점탄성감쇠기가 장치된 건물은 감쇠력과 강성이 증가하며 부가되는 감쇠력에 의하여 비고전적 감쇠시스템이 된다. 이러한 경우 비감쇠시스템에서 구한 고유값을 이용하여 감쇠행렬을 대각행렬로 변환할 수 없으므로 일반적으로 운동방정식을 2n크기 행렬의 1차 미분방정식 형태로 변환하여 해석하게 된다. 이러한 방법은 일반적인 고전적 감쇠시스템에 비해 복잡하므로 감쇠행렬의 비대각항을 무시하고 해석하는 방법이 이용되기도 한다. 본 논문에서는 이러한 근사적인 방법의 타당성과 이론적 근거를 검증하고 정해와 근사해법을 이용하여 3층 전단건물의 진동특성을 구하여 비교하였다. 결과에 따르면 부가되는 감쇠력이 작을 때는 근사해와 정해가 매우 근접하나 감쇠력이 커질수록 그 오차가 커지는 것으로 나타났다.
SC (steel plate concrete)구조는 새로운 구조형식으로서 SC구조물의 내진설계에 적용할 수 있는 감쇠비의 규명이 필요하다. 이 연구에서는 실험적 방법을 통해 SC구조의 감쇠비를 분석하였다. 연구를 위하여 SC 전단벽 시편을 제작하고, 대형 진동대를 이용하여 진동시험을 수행하였다. 시험에서 계측한 가속도응답신호는 전달함수로 변환한 후 동적실험모드분석기법을 적용하여 분석하였다. 구조물의 감쇠비는 입력운동의 수준에 따라 달라질 수 있으며, 이 연구의 실험에서 적용한 입력운동의 수준은 시편의 항복강도의 절반보다 낮은 수준으로서 여기서 분석된 구조감쇠비는 약 4%정도이다. 이 연구결과를 고려하여 SC구조물의 운전기준지진에 대한 내진설계에는 4% 감쇠비를 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
In order to protect a structure over its full life cycle, a novel tuned mass damper (TMD), the so-called semi-active eddy current pendulum tuned mass damper (SAEC-PTMD), which can retune its frequency and damping ratio in real-time, is proposed in this study. The structural instantaneous frequency is identified through a Hilbert-Huang transformation (HHT), and the SAEC-PTMD pendulum is adjusted through an HHT-based control algorithm. The eddy current damping parameters are discussed, and the relationship between effective damping coefficients and air gaps is fitted through a polynomial function. The semi-active eddy current damping can be adjusted in real-time by adjusting the air gap based on the linear-quadratic-Gaussian (LQG)-based control algorithm. To verify the vibration control effect of the SAEC-PTMD, an idealized linear primary structure equipped with an SAEC-PTMD excited by harmonic excitations and near-fault pulse-like earthquake excitations is proposed as one of the two case studies. Under strong earthquakes, structures may go into the nonlinear state, while the Bouc-Wen model has a wild application in simulating the hysteretic characteristic. Therefore, in the other case study, a nonlinear primary structure based on the Bouc-Wen model is proposed. An optimal passive TMD is used for comparison and the detuning effect, which results from the cumulative damage to primary structures, is considered. The maximum and root-mean-square (RMS) values of structural acceleration and displacement time history response, structural acceleration, and displacement response spectra are used as evaluation indices. Power analyses for one earthquake excitation are presented as an example to further study the energy dissipation effect of an SAECPTMD. The results indicate that an SAEC-PTMD performs better than an optimized passive TMD, both before and after damage occurs to the primary structure.
Tuned liquid dampers (TLDs) are increasingly being used as efficient dynamic vibration absorbers to mitigate wind-induced vibration in super high-rise buildings. However, the damping characteristics of screens and the control effectiveness of actual structures must be investigated to improve the reliability of TLDs in engineering applications. In this study, a numerical TLD model is developed using computational fluid dynamics (CFD) and a simulation method for achieving the coupled vibration of the structure and TLD is proposed. The numerical results are verified using shaking table tests, and the effects of the solidity ratio and screen position on the TLD damping ratios are investigated. The TLD control effectiveness is obtained by simulating the wind-induced vibration response of a full-scale structure-TLD system to determine the optimal screen solidity ratio. The effects of the structural frequency, damping ratio, and wind load amplitude on the TLD performance are further analyzed. The TLD damping ratio increases nonlinearly with the solidity ratio, and it increases with the screens towards the tank center and then decreases slightly owing to the hydrodynamic interaction between screens. Full-scale coupled simulations demonstrated that the optimal TLD control effectiveness was achieved when the solidity ratio was 0.46. In addition, structural frequency shifts can significantly weaken the TLD performance. The control effectiveness decreases with an increase in the structural damping ratio, and is insensitive to the wind load amplitude within a certain range, implying that the TLD has a stable damping performance over a range of wind speed variations.
Kang Cai;Mingfeng Huang;Xiao Li;Haiwei Xu;Binbin Li;Chen Yang
Wind and Structures
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제37권6호
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pp.445-460
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2023
Accurate estimation of modal parameters (i.e., natural frequency, damping ratio) of tall buildings is of great importance to their structural design, structural health monitoring, vibration control, and state assessment. Based on the combination of variational mode decomposition, smoothed discrete energy separation algorithm-1, and Half-cycle energy operator (VMD-SH), this paper presents a method for structural modal parameter estimation. The variational mode decomposition is proved to be effective and reliable for decomposing the mixed-signal with low frequencies and damping ratios, and the validity of both smoothed discrete energy separation algorithm-1 and Half-cycle energy operator in the modal identification of a single modal system is verified. By incorporating these techniques, the VMD-SH method is able to accurately identify and extract the various modes present in a signal, providing improved insights into its underlying structure and behavior. Subsequently, a numerical study of a four-story frame structure is conducted using the Newmark-β method, and it is found that the relative errors of natural frequency and damping ratio estimated by the presented method are much smaller than those by traditional methods, validating the effectiveness and accuracy of the combined method for the modal identification of the multi-modal system. Furthermore, the presented method is employed to estimate modal parameters of a full-scale tall building utilizing acceleration responses. The identified results verify the applicability and accuracy of the presented VMD-SH method in field measurements. The study demonstrates the effectiveness and robustness of the proposed VMD-SH method in accurately estimating modal parameters of tall buildings from acceleration response data.
Rayleigh damping model is recommended in the recently developed Performance-Based Earthquake Engineering (PBEE) methodology, but this methodology does not provide sufficient information due to the complexity of the damping mechanism. Furthermore, each Rayleigh-type damping model may have its individual limitations. In this study, Rayleigh-type damping models that are used widely in engineering practice are discussed. The seismic performance of a large-span single-layer latticed dome subjected to earthquake ground motions is investigated using different Rayleigh damping models. Herein a simulation technique is developed considering low cycle fatigue (LCF) in steel material. In the simulation technique, Ramberg-Osgood steel material model with the low cycle fatigue effect is used to simulate the non-uniformly distributed material damping and low cycle fatigue damage in the structure. Subsequently, the damping forces of the structure generated by different damping models are compared and discussed; the effects of the damping ratio and roof load on the damping forces are evaluated. Finally, the low cycle fatigue damage values in sections of members are given using these damping models. Through a comparative analysis, an appropriate Rayleigh-type damping model used for a large span single-layer latticed dome subjected to earthquake ground motions is determined in terms of the existing damping models.
In automotive industry, all passenger vehicles are treated with damping materials to reduce structure borne noise. The effectiveness of damping treatments depends upon design parameters such as choice of damping materials. locations and size of the treatment. Generally, the CAE method uses modal strain-energy information of the bare structural panels to identify flexible regions, which in turn facilitates optimization of damping treatments with respect to location and size. This paper proposes a design of the damping material with a CAE(Computer Aided Engineering) methodology based on finite element analysis and DOE(Design Of Experiments) to optimize damping treatments.
Input excitation and output response of structure are needed in conventional modal analysis methods. However, input excitation is often difficult to be obtained in the dynamic load test of bridge structures. Therefore, what attracts engineers' attention is how to get dynamic parameters from the output response. In this paper, a structural experimental modal analysis method is introduced, which can be used to conveniently obtain dynamic parameters of the structure from the free decay response. With known damping coefficients, this analysis method can be used to identify the natural frequencies and the mode shapes of MDOF structures. Based on the modal analysis theory, the mathematical relationship of damping ratio and frequency is obtained. By using this mathematical relationship to improve the previous method, an improved experimental modal analysis method is proposed in this paper. This improved method can overcome the deficiencies of the previous method, which can not identify damping ratios and requires damping coefficients in advance. Additionally, this improved method can also identify the natural frequencies, mode shapes and damping ratios of the bridge only from the free decay response, and ensure the stability of identification process by using modern mathematical means. Finally, the feasibility and effectiveness of this method are demonstrated by a numerical example of a simply supported reinforced concrete beam.
The flexural vibration of laminated composite beams with an electro-rheological(ER) fluid has been investigated to design a structure with maximum possible damping capacity. The equations of motion are derived for flexural vibrations of symmetrical, mu1ti-layer laminated beams. The damping radio and modal damping of the first bending mode are calculated by means of iterative complex eigensolution method. Finite element method is used for the analysis of dynamic characteristics of the laminated composite beams with an ER fluid. For the validation of modeling methodology using viscoelastic theory the predicted dynamic properties are compared to the measured ones by author's previous work. They are in good agreement. This paper addresses a design strategy of laminated composite under flexural vibrations with an ER fluid.
The main purpose of this study is to figure out of seismic structural behaviour of Gukrakjeon of Bongjung-Temple which is the oldest wooden architecture in Korea, and to evaluate in engineering aspect of seismic records. The non-lineal analysis is essential for accurate evaluation of wooden architecture in seismic behaviour. Based on the experimental test with applying cycle forces in joint specimens is focusing on not only to prove the structural characteristics, but also to evaluate damping ratio, As the result of this test, damping ratio is affected not the joint methods but the frame variations. The average damping ratio was 26%.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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