The optimum damping and tuning frequency ratio of the tuned mass damper-inerter (TMDI) for the base-isolated structure is obtained using the numerical searching technique under stationary white-noise and filtered white-noise earthquake excitation. The minimization of the isolated structure's mean-square relative displacement and absolute acceleration, as well as the maximization of the energy dissipation index, were chosen as the criteria for optimality. Using a curve-fitting technique, explicit formulae for TMDI damping and tuning frequency for white-noise excitation are then derived. The proposed empirical expressions for TMDI parameters are found to have a negligible error, making them useful for the effective design of base-isolated structures. The effectiveness of TMDI and its optimum parameters are influenced by the soil condition and isolation frequency, according to the comparison made of the optimized parameters and response with different soil profiles. The effectiveness of an optimally designed TMDI in controlling the displacement and acceleration response of the flexible isolated structure under real and pulse-type earthquakes is also observed and found to be increased as the inertance mass ratio increases.
Effectiveness of multiple tuned mass dampers (MTMD) in suppressing the dynamic response of base excited structure for first mode vibration is investigated. The effectiveness of the MTMD is expressed by the ratio of the root mean square (RMS) displacement of the structure with MTMD to corresponding displacement without MTMD. The frequency content of base excitation is modelled as a broad-band stationary random process. The MTMD's with uniformly distributed natural frequencies are considered for this purpose. A parametric study is conducted to investigate the fundamental characteristics of the MTMD's and the effect of important parameters on the effectiveness of the MTMD's. The parameters include: the fundamental characteristics of the MTMD system such as damping, mass ratio, total number of MTMD, tuning frequency ratio, frequency spacing of the dampers and frequency content of the base excitation. It has been shown that MTMD can be more effective and more robust than a single TMD with equal mass and damping ratio.
We present a piezoelectric energy harvester with stopper-engaged dynamic magnifier which is capable of significantly increasing the operating bandwidth and the energy (power) harvested from a broad range of low frequency vibrations (<30 Hz). It uses a mass-loaded polymer beam (primary spring-mass system) that works as a dynamic magnifier for another mass-loaded piezoelectric beam (secondary spring-mass system) clamped on primary mass, constituting a two-degree-of-freedom (2-DOF) system. Use of polymer (polycarbonate) as the primary beam allows the harvester not only to respond to low frequency vibrations but also generates high impulsive force while the primary mass engages the base stopper. Upon excitation, the dynamic magnifier causes mechanical impact on the base stopper and transfers a secondary shock (in the form of impulsive force) to the energy harvesting element resulting in an increased strain in it and triggers nonlinear frequency up-conversion mechanism. Therefore, it generates almost four times larger average power and exhibits over 250% wider half-power bandwidth than those of its conventional 2-DOF counterpart (without stopper). Experimental results indicate that the proposed device is highly applicable to vibration energy harvesting in automobiles.
The permeability coefficient is an essential parameter for the study of seepage flow in fractured rock mass. This paper discusses the feasibility and application value of using readily available RQD (rock quality index) data to estimate mine water inflow and grouting quantity. Firstly, the influence of different fracture frequencies on permeability in a unit area was explored by combining numerical simulation and experiment, and the relationship between fracture frequencies and pressure and flow velocity at the monitoring point in fractured rock mass was obtained. Then, the stochastic function generation program was used to establish the flow analysis model in fractured rock mass to explore the relationship between flow velocity, pressure and analyze the universal law between fracture frequency and permeability. The concepts of fracture width and connectivity are introduced to modify the permeability calculation formula and grouting formula. Finally, based on the on-site grouting water control example, the rock mass quality index is used to estimate the mine water inflow and the grouting quantity. The results show that it is feasible to estimate the fracture frequency and then calculate the permeability coefficient by RQD. The relationship between fracture frequency and RQD is in accordance with exponential function, and the relationship between structure surface frequency and permeability is also in accordance with exponential function. The calculation results are in good agreement with the field monitoring results, which verifies the rationality of the calculation method. The relationship between the rock mass RQD index and the rock mass permeability established in this paper can be used to invert the mechanical parameters of the rock mass or to judge the permeability and safety of the rock mass by using the mechanical parameters of the rock mass, which is of great significance to the prediction of mine water inflow and the safety evaluation of water inrush disaster management.
In this paper, the vibrational motion of a flexible beam clamped on a translating base and carrying a moving mass is investigated. The equations of motion which describe the total dynamics of the beam-mass-cart system are derived and the coupled dynamic equations are solved by unconstrained modal analysis. In modal analysis, the exact normal mode solutions corresponding to the eigenfrequencies for the position of the moving mass and the ratios of the mass of the flexible beam, the moving mass and the base cart are used. Proper transformations of the time solutions between the normal modes for a position and those for the next position of the moving mass are also adopted. Numerical simulations are carried out to obtain the open-loop responses of the system in tracking the pre-designed path of the moving mass.
This paper deals with the free vibrations of immersed columns with soft base. The support condition of the column is represented by using a translational spring and a rotational spring. The eccentricity and rotatory inertia of the concentrated mass at the top are taken into account. In the governing equation for the free vibration of column, the density of immersed part was modified to account for the added fluid mass. The governing differential equations are solved numerically using the corresponding boundary conditions. Numerical results are presented to show the effects on the natural frequencies of non-dimensional system parameters: the mass density ratio of fluid to column, the ratio of fluid depth to span length, the ratio of tip mass to total column mass, the dimensionless mass moment of inertia, the eccentricity, the translation spring parameter, and the rotational spring parameter.
Base isolation is a quite practical control strategy for enhancing the response of structural systems induced by strong ground motions. Due to the dynamic effects of base isolation systems, reduction in the interstory drifts of the superstructure is often achieved at the expense of high base displacement level, which may lead to instability of the structure or non-practical designs for the base isolators. To reduce the base displacement, several hybrid structural control strategies have been studied over the past decades. This study investigates a particular strategy that employs Tuned Mass Dampers (TMDs) for improving the performance of base-isolated structures and unlike previous studies, specifically focuses on the effectiveness of this hybrid control strategy in structures that are equipped with nonlinear base isolation systems. To consider the nonlinearities of base isolation systems, a Bouc-Wen model is selected and nonlinear dynamic OpenSees models are used to perform several time-history simulations in time and frequency domains. Through these numerical simulations, the effects of several parameters such as the fundamental period of the structure, dynamic properties of the TMD and isolation systems and properties of the input ground motion on the behaviour of TMD-structure-base isolation systems are examined. The results of this study provide a better insight into the performance of linear shear-story structures with nonlinear base isolators and show that there are many scenarios in which TMDs can still improve the performance of these systems.
Vertical vibration tests were conducted using model footings of different size and mass resting on the surface of finite sand layer with different height to width ratios and underlain by either rigid concrete base or natural red-earth base. A comparative study of the ratio of predicted and observed natural frequency ratio of the finite sand stratum was made using the calculated values of equivalent stiffness suggested by Gazetas (1983) and Baidya and Muralikrishna (2001). Comparison of results between model footings resting on finite sand stratum underlain by the rigid concrete base and the natural red-earth base showed that, the presence of a finite base of higher rigidity increases the resonant frequency significantly. With increase in H/B ratio beyond 2.0, the influence of both the rigid concrete and natural red-earth base decreases. Increase in the contact area of the footing increases the resonant frequency of the model footings resting on finite sand stratum underlain by both the types of finite bases. Both the predicted and the observed resonant frequency ratio decreases with increase in force rating and height to width ratio for a given series of model footing.
The passive control of structures using a pendulum tuned mass damper has been extensively studied in the technical literature. As the frequency of the pendulum depends only on its length and the acceleration of gravity, to tune the frequency of the pendulum with that of the structure, the pendulum length is the only design variable. However, in many cases, the required length and the space necessary for its installation are not compatible with the design. In these cases, one can replace the classical pendulum by a virtual pendulum which consists of a mass moving over a curved surface, allowing thus for a greater flexibility in the absorber design, since the length of the pendulum becomes irrelevant and the shape of the curved surface can be optimized. A mathematical model for a building with a pendular tuned mass damper and a detailed parametric analysis is conducted to study the influence of this device on the nonlinear oscillations and stability of the main system under harmonic and seismic base excitation. In addition to the circular profiles, different curved surfaces with softening and hardening characteristics are analyzed. Also, the influence of impact on energy dissipation is considered. A detailed parametric analysis is presented showing that the proposed damper can not only reduce sharply the displacements, and consequently the internal forces in the main structure, but also the accelerations, increasing user comfort. A review of the relevant aspects is also presented.
한국지진공학회 1997년도 춘계 학술발표회 논문집 Proceedings of EESK Conference-Fall 1997
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pp.225-232
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1997
A study of effects of design parameters on the seismic responses of base isolated structure is performed to reduce the seismic responses using a linear tw0-degree of freedom system and a lumped-mass model of a nuclear power p;ant(NPP). From the simplified 2 DOF system the optimal isolation frequency being less than 1/10th of the fundamental frequency of superstructure is obtained, and the isolator damping minimizing the peak acceleration depends on superstructure frequency. From the time history analyses for lumped mass model of NPP the optimal damping is calculated as 40% in containment building and 65% in reactor internal structure. Similar results are obtained in 2 DOF system
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[게시일 2004년 10월 1일]
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