시간영역에서 수행되는 비선형 지반응답해석에서 지반의 미소변형률 감쇠는 Rayleigh 감쇠공식을 이용하여 점성감쇠로서 모사된다. 실제 지반의 미소변형률 감쇠는 주파수의 영향을 받지 않는 반면 시간영역해석에서의 점성감쇠는 주파수의 영향을 크게 받으며 이의 영향정도는 Rayleigh 감쇠공식에 따라서 결정된다. 본 연구에서는 국내 지반에 대한 비선형 지반응답해석시 감쇠공식의 영향을 평가하고자 일련의 해석을 수행하였다. 해석결과 점성감쇠공식은 계산된 응답에 매우 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 널리 사용되는 Simplified Rayleigh 공식은 심도 30m 이상의 지반에서 수치적으로 발생하는 인공감쇠로 인하여 고주파수에서의 에너지 소산을 과대예측하는 것으로 나타난 반면, Full Rayleigh 공식을 사용하며 적절하게 최적주파수를 선정한 경우, 인공감쇠는 크게 감소하는 것으로 나타났다. 나아가 해석결과를 등가선형해석과 비교한 결과 20m 미만의 얕은 심도 지반에서도 등가선형 해석은 최대가속도를 과대예측 할 수 있는 것으로 나타났다.
Time-domain commercial codes are widely used to evaluate the seismic behavior of tunnels. Those tools offer a good insight into the performance and the failure mechanism of tunnels under earthquake loading. Viscous damping is generally employed in the dynamic analysis to consider damping at very small strains in some cases, and the Rayleigh damping is commonly used one. Many procedures to obtain the damping parameters have been proposed but they are seldom discussed. This paper illustrates the influence of the Rayleigh damping formulation on the tunnel visco-elastic behavior under earthquake. Four Rayleigh damping determination procedures and three soil shear velocity profiles are accounted for. The results show significant differences in the free-field and in the tunnel response caused by different procedures. The difference is somewhat decreased when the soil site fundamental frequency is increased. The conventional method which consists of using solely the first soil natural mode to determine the viscous damping parameters may lead to an unsafe seismic design of the tunnel. In general, using five times site fundamental frequency to obtain the damping formulation can provide relatively conservative results.
Inerter-based damping devices (IBBDs), which consist of inerter, spring and viscous damper, have been extensively investigated in vehicle suspension systems and demonstrated to be more effective than the traditional control devices with spring and viscous damper only. In the present study, the control performance on cable vibration reduction was studied for four different inerter-based damping devices, namely the parallel-connected viscous mass damper (PVMD), series-connected viscous mass damper (SVMD), tuned inerter dampers (TID) and tuned viscous mass damper (TVMD). Firstly the mechanism of the ball screw inerter is introduced. Then the state-space formulation of the cable-TID system is derived as an example for the cable-IBBDs system. Based on the complex modal analysis, single-mode cable vibration control analysis is conducted for PVMD, SVMD, TID and TVMD, and their optimal parameters and the maximum attainable damping ratios of the cable/damper system are obtained for several specified damper locations and modes in combination by the Nelder-Mead simplex algorithm. Lastly, optimal design of PVMD is developed for multi-mode vibration control of cable, and the results of damping ratio analysis are validated through the forced vibration analysis in a case study by numerical simulation. The results show that all the four inerter-based damping devices significantly outperform the viscous damper for single-mode vibration control. In the case of multi-mode vibration control, PVMD can provide more damping to the first four modes of cable than the viscous damper does, and their maximum control forces under resonant frequency of harmonic forced vibration are nearly the same. The results of this study clearly demonstrate the effectiveness and advantages of PVMD in cable vibration control.
Three structure-dependent integration methods with no numerical dissipation have been successfully developed for time integration. Although these three integration methods generally have the same numerical properties, such as unconditional stability, second-order accuracy, explicit formulation, no overshoot and no numerical damping, there still exist some different numerical properties. It is found that TLM can only have unconditional stability for linear elastic and stiffness softening systems for zero viscous damping while for nonzero viscous damping it only has unconditional stability for linear elastic systems. Whereas, both CEM and CRM can have unconditional stability for linear elastic and stiffness softening systems for both zero and nonzero viscous damping. However, the most significantly different property among the three integration methods is a weak instability. In fact, both CRM and TLM have a weak instability, which will lead to an adverse overshoot or even a numerical instability in the high frequency responses to nonzero initial conditions. Whereas, CEM possesses no such an adverse weak instability. As a result, the performance of CEM is much better than for CRM and TLM. Notice that a weak instability property of CRM and TLM might severely limit its practical applications.
Three structure-dependent integration methods with no numerical dissipation have been successfully developed for time integration. Although these three integration methods generally have the same numerical properties, such as unconditional stability, second-order accuracy, explicit formulation, no overshoot and no numerical damping, there still exist some different numerical properties. It is found that TLM can only have unconditional stability for linear elastic and stiffness softening systems for zero viscous damping while for nonzero viscous damping it only has unconditional stability for linear elastic systems. Whereas, both CEM and CRM can have unconditional stability for linear elastic and stiffness softening systems for both zero and nonzero viscous damping. However, the most significantly different property among the three integration methods is a weak instability. In fact, both CRM and TLM have a weak instability, which will lead to an adverse overshoot or even a numerical instability in the high frequency responses to nonzero initial conditions. Whereas, CEM possesses no such an adverse weak instability. As a result, the performance of CEM is much better than for CRM and TLM. Notice that a weak instability property of CRM and TLM might severely limit its practical applications.
This paper assesses efficiency of the continuum method as the idealized system of building structures. A modified Coupled Two-Beam (CTB) model equipped with classical and non-classical damping has been proposed and solved analytically. In this system, complementary (non-classical) damping models composed of bending and shear mechanisms have been defined. A spatial shear damping model which is non-homogeneously distributed has been adopted in the CTB formulation and used to equivalently model passive dampers, viscous and viscoelastic devices, embedded in building systems. The application of continuum-based models for the dynamic analysis of shear wall systems has been further discussed. A reference example has been numerically analyzed to evaluate the efficiency of the presented CTB, and the optimization problems of the shear damping have been finally ascertained using local and global performance indices. The results reveal the superior performance of non-classical damping models against the classical damping. They show that the critical position of the first modal rotation in the CTB is reliable as the optimum placement of the shear damping. The results also prove the good efficiency of such a continuum model, in addition to its simplicity, for the fast estimation of dynamic responses and damping optimization issues in building systems.
The paper presents a study on the effects of soil-structure-interaction (SSI) on the performance of the compliant liquid column damper (CLCD) for the seismic vibration control of short period structures. The frequency-domain formulation for the input-output relation of a flexible-base structure with CLCD has been derived. The superstructure has been modeled as a linear, single degreeof-freedom (SDOF) system. The foundation has been considered to be attached to the underlying soil medium through linear springs and viscous dashpots, the properties of which have been represented by complex valued impedance functions. By using a standard equivalent linearization technique, the nonlinear orifice damping of the CLCD has been replaced by equivalent linear viscous damping. A numerical stochastic study has been carried out to study the functioning of the CLCD for varying degrees of SSI. Comparison of the damper performance when it is tuned to the fixed-base structural frequency and when tuned to the flexible-base structural frequency has been made. The effects of SSI on the optimal value of the orifice damping coefficient of the damper has also been studied. A more convenient approach for designing the damper while considering SSI, by using an established model of a replacement oscillator for the structure-soil system has also been presented. Finally, a simulation study, using a recorded accelerogram, has been carried out on the CLCD performance for the flexible-base structure.
The use of smart dampers to optimally control the response of structures is on the increase. To maximize the potential use of such damper systems, their accurate modeling and assessment of their performance is of vital interest. In this study, the performance of a controllable fluid dashpot damper, in terms of damper forces, damper dynamic range and damping force hysteretic loops, respectively, is studied mathematically. The study employs a damper Bingham-Maxwell (BingMax) model whose mathematical formulation is developed using a Fourier series technique. The technique treats this one-dimensional Navier-Stokes's momentum equation as a linear superposition of initial-boundary value problems (IBVPs): boundary conditions, viscous term, constant Direct Current (DC) induced fluid plug and fluid inertial term. To hold the formulation applicable, the DC current level to the damper is supplied as discrete constants. The formulation and subsequent simulation are validated with experimental results of a commercially available magneto rheological (MR) dashpot damper (Lord model No's RD-1005-3) subjected to a sinusoidal stroke motion using a 'SCHENK' material testing machine in the Materials Laboratory at the University of Technology, Sydney.
Abdulrazzaq, Mohammed Abdulraoof;Muhammad, Ahmed K.;Kadhim, Zeyad D.;Faleh, Nadhim M.
Coupled systems mechanics
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제9권3호
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pp.201-217
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2020
This paper employs differential quadrature method (DQM) and nonlocal strain gradient theory (NSGT) for studying free vibrational characteristics of porous functionally graded (FG) nanoplates coupled by visco-elastic foundation. A secant function based refined plate theory is used for mathematical modeling of the nano-size plate. Two scale factors are included in the formulation for describing size influences based on NSGT. The material properties for FG plate are porosity-dependent and defined employing a modified power-law form. Visco-elastic foundation is presented based on three factors including a viscous layer and two elastic layers.The governing equations achieved by Hamilton's principle are solved implementing DQM. The nanoplate vibration is shown to be affected by porosity, temperature rise,scale factors and viscous damping.
This paper presents an estimation method for the static configuration of a steel lazy wave riser (SLWR) using the dynamic relaxation method applied to estimate the configuration of structures with strong geometric non-linearity. The lumped mass model is introduced to reflect the flexible structural characteristics of the riser. In the lumped mass model, the tensions, shear forces, buoyancy, self-weights, and seabed reaction forces at nodal points are considered in order to find the static configuration of the SLWR. The dynamic relaxation method using a viscous damping formulation is applied to the static configuration analysis. Fictitious masses are defined at nodal points using the sum of the largest direct stiffness values of nodal points to ensure the numerical stability. Various case studies were performed according to the bending stiffness and size of the buoyancy module using the dynamic relaxation method. OrcaFlex was employed to validate the accuracy of the developed numerical method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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