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.
Mathias, Neville;Ranaudo, Francesco;Sarkisian, Mark
International Journal of High-Rise Buildings
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v.5
no.1
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pp.51-62
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2016
The concept of introducing viscous damping devices between outriggers and perimeter columns in tall buildings to provide supplementary damping and improve performance, reduce structural costs, and increase available usable area was developed and implemented by Smith and Willford (2007). It was recognized that the relative vertical movement that would occur between the ends of outriggers and columns, if they were not connected, could be used to generate damping. The movements, and correspondingly damping, can potentially be significantly increased by amplifying them using simple "mechanisms". The mechanisms also make it possible to increase the number of available dampers and thus further increase supplementary damping. The feasibility of mechanisms to amplify supplementary damping and enhance structural performance of tall, slender buildings is studied with particular focus on its efficacy in improving structural performance in wind loads.
In this article, one of the procedures to design viscous dampers proposed in literature is applied to 3D asymmetric-plan buildings, considering different distributions for the damping coefficients, which are assumed to be proportional to specific structural or response parameters. The main purpose was to investigate the effectiveness of different vertical and in-plan distributions of the damping coefficients of nonlinear viscous dampers for the seismic retrofit of existing buildings. For comparison purposes, all the distributions were applied utilizing both a simplified and an extended method for the 3D structures, where the simplified method takes into account only the translation in the seismic direction, and the extended method considers the translations along the two orthogonal directions together with the floor rotations. The proposed distributions were then applied to a typical case study involving an asymmetric-plan six-storey RC building. The effectiveness of the different distributions was examined through time-history analyses, assuming nonlinear behaviour for both the viscous dampers and the structural elements. The results of the nonlinear dynamic analyses were examined in terms of maximum and residual inter-storey drifts, peak floor accelerations and maximum damper forces.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.5
no.4
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pp.513-528
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2013
A floating Oscillating Water Column (OWC) wave energy converter, a Backward Bent Duct Buoy (BBDB), was simulated using a state-of-the-art, two-dimensional, fully-nonlinear Numerical Wave Tank (NWT) technique. The hydrodynamic performance of the floating OWC device was evaluated in the time domain. The acceleration potential method, with a full-updated kernel matrix calculation associated with a mode decomposition scheme, was implemented to obtain accurate estimates of the hydrodynamic force and displacement of a freely floating BBDB. The developed NWT was based on the potential theory and the boundary element method with constant panels on the boundaries. The mixed Eulerian-Lagrangian (MEL) approach was employed to capture the nonlinear free surfaces inside the chamber that interacted with a pneumatic pressure, induced by the time-varying airflow velocity at the air duct. A special viscous damping was applied to the chamber free surface to represent the viscous energy loss due to the BBDB's shape and motions. The viscous damping coefficient was properly selected using a comparison of the experimental data. The calculated surface elevation, inside and outside the chamber, with a tuned viscous damping correlated reasonably well with the experimental data for various incident wave conditions. The conservation of the total wave energy in the computational domain was confirmed over the entire range of wave frequencies.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.39
no.1
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pp.97-107
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2015
An analytical model was developed to estimate the viscous and squeeze-film damping ratios of heat exchanger tubes subjected to a two-phase cross-flow. Damping information is required to analyze the flow-induced vibration problem for heat exchange tubes. In heat exchange tubes, the most important energy dissipation mechanisms are related to the dynamic interaction between structures such as the tube and support and the liquid. The present model was formulated considering the added mass coefficient, based on an approximate model by Sim (1997). An approximate analytical method was developed to estimate the hydrodynamic forces acting on an oscillating inner cylinder with a concentric annulus. The forces, including the damping force, were calculated using two models developed for relatively high and low oscillatory Reynolds numbers, respectively. The equivalent diameters for the tube bundles and tube support, and the penetration depth, are important parameters to calculate the viscous damping force acting on tube bundles and the squeeze-film damping forces on the tube support, respectively. To calculate the void fraction of a two-phase flow, a homogeneous model was used. To verify the present model, the analytical results were compared to the results given by existing theories. It was found that the present model was applicable to estimate the viscous damping ratio and squeeze-film damping ratio.
Palmeri, A.;Ricciardelli, F.;Muscolino, G.;De Luca, A.
Wind and Structures
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v.7
no.2
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pp.89-106
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2004
The response of tall buildings to gust buffeting is usually evaluated assuming that the structural damping is of a viscous nature. In addition, when dampers are incorporated in the design to mitigate the response, their effect is allowed for increasing the building modal damping ratios by a quantity corresponding to the additional energy dissipation arising from the presence of the devices. Even though straightforward, this procedure has some degree of inaccuracy due to the existence of a memory effect, associated with the damping mechanism, which is neglected by a viscous model. In this paper a more realistic viscoelastic model is used to evaluate the response to gust buffeting of tall buildings provided with energy dissipation devices. Both cases of viscous and hysteretic inherent damping are considered, while for the dampers a generic viscoelastic behaviour is assumed. The Laguerre Polynomial Approximation is used to write the equations of motion and find the frequency response functions. The procedure is applied to a 25-story building to quantify the memory effects, and the inaccuracy arising when the latter is neglected.
Cui, Chun Y.;Meng, Kun;Wu, Ya J.;Chapman, David;Liang, Zhi M.
Geomechanics and Engineering
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v.16
no.6
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pp.609-618
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2018
A new mechanical model for predicting the vibration of a pipe pile embedded in longitudinally layered visco-elastic media with radial inhomogeneity is proposed by extending Novak's plain-strain model and complex stiffness method to consider viscous-type damping. The analytical solutions for the dynamic impedance, the velocity admittance and the reflected signal of wave velocity at the pile head are also derived and subsequently verified by comparison with existing solutions. An extensive parametric analysis is further performed to examine the effects of shear modulus, viscous damping coefficient, coefficient of disturbance degree, weakening or strengthening range of surrounding soil and longitudinal soft or hard interbedded layer on the velocity admittance and the reflected signal of wave velocity at the pile head. It is demonstrated that the proposed model and the obtained solutions provide extensive possibilities for practical application compared with previous related studies.
Recent years, direct displacement-based design (DDBD) procedure is proposed for the design of un-bonded posttensioned (UPT) concrete wall systems. In the DDBD procedure, the determination of the equivalent viscous damping (EVD) ratio is critical since it would influence the strength demand of the UPT wall systems. Nevertheless, the influence of EVD ratio determination of the UPT wall systems were not thoroughly evaluated. This study was aimed to investigate the influence of different EVD ratio determinations on the DDBD procedure of UPT wall systems. Case study structures with four, twelve and twenty storeys have been designed with DDBD procedure considering different EVD ratio determinations. Nonlinear time history analysis was performed to validate the design results of those UPT wall systems. And the simulation results showed that the global responses of the case study structures were influenced by the EVD ratio determination.
In the paper, a fractional derivative Kelvin-Voigt model describing the dynamic behavior of a special class of fluid viscous dampers, is presented. First of all, in order to verify their mechanical properties, two devices were tested the former behaving as a pure damper (PD device), whereas the latter as an elastic-damping device (ED device). For both, quasi-static and dynamic tests were carried out under imposed displacement control. Secondarily, in order to describe their cyclical behavior, a model composed by an elastic and a damping element connected in parallel was defined. The elastic force was assumed as a linear function of the displacement whereas the damping one was expressed by a fractional derivative of the displacement. By setting an appropriate numerical algorithm, the model parameters (fractional derivative order, damping coefficient and elastic stiffness) were identified by experimental results. The estimated values allowed to outline the main parameter properties on which depend both the elastic as well as the damping behavior of the considered devices.
In this paper, optimum methods of wind-induced vibration control of high-rise buildings are mainly studied. Two optimum methods, genetic algorithms (GA) method and Rayleigh damping method, are firstly employed and proposed to perform optimum study on wind-induced vibration control, six target functions are presented in GA method based on spectrum analysis. Structural optimum analysis programs are developed based on Matlab software to calculate wind-induced structural responses. A high-rise steel building with 20-storey is adopted and 22 kinds of control plans are employed to perform comparison analysis to validate the feasibility and validity of the optimum methods considered. The results show that the distributions of damping coefficients along structural height for mass proportional damping (MPD) systems and stiffness proportional damping (SPD) systems are entirely opposite. Damping systems of MPD and GAMPD (genetic algorithms and mass proportional damping) have the best performance of reducing structural wind-induced vibration response and are superior to other damping systems. Standard deviations of structural responses are influenced greatly by different target functions and the influence is increasing slightly when higher modes are considered, as shown fully in section 5. Therefore, the influence of higher modes should be considered when strict requirement of wind-induced vibration comfort is needed for some special structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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