Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.21
no.11
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pp.179-185
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2004
The effect of viscous damping on stability of beam resting on an elastic foundation subjected to a dry friction force is analytically studied. The beam resting on an elastic foundation subjected to dry friction force is modeled for simplicity into a beam resting on Kelvin-Voigt type foundation subjected to distributed follower load. In particular, the effects of four boundary conditions (clamped-free, clamped-pinned, pinned-pinned, clamped-clamped) on the system stability are considered. The critical value and instability type of columns on the elastic foundation subjected to a distributed follower load is investigated by means of finite element method for four boundary conditions. The elastic foundation modulus, viscous damping coefficient and boundary conditions affect greatly both the instability type and critical load. Also, the increase of damping coefficient raises the critical flutter load (stabilizing effect) but reduces the critical divergence load (destabilizing effect).
In this study, numerical analysis and experiments were performed to analyze the viscous damping effect according to the shape of the chamber skirt of the breakwater-linked inclined oscillating water column wave energy converter. Experiments were conducted using a two-dimensional mini wave tank and verified by comparing the results of a computational fluid dynamics numerical analysis. Pointed and rounded skirts were modeled to compare the effect of viscous damping when incident waves enter the chamber, and the difference in the displacement of the water surface in the chamber was compared according to the wave period for the two skirt shapes. The wave elevation in the chamber in the rounded-skirt condition was larger than the pointed-skirt condition in all wave periods, which was approximately 47% greater at 0.9 s of the incident wave period. Therefore, extracting the maximum energy through the optimal orifice is possible while minimizing the energy attenuation in the rounded-skirt condition.
The dynamic performance of the wave energy converter (WEC) rotor with different geometric parameters such as depth of submergence and beak angle has been assessed by considering the linear potential flow theory using WAMIT solver and along with the computational fluid dynamics (CFD). The effect of viscous damping is incorporated by conducting numerical free decay test using CFD. The hydrodynamic coefficients obtained from the WAMIT, viscous damping from the CFD and estimated PTO damping are used to solve the equation of motion to obtain the final pitch response, mean optimal power and capture width. The viscous damping is almost 0.9 to 4.6 times when compared to the actual damping. It is observed that by neglecting the viscous damping the pitch response and power are overestimated when compared to the without viscous damping. The performance of the pitch WEC rotor in the Jeju western coast at the Chagwido is analyzed using Joint North Sea Wave Project (JONSWAP) spectrum and square-root of average extracted power is obtained. The performance of WEC rotor with depth of submergence 2.8 m and beak angle $60^{\circ}$ found to be good compared to the other rotors.
As an alternative to current conventional force-based assessment methods, the energy-based seismic performance of a code-designed 20-storey high-rise steel building is evaluated in this paper. Using 3D nonlinear dynamic time-history method with consideration of additional material damping effect, the influences of different restoring force models and P-${\Delta}/{\delta}$ effects on energy components are investigated. By combining equivalent viscous damping and hysteretic damping ratios of the structure subjected to strong ground motions, a new damping model, which is amplitude-dependent, is discussed in detail. According to the analytical results, all energy components are affected to various extents by P-${\Delta}/{\delta}$ effects and a difference of less than 10% is observed; the energy values of the structure without consideration of P-${\Delta}/{\delta}$ effects are larger, while the restoring force models have a minor effect on seismic input energy with a difference of less than 5%, but they have a certain effect on both viscous damping energy and hysteretic energy with a difference of about 5~15%. The paper shows that the use of the hysteretic energy at its ultimate state as a seismic design parameter has more advantages than seismic input energy since it presents a more stable value. The total damping ratio of a structure consists of viscous damping ratio and hysteretic damping ratio and it is found that the equivalent viscous damping ratio is a constant for the structure, while the equivalent hysteretic damping ratio approximately increases linearly with structural response in elasto-plastic stage.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2000.10a
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pp.399-406
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2000
Viscous dampers have been utilized as bearings and STU`s (Shock Transmission Unit) in earthquake resistant designs for bridges. Some viscous dampers are used as energy dissipators on one hand, but some dampers such as STU`s are used as fixing devices during an earthquake on the other hand. This paper discusses the effect of viscous dampers on the response of bridge with respect to the magnitude of damping coefficients. For this purpose, a typical bridge was taken as an example, and time-history dynamic analysis have been carried out. The input seismic data used in the analyses are relevant to the response spectra in the Koreans design code. The results show that there is an optimum value of coefficient considered most effective in the design. A STU with a large value of coefficient seems to make its support fixed. The response of the bridge is not much sensitive to the variation of the damping coefficients.
Negative stiffness, previously emulated by active or semi-active control for cable vibration mitigation, is realized passively using a self-contained highly compressed spring, the negative stiffness device (NSD).The NSD installed in parallel with a viscous damper (VD) in the vicinity of cable anchorage, enables increment of damper deformation during cable vibrations and hence increases the attainable cable damping. Considering the small cable displacement at the damper location, even with the weakening device, the force provided by the NSD-VD assembly is approximately linear. Complex frequency analysis has thus been conducted to evaluate the damping effect of the assembly on the cable; the displacement-dependent negative stiffness is further accounted by numerical analysis, validating the accuracy of the linear approximation for practical ranges of cable and NSD configurations. The NSD is confirmed to be a practical and cost-effective solution to improve the modal damping of a cable provided by an external damper, especially for super-long cables where the damper location is particularly limited. Moreover, mathematically, a linear negative stiffness and viscous damping assembly has proven capability to represent active or semi-active control for simplified cable vibration analysis as reported in the literature, while in these studies only the assembly located near cable anchorage has been addressed. It is of considerable interest to understand the general characteristics of a cable with the assembly relieving the location restriction, since it is quite practical to have an active controller installed at arbitrary location along the cable span such as by hanging an active tuned mass damper. In this paper the cable frequency variations and damping evolutions with respect to the arbitrary assembly location are then evaluated and compared to those of a taut cable with a viscous damper at arbitrary location, and novel frequency shifts are observed. The characterized complex frequencies presented in this paper can be used for preliminary damping effect evaluation of an adaptive passive or semi-active or active device for cable vibration control.
Any rational approach to define the configuration and size of viscous fluid dampers in a structure should be based on the dynamic properties of the system with the dampers. In this paper we propose an alternative representation of the complex eigenvalues of multi degree of freedom systems with dampers to calculate new equivalent natural frequencies. Analytical expressions for the dynamic properties of a two-story building model with a linear viscous damper in the first floor (i.e. with a non-proportional damping matrix) are derived. The formulas permit to obtain the equivalent damping ratios and equivalent natural frequencies for all the modes as a function of the mass, stiffness and damping coefficient for underdamped and overdamped systems. It is shown that the commonly used formula to define the equivalent natural frequency is not applicable for this type of system and for others where the damping matrix is not proportional to the mass matrix, stiffness matrix or both. Moreover, the new expressions for the equivalent natural frequencies expose a novel phenomenon; the use of viscous fluid dampers can modify the vibration frequencies of the structure. The significance of the new equivalent natural frequencies is expounded by means of a simulated free vibration test. The proposed approach may offer a new perspective to study the effect of viscous dampers on the dynamic properties of a structure.
Near-field earthquake records including long-period high-amplitude velocity pulses can cause large isolation system displacements leading to buckling or rupture of isolators. In such cases, providing supplemental damping in the isolation system has been proposed as a solution. However, it is known that linear viscous dampers can reduce base displacements in case of near-field earthquakes but at the potential expense of increased superstructure response in case of far-field earthquakes. But can non-linear dampers with different levels of non-linearity offer a superior seismic performance? In order to answer this question, the effectiveness of non-linear viscous dampers in reducing isolator displacements and its effects on the superstructure response are investigated. A comparison with linear viscous dampers via time history analysis is done using a base-isolated benchmark building model under historical near-field and far-field earthquake records for a wide range of different levels of non-linearity and supplemental damping. The results show that the non-linearity level and the amount of supplemental damping play important roles in reducing base displacements effectively. Although use of non-linear supplemental dampers may cause superstructure response amplification in case of far-field earthquakes, this negative effect may be avoided or even reduced by using appropriate combinations of non-linearity level and supplemental damping.
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.
Banuelos-Garcia, Francisco H.;Ayala, Gustavo;Lopez, Saul
Earthquakes and Structures
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v.18
no.5
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pp.609-623
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2020
This paper presents a displacement-based seismic design procedure for new structures with fluid viscous dampers and/or for existing structures, where these devices are required as a retrofit measure and damage control. To consider the non-proportional damping produced by these devices in a conventional modal spectral analysis, the effect of the fluid viscous dampers is approximated as the sum of a proportional damping matrix and a complementary matrix which is representative of non-proportional damping matrix. To illustrate the application of this procedure and evaluate the performance of structures designed with the procedure proposed, five regular plane frames: 8, 12, 17, 20 and 25-storey, and an 8-storey building are designed. The seismic demands used for design and validation were the records obtained at the SCT site during the 1985 Michoacan earthquake, and that of the 2017 Morelos - Puebla earthquake obtained at the Culhuacan site, both stations located on soft soil sites. To validate the procedure proposed, the performances and damage distributions used as design targets were compared with the corresponding results from the nonlinear step-by-step analyses of the designed structures subjected to the same seismic demands.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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