This paper presents an investigation into the magneto-thermo-mechanical vibration and damping of a viscoelastic functionally graded-carbon nanotubes (FG-CNTs)-reinforced curved microbeam based on Timoshenko beam and strain gradient theories. The structure is surrounded by a viscoelastic medium which is simulated with spring, damper and shear elements. The effective temperature-dependent material properties of the CNTs-reinforced composite beam are obtained using the extended rule of mixture. The structure is assumed to be subjected to a longitudinal magnetic field. The governing equations of motion are derived using Hamilton's principle and solved by employing differential quadrature method (DQM). The effect of various parameter like volume percent and distribution type of CNTs, temperature change, magnetic field, boundary conditions, material length scale parameter, central angle, viscoelastic medium and structural damping on the vibration and damping behaviors of the nanocomposite curved microbeam is examined. The results show that with increasing volume percent of CNTs and considering magnetic field, material length scale parameter and viscoelastic medium, the frequency of the system increases and critically damped situation occurs at higher values of damper constant. In addition, the structure with FGX distribution type of CNTs has the highest stiffness. It is also observed that increasing temperature, structural damping and central angle of curved microbeam decreases the frequency of the system.
Long span cable-stayed bridges are extremely vulnerable to dynamic excitations such as which caused by traffic load, wind and earthquake. Studies on cable-stayed bridge vibration control have been keenly interested by researchers and engineers in design new bridges and assessing in-service bridges. In this paper, a novel Hybrid-Tuned Mass Damper (H-TMD) is proposed and a hybrid control model named Mixed Logic Dynamic (MLD) is employed to build the bridge-H-TMD system to mitigate the vibrations. Firstly, the fundamental theory and modeling process of MLD model is introduced. After that, a new state switching design of the H-TMD and state space equations for different states are proposed to control the bridge vibrations. As the state switching designation presented, the H-TMDs can applied active force to bridge only if the structural responses are beyond the limited thresholds, otherwise, the vibrations can be reduced by passive components of dampers without active control forces provided. A new MLD model including both passive and active control states is built based on the MLD model theory and the state switching design of H-TMD. Then, the case study is presented to demonstrate the proposed methodology. In the case study, the control scheme with H-TMDs is applied for a long span cable-stayed bridge, and the MLD model is established and simulated with earthquake excitation. The simulation results reveal that the suggested method has a well damping effect and the established system can be switched between different control states as design excellently. Finally, the energy consumptions of H-TMD schemes are compared with that of Active Tuned Mass Damper (ATMD) schemes under variable seismic wave excitations. The compared results show that the proposed H-TMD can save energy than ATMD.
The number of cable-stayed bridges has been increasing worldwide, causing issues in maintaining the structural safety and integrity of bridges. The stay cable, one of the most critical members in cable-stayed bridges, is vulnerable to wind-induced vibrations owing to its inherent low damping capacity. Thus, vibration mitigation of stay cables has been an important issue both in academia and practice. While a semi-active control scheme shows effective vibration reduction compared to a passive control scheme, real-world applications are quite limited because it requires complicated equipment, including for data acquisition, and power supply. This study aims to develop an Arduino-based integrated cable vibration control system implementing a semi-active control algorithm. The integrated control system is built on the low-cost, low-power Arduino platform, embedding a semi-active control algorithm. A MEMS accelerometer is installed in the platform to conduct a state feedback for the semi-active control. The Linear Quadratic Gaussian control is applied to estimate a cable state and obtain a control gain, and the clipped optimal algorithm is implemented to control the damping device. This study selects the magnetorheological damper as a semi-active damping device, controlled by the proposed control system. The developed integrated system is applied to a laboratory size cable with a series of experimental studies for identifying the effect of the system on cable vibration reduction. The semi-active control embedded in the integrated system is compared with free and passive mode cases and is shown to reduce the vibration of stay-cables effectively.
The seismic performance of the tall building equipped with a tuned mass damper (TMD) considering soil-structure interaction (SSI) effects is well studied in the literature. However, these studies are performed on the nominal model of the seismic-excited structural system with SSI. Hence, the outcomes of the studies may not valid for the actual structural system. To address the study gap, the reliability theory as a useful and powerful method is utilized in the paper. The present study aims to carry out reliability analyses on tall buildings equipped with TMD under near-field pulse-like (NFPL) ground motions considering SSI effects using a subset simulation (SS) method. In the presence of uncertainties of the structural model, TMD device, foundation, soil, and near-field pulse-like ground motions, the numerical studies are performed on a benchmark 40-story building and the failure probabilities of the structures with and without TMD are evaluated. Three types of soils (dense, medium, and soft soils), different earthquake magnitudes (Mw = 7,0. 7,25. 7,5 ), different nearest fault distances (r = 5. 10 and 15 km), and three seismic performance levels of immediate occupancy (IO), life safety (LS), and collapse prevention (CP) are considered in this study. The results show that tall buildings built near faults and on soft soils are more affected by uncertainties of the structural and ground motion models. Hence, ignoring these uncertainties may result in an inaccurate estimation of the maximum seismic responses. Also, it is found the TMD is not able to reduce the failure probabilities of the structure in the IO seismic performance level, especially for high earthquake magnitudes and structures built near the fault. However, TMD is significantly effective in the reduction of failure probability for the LS and CP performance levels. For weak earthquakes and long fault distances, the failure probabilities of both structures with and without TMD are near zero, and the efficiency of the TMD in the reduction of failure probabilities is reduced by increasing earthquake magnitudes and the reduction of fault distance. As soil softness increases, the failure probability of structures both with and without TMD often increases, especially for severe near-fault earthquake motion.
Concentrated Solar Photovoltaic (CPV) is a promising alternative to conventional solar structures. These solar tracking structures need to be optimized to be competitive against other types of energy production. In particular, the selection of the structural parameters needs to be optimized with regards to the dynamic wind response. This study aims to evaluate the effect of the main structural parameters, as selected in the preliminary design phase, on the wind response and then on the weight of the steel support structure. A parametric study has been performed where parameters influencing dynamic wind response are varied. The study is performed using a semi-deterministic time-domain wind analysis method. Unsteady aerodynamic model is applied for the shape of the CPV structure collector at different configurations in conjunction with a consistent mass-spring-damper model with the corresponding degrees of freedom to describe the dynamic response of the system. It is shown that, unlike the static response analysis, the variation of the peak wind response with many structural parameters is highly nonlinear because of the dynamic wind action. A steel structural optimization process reveals that close attention to structural and site wind parameters could lead to optimal design of CPV steel support structure.
The application of shape memory alloys (SMAs) to the seismic response reduction of civil engineering structures has attracted growing interest due to their self-centering feature and excellent fatigue performance. The loading rate dependence of SMAs raises a concern in the seismic analysis of SMA-based devices. However, the implementation of micromechanics-based strain-rate-dependent constitutive models in structural analysis software is rather complicated and computationally demanding. This paper investigates the feasibility of replacing complex rate-dependent models with rate-independent constitutive models for superelastic SMA elements in seismic time-history analysis. Three uniaxial constitutive models for superelastic SMAs, including one rate-dependent thermomechanical model and two rate-independent phenomenological models, are considered in this comparative study. The pros and cons of the three nonlinear constitutive models are also discussed. A parametric study of single-degree-of-freedom systems with different initial periods and strength reduction factors is conducted to examine the effect of the three constitutive models on seismic simulations. Additionally, nonlinear time-history analyses of a three-story prototype steel frame building with special SMA-based damping braces are performed. Two suites of seismic records that correspond to frequent and design basis earthquakes are used as base excitations in the seismic analyses of steel-braced frames. The results of this study show that the rate-independent constitutive models, with their parameters properly tuned to dynamic test data, are able to predict the seismic responses of structures with SMA-based seismic response modification devices.
Recently, the problem controlling lateral drift is important in tall buildings for improvement in economic efficiency and habitability. But, the Outrigger System, general used for tall building in Korea, has weak points with the occupancy of special space and the long duration of works. The dampers are applied to actively control building's response by earthquake and wind load in these days. Accordingly, we analyze the effect of the drift control using various dampers to substitute for the Outrigger System as the efficient system in tall buildings.
Traditional experimental verification for nonlinear system identification often faces the problem of experiment model repeatability. In our research, a steel frame experimental model is developed to imitate the behavior of a single story steel frame under horizontal excitation. Two adjustable rotational dampers are used to simulate the plastic hinge effect of the damaged beam-column joint. This model is suggested as a benchmark model for nonlinear dynamics study. Since the nonlinear form provided by the damper is unknown, a Morlet wavelet based method is introduced to identify the mathematical model of this structure under different damping cases. After the model identification, earthquake excitation tests are carried out to verify the generality of the identified model. The results show the extensive applicability and effectiveness of the identification method.
Bluff bodies under the external periodic force vibrate at their own natural or forced frequency. Rectangular bodies or similar structures such as high-rise towers and apartments, and recently a well-cited application - offshore floating bodies, usually needs to reduce these vibrations for stability and the mode control. Therefore, this study is aiming to reduce or control the vibration of a structure by a passive control method, i.e., TLCD (Tuned Liquid Column Damper). Controlling a moving body with a TLCD based on a variety of the orifice shape has been preliminary studied. In order to get a proper control, an optimized study is made on the design of the orifice shape, which has internal plates with the holes. The results show the force acting on the body due to the periodic movement highly depends on the number of holes on the plate and the height of the water level. Therefore, the optimum shape of the orifice and the height of the water level should be confirmed by a series of experiments.
In this paper, a proper support tuning method is established by identifying the dynamic characteristics of the machine, the floor. and the inertia force. Also, the limitation of a passive isolation is presented. To simplify the dynamic analysis and to establish a proper design method for supporting system, each of the machine and the floor is modeled as a single degree of freedom spring-mass-damper system under careful investigation of the dynamic characteristics of each system and appropriate assumptions. Then, the dynamic behavior of a 2DOF system and the effect of the mass and the damping are investigated. Also, the characteristics of motion profiles are investigated. In addition, a quasi-static analysis on the transmitted force through support is performed and related tests are performed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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