This paper presents the development of an educational management model for analyzing the dynamic instability of nanocomposite sandwich beams. The model aims to provide a comprehensive framework for understanding the behavior of sandwich micro beams with foam cores, featuring top and bottom layers made of smart and porous functionally graded materials (FGM) nanocomposites. The bottom layer is influenced by an external electric field, and the entire beam is supported by a visco-Pasternak foundation, accounting for spring, shear, and damping constants. Using the Kelvin-Voigt theory to model structural damping and incorporating size effects based on strain gradient theory, the model employs the parabolic shear deformation beam theory (PSDBT) to derive motion equations through Hamilton's principle. The differential quadrature method (DQM) is applied to solve these equations, accurately identifying the improvement in student understanding (ISU) of the beams. The impact of various parameters, including FGM properties, external voltage, geometric constants, and structural damping, on the DIR is thoroughly examined. The educational model is validated by comparing its outcomes with existing studies, highlighting the increase in ISU with the application of negative external voltage to the smart layer. This model serves as a valuable educational tool for engineering students and researchers studying the dynamic stability of advanced nanocomposite structures.
Sa, Jeong-H.;You, Young-H.;Park, Jae-S.;Park, Soo-H.;Jung, Sung-N.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.13
no.3
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pp.349-360
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2012
In this study, the accuracy of CSD (Comprehensive Structural Dynamics) analysis on the evaluation of blade aeroelastic responses and structural loads of HART(Higher harmonic Aeroacoustic Rotor Test) II baseline rotor is assessed using a comprehensive rotorcraft dynamics code, CAMRAD II, and a nonlinear flexible multi-body dynamics analysis code, DYMORE. Considering insufficient measurement data for HART II rotor, prescribed airloads computed by a three-dimensional compressible flow solver KFLOW are used to replace the lifting-line airloads and thereby enhance the prediction capability of the comprehensive analyses. The CSD results on blade elastic deflections using the prescribed airloads indicate more oscillatory behavior than those by lifting-line based approaches, but the wave pattern becomes improved by including artificial damping into the rotor system. It is demonstrated that the structural load predictions are improved significantly by the prescribed airloads approach against the measured data, as compared with an isolated CSD analysis.
This paper introduces the current status of high-rise building design in Japan, with reference to some recent projects. Firstly, the design approval system and procedures for high-rise buildings and structures in Japan are introduced. Then, performance-based wind-resistant design of a 300 m-high building, Abeno Harukas, is introduced, where building configuration, superstructure systems and various damping devices are sophisticatedly integrated to ensure a higher level of safety and comfort against wind actions. Next, design of a 213 m-high building is introduced with special attention to habitability against the wind-induced horizontal motion. Finally, performance-based wind-resistant design of a 634 m-high tower, Tokyo Sky Tree, is introduced. For this structure, the core column system was adopted to satisfy the strict design requirements due to the severest level of seismic excitations and wind actions.
The emergence of a growing number of tall buildings, often with unusual shapes and innovative structural systems, has led to the realization of the need for and the importance of field measurements. The new China Central Television (CCTV) Tower in Beijing is one of tall buildings with a highly unusual shape and a complex structural system, requiring field measurements to identify its dynamic characteristics for the subsequent dynamic analysis of the tower under wind excitation, seismic-induced ground motion and traffic-induced ground motion. The structural system and the finite element model of the CCTV Tower are first introduced in this paper. The computed natural frequencies and mode shapes are then presented as a reference for the field measurement. After introducing the arrangement of the ambient vibration measurement, the field measured natural frequencies and damping ratios of the CCTV Tower are presented and the measured natural frequencies are finally compared with the computed ones. It was found that the structural damping ratios of the CCTV Tower are small and the computed natural frequencies are smaller than the measured ones by about 12~17%.
Seismic performance evaluation of shear wall is essential as it is the major lateral load resisting member of a structure. The ultimate load and ultimate drift of the shear wall are the two most important parameters which need to be assessed experimentally and verified analytically. This paper comprises the results of monotonic tests, quasi-static cyclic tests and shake-table tests carried out on a midrise shear wall. The shear wall considered for the study is 1:5 scaled model of the shear wall of the internal structure of a reactor building. The analytical simulation of these tests is carried out using micro and macro modeling of the shear wall. This paper mainly consists of modification in the hysteretic macro model, developed for RC structural walls by Lestuzzi and Badoux in 2003. This modification is made by considering the stiffness degradation effect observed from the tests carried out and this modified model is then used for nonlinear dynamic analysis of the shear wall. The outcome of the paper gives the variation of the capacity, the failure patterns and the performance levels of the shear walls in all three types of tests. The change in the stiffness and the damping of the wall due to increased damage and cracking when subjected to seismic excitation is also highlighted in the paper.
Marante, Maria E.;Barreto, Wilmer J.;Picon, Ricardo A.
Structural Engineering and Mechanics
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v.71
no.5
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pp.545-552
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2019
The analysis and design of complex structures like sandwich-panel elements are difficult; the use of finite element method for the analysis is complicated and time consuming when non-linear effects are considered. On the other hand, artificial neural network (ANN) models can capture the non-linear effects and its application requires lesser computational demand. Two ANN models were trained, tested and validated to compute the force for a given displacement of a sandwich-type roof element; 2555 force and element deformation pairs were used for training the ANN models. For the models trained without considering the damping effect, there were two values in the input layer: maximum displacement and current displacement, and for the model considering damping, displacement from the previous step was used as an additional input. Totally, 400 ANN models were trained. Results show that there is a good agreement between the experimental and simulated data, and the models showed a good performance with a mean square error value of 4548.85. Both the ANN models could simulate the inelastic behaviour, loss of rigidity, and evolution of permanent displacements. The models could also interpolate and extrapolate, which enables them to be used as an analysis and design tool for such complex elements.
Reza Khalili Sarbangoli;Ahmad Maleki;Ramin K. Badri
Structural Engineering and Mechanics
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v.89
no.3
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pp.239-252
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2024
Steel plate shear walls (SPSWs) are classified as lateral load-resisting systems. The feasibility of openings in the steel plate is a characteristic of SPSWs. The use of openings in SPSWs can lower the load capacity, stiffness, and energy dissipation. This study proposes a novel form of SPSWs that provides convenient access through openings by combining steel plates and eccentrically braced frames (EBFs). The proposed system also avoids a substantial reduction in the strength and stiffness. Hence, various geometric forms were analyzed through two different structural approaches. Groups 1, 2, and 3 included a steel EBF with a steel plate between the column and EBF in order to improve system performance. In Group 4, the proposed system was evaluated within an SPSW with openings and an EBF on the opening edge. To evaluate the performance of the proposed systems, the nonlinear finite element method (NL-FEM) was employed under cyclic loading. The hysteresis (load-drift) curve, stress contour, stiffness, and damping were evaluated as the structural outputs. The numerical models indicated that local buckling within the middle plate-EBF connection prevented a diagonal tension field. Moreover, in group 4, the EBF and stiffeners on the opening edge enhanced the structural response by approximately 7.5% in comparison with the base SPSW system.
In this paper, the energy-based plastic-damage model previously proposed by the authors [International Journal of Solids and Structures, 43(3-4): 583-612] is first simplified with an empirically defined evolution law for the irreversible strains, and then it is extended to its rate-dependent version to account for the strain rate effect. Regarding the energy dissipation by the motion of the structure under dynamic loadings, within the framework of continuum damage mechanics a new damping model is proposed and incorporated into the developed rate-dependent plastic-damage mode, leading to a unified constitutive model which is capable of directly considering the damping on the material scale. Pertinent computational aspects concerning the numerical implementation and the algorithmic consistent modulus for the unified model are also discussed in details, through which the dynamic nonlinear analysis of damping structures can be coped with by the same procedures as those without damping. The proposed unified plastic-damage model is verfied by the simulations of concrete specimens under different quasistatic and high rate straining loading conditions, and is then applied to the Koyna dam under earthquake motions. The numerical predictions agree fairly well with the results obtained from experimental tests and/or reported by other investigators, demonstrating its capability for reproducing most of the typical nonlinear performances of concrete under quasi-static and dynamic loading conditions.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.15
no.2
s.95
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pp.161-168
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2005
The absorbing material is mostly used to changing the acoustic energy to the heat energy in the passive control, and that consists of the porous media. That controls an air borne noise while the stiffened plates, damping material and additional mass control a structure borne noise. The additional mass can decrease the sound by mass effect and shift of natural frequency, and damping material can decrease the sound by damping effect. The passive acoustic control using these kinds of control materials has an advantage that is possible to control the acoustic in the wide frequency band and the whole space at a price as compared with the active control using the various electronic circuit and actuator. But the space efficiency decreased and the control ability isn't up to the active control. So it is necessary to maximize the control ability in the specific frequency to raise the capacity of passive control minimizing the diminution of space efficiency such an active control. Therefore, the characteristics of control materials and the optimum layout of control materials that attached to the boundary of structure-acoustic coupled cavity were studied using sequential optimization on this study.
The Dongting Lake Bridge is a cable-stayed bridge crossing the Dongting Lake where it meets the Yangtze River in southern central China. Several intensive wind-rain induced vibrations had been observed since its open to traffic in 1999. To investigate the possibility of using MR damping systems to reduce cable vibration, a series of field tests were conducted. Based on the promising research results, MR damping system was installed on the longest 156 stay cables of Dongting Lake Bridge in June 2002, making it the worlds first application of MR dampers on cable-stayed bridge to suppress the wind-rain induced cable vibration. As a visible and permanent aspect of the bridge, the MR damping system must be aesthetically pleasing, reliable, durable, easy to maintain, as well as effective in vibration mitigation. Substantial work was done to meet these requirements. This paper describes field tests and the implementation of MR damping systems for cable vibration reduction. Three-years reliable service of this system proves its durability.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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