in ANSYS Mechanical. The in-phase motion of both units is highlighted and the water coupling effect is detailed. Results show a good agreement validating the methodology.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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