Lakshmanan, N.;Gopalakrishnan, N.;Rama Rao, G.V.;Sathish kumar, K.
Geomechanics and Engineering
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v.1
no.2
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pp.121-142
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2009
The paper deals with the applications of spectral finite element method to the dynamic analysis of framed foundations supporting high speed machines. Comparative performance of approximate dynamic stiffness methods formulated using static stiffness and lumped or consistent or average mass matrices with the exact spectral finite element for a three dimensional Euler-Bernoulli beam element is presented. The convergence of response computed using mode superposition method with the appropriate dynamic stiffness method as the number of modes increase is illustrated. Frequency proportional discretisation level required for mode superposition and approximate dynamic stiffness methods is outlined. It is reiterated that the results of exact dynamic stiffness method are invariant with reference to the discretisation level. The Eigen-frequencies of the system are evaluated using William-Wittrick algorithm and Sturm number generation in the $LDL^T$ decomposition of the real part of the dynamic stiffness matrix, as they cannot be explicitly evaluated. Major's method for dynamic analysis of machine supporting structures is modified and the plane frames are replaced with springs of exact dynamic stiffness and dynamically flexible longitudinal frames. Results of the analysis are compared with exact values. The possible simplifications that could be introduced for a typical machine induced excitation on a framed structure are illustrated and the developed program is modified to account for dynamic constraint equations with a master slave degree of freedom (DOF) option.
Im, Seok Been;Cloudt, Harding C.;Fogle, Jeffrey A.;Hurlebaus, Stefan
Smart Structures and Systems
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v.12
no.3_4
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pp.427-440
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2013
A growing need has developed in the United States to obtain more specific knowledge on the structural integrity of infrastructure due to aging service lives, heavier and more frequent loading conditions, and durability issues. This need has spurred extensive research in the area of structural health monitoring over the past few decades. Several structural health monitoring techniques have been developed that are capable of locating damage in structures using modal strain energy of mode shapes. Typically in the past, bending strain energy has been used in these methods since it is a dominant vibrational mode in many structures and is easily measured. Additionally, there may be cases, such as pipes, shafts, or certain bridges, where structures exhibit significant torsional behavior as well. In this research, torsional strain energy is used to locate damage. The damage index method is used on two numerical models; a cantilevered steel pipe and a simply-supported steel plate girder bridge. Torsion damage indices are compared to bending damage indices to assess their effectiveness at locating damage. The torsion strain energy method is capable of accurately locating damage and providing additional valuable information to both of the structures' behaviors.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.9
no.6
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pp.1500-1505
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2008
To evaluate the structural integrity of the nuclear seismic category IIA bellows seal 2" globe valve under the seismic service conditions the seismic analysis was performed in accordance with ASME, section III, ND-3500, 1989 edition. The finite element computer program, ANSYS, Version 10.0, is used to perform both a mode frequency analysis and an equivalent static seismic analysis of the valve assembly. The mode frequency analysis results show the fundamental natural frequency is greater than 33 Hz and does not exist in seismic range, thus justifying the use of the static analysis. The stresses resulted from various loadings and their combinations are within the allowable limits specified in the above mentioned ASME code. The results of the seismic evaluation fully satisfied the structural acceptance criteria of the ASME code. Accordingly the structural integrity on the globe valve was proved.
In present study, Operational Modal Analysis (OMA) was employed to carry out the dynamic and vibration analysis of the threshing unit of the combine harvester thresher as a mechanical component. The main study is to find the causes of vibration and to decrease it to enhance the lifetime and efficiency of the threshing unit. By utilizing OMA, structural modal parameters such as mode shapes, natural frequencies, and damping ratio was calculated. The combine harvester was excited by engine to vibrate different parts and accelerometer sensor collected acceleration signals at different speeds, and OMA was utilized by nonparametric and frequency analysis methods to obtain modal parameters while vibrating in real working conditions. Afterwards, finite element model was designed from the thresher and updated using the data obtained from the modal analysis. Using the conducted analyses, it was specified that proximity of the thresher pass frequency to one of the natural frequencies (16.64 Hz) was the most important effect of vibration in the thresher. Modification process of the structure was carried out by increasing mass required for changing the natural frequency location of the first mode to 12.4 Hz in order to reduce resonance and vibration of the thresher.
Maddah, Mohammad M.;Eshghi, Sassan;Garakaninezhad, Alireza
Structural Engineering and Mechanics
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v.82
no.5
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pp.667-678
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2022
Moment-resisting frames (MRFs) are among the most conventional steel structures for mid-rise buildings in many earthquake-prone cities. Here, a simplified performance-based methodology is proposed for the seismic collapse capacity assessment of these buildings. This method employs a novel multi-mode pushover analysis to determine the engineering demand parameters (EDPs) of the regular steel MRFs up to the collapse prevention (CP) performance level. The modal combination coefficients used in the proposed pushover analysis, are obtained from two metaheuristic optimization algorithms and a fitting procedure. The design variables for the optimization process are the inter-story drift ratio profiles resulting from the multi-mode pushover analyses, and the objective values are the outcomes of the incremental dynamic analysis (IDA). Here, the collapse capacity of the structures is assessed in three to five steps, using a modified IDA procedure. A series of regular mid-rise steel MRFs are selected and analyzed to calculate the modal combination coefficients and to validate the proposed approach. The new methodology is verified against the current existing approaches. This comparison shows that the suggested method more accurately evaluates the EDPs and the collapse capacity of the regular MRFs in a robust and easy to implement way.
Structural dynamics usually applies modal transformation rules aimed at de-coupling and/or minimizing the equations of motion. Proper orthogonal decomposition provides mathematical and conceptual tools to define suitable transformed spaces where a multi-variate and/or multi-dimensional random process is represented as a linear combination of one-variate and one-dimensional uncorrelated processes. Double modal transformation is the joint application of modal analysis and proper orthogonal decomposition applied to the loading process. By adopting this method the structural response is expressed as a double series expansion in which structural and loading mode contributions are superimposed. The simultaneous use of the structural modal truncation, the loading modal truncation and the cross-modal orthogonality property leads to efficient solutions that take into account only a few structural and loading modes. In addition the physical mechanisms of the dynamic response are clarified and interpreted.
In this paper, it is aimed to determine the finite element model updating effects on the structural behavior of long span concrete highway bridges. Birecik Highway Bridge located on the 81stkm of Sanliurfa-Gaziantep state highway over Firat River in Turkey is selected as a case study. The bridge consist of fourteen spans, each of span has a nearly 26m. The total bridge length is 380m and width of bridge is 10m. Firstly, the analytical dynamic characteristics such as natural frequencies and mode shapes are attained from finite element analyses using SAP2000 program. After, experimental dynamic characteristics are specified from field investigations using Operational Modal Analysis method. Enhanced Frequency Domain Decomposition method in the frequency domain is used to extract the dynamic characteristics such as natural frequencies, mode shapes and damping ratios. Analytically and experimentally identified dynamic characteristics are compared with each other and finite element model of the bridge is updated to reduce the differences by changing of some uncertain parameters such as section properties, damages, boundary conditions and material properties. At the end of the study, structural performance of the highway bridge is determined under dead load, live load, and dynamic loads before and after model updating to specify the updating effect. Displacements, internal forces and stresses are used as comparison parameters. From the study, it is seen that the ambient vibration measurements are enough to identify the most significant modes of long span highway bridges. Maximum differences between the natural frequencies are reduced averagely from %46.7 to %2.39 by model updating. A good harmony is found between mode shapes after finite element model updating. It is demonstrated that finite element model updating has an important effect on the structural performance of the arch type long span highway bridge. Maximum displacements, shear forces, bending moments and compressive stresses are reduced %28.6, %21.0, %19.22, and %33.3-20.0, respectively.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.31
no.6
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pp.36-44
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2003
In this paper, an analytic solution method is proposed to overcome the numerical problems when the slewing dynamics of hybrid coordinate systems is investigated via time finite element analysis. It is shown that the dynamics of the hybrid coordinate systems is governed by the coupled dual differential equations for both slewing and structural modes. Structural modes are transformed into the time-based modal coordinates and analytic spatial propagation equations are derived for each space-dependent time mode. Slew angle history is obtained analytically by appropriate applications of the boundary conditions and structural propagation is re-calculated using the slew angle. Numerical examples are demonstrated to validate the proposed analytic method in comparison to the existing state transition matrix method.
Kim, Ji-Young;Kim, Ju-Yeon;Kim, Mi-Jin;Yu, Eun-Jong;Kim, Dae-Young
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.22
no.3
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pp.289-296
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2009
Natural frequency is a key parameter to determine the seismic and wind loading of tall flexible structures, and to assess the wind-induced vibration for serviceability check. In this study, natural frequencies and associated mode shapes were obtained from measured acceleration data and system identification technique. Subsequently, finite element(FE) models for a tall reinforced concrete buildings were built using a popular PC-based finite element analysis program and calibrated to match their natural frequencies and mode shapes to actual values. The calibration of the FE model included: 1) compensation of modulus of elasticity considering the mix design strength, 2) flexural stiffness of floor slabs, and 3) major non-structural components such as plain concrete walls. Natural frequencies and mode shapes from the final FE model showed best agreement with the measured values.
Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea
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v.26
no.1
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pp.39-45
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1989
Many mechanical systems including ships and/or offshore structures have poor dynamic response characteristics such as undesirable natural frequencies and undesirable mode shapes. It is mandatory to redesign the structure. In this paper a procedure for the dynamic redesign of an undamped structural system is presented. The method which uses a penalty function with a penalty term containing error in equilibrium for a given vibration mode may have a shortcoming. This method includes unconstrained eigenvector degrees of freedom as unknowns. In the work developed here, only constrained mode shape changes are used in the solution procedure, resulting in a reduction of the unnecessary calculations. Among the set of equations which characterizes the redesign of the structural systems, the under constrained problem is discussed here and formulated as an optimization problem, with an optimal criterion such as minimum change or minimum structural weight of the system. Four simple numerical applications illustrate the efficiency of the method. The method can be applied to the vibration problems of ships and/or offshore structures with an implementation of the commercial FE codes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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