This paper deals with determining the fundamental frequency of tall buildings that consist of framed tube, shear core, belt truss and outrigger systems in which the framed tube and shear core vary in size along the height of the structure. The effect of belt truss and outrigger system is modeled as a concentrated rotational linear spring at the belt truss and outrigger system location. Many cantilevered tall structures can be treated as cantilevered beams with variable cross-section in free vibration analysis. In this paper, the continuous approach, in which a tall building is replaced by an idealized cantilever continuum representing the structural characteristics, is employed and by using energy method and Hamilton's variational principle, the governing equation for free vibration of tall building with variable distributed mass and stiffness is obtained. The general solution of governing equation is obtained by making appropriate selection for mass and stiffness distribution functions. By applying the separation of variables method for time and space, the governing partial differential equation of motion is reduced to an ordinary differential equation with variable coefficients with the assumption that the transverse displacement is harmonic. A power-series solution representing the mode shape function of tall building is used. Applying boundary conditions yields the boundary value problem; the frequency equation is established and solved through a numerical process to determine the natural frequencies. Computer program has been developed in Matlab (R2009b, Version 7.9.0.529, Mathworks Inc., California, USA). A numerical example has been solved to demonstrate the reliability of this method. The results of the proposed mathematical model give a good understanding of the structure's dynamic characteristics; it is easy to use, yet reasonably accurate and suitable for quick evaluations during the preliminary design stages.
In this research, the free vibration response of laminated composite plates is investigated using a novel and simple higher order shear deformation plate theory. The model considers a non-linear distribution of the transverse shear strains, and verifies the zero traction boundary conditions on the surfaces of the plate without introducing shear correction coefficient. The developed kinematic uses undetermined integral terms with only four unknowns. Equations of motion are obtained from the Hamilton's principle and the Navier method is used to determine the closed-form solutions of antisymmetric cross-ply and angle-ply laminates. Numerical examples studied using the present formulation is compared with three-dimensional elasticity solutions and those calculated using the first-order and the other higher-order theories. It can be concluded that the present model is not only accurate but also efficient and simple in studying the free vibration response of laminated composite plates.
Kolahdouzan, Farzad;Arani, Ali Ghorbanpour;Abdollahian, Mohammad
Steel and Composite Structures
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v.26
no.3
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pp.273-287
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2018
Buckling and free vibration analysis of sandwich micro plate (SMP) integrated with piezoelectric layers embedded in orthotropic Pasternak are investigated in this paper. The refined Zigzag theory (RZT) is taken into consideration to model the SMP. Four different types of functionally graded (FG) distribution through the thickness of the SMP core layer which is reinforced with single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) are considered. The modified couple stress theory (MCST) is employed to capture the effects of small scale effects. The sandwich structure is exposed to a two dimensional magnetic field and also, piezoelectric layers are subjected to external applied voltages. In order to obtain governing equation, energy method as well as Hamilton's principle is applied. Based on an analytical solution the critical buckling loads and natural frequency are obtained. The effects of volume fraction of carbon nanotubes (CNTs), different distributions of CNTs, foundation stiffness parameters, magnetic and electric fields, small scale parameter and the thickness of piezoelectric layers on the both critical buckling loads and natural frequency of the SMP are examined. The obtained results demonstrate that the effects of volume fraction of CNTs play an important role in analyzing buckling and free vibration behavior of the SMP. Furthermore, the effects of magnetic and electric fields are remarkable on the mechanical responses of the system and cannot be neglected.
In this paper, a new higher order shear deformation model is developed for static and free vibration analysis of functionally graded beams with considering porosities that may possibly occur inside the functionally graded materials (FGMs) during their fabrication. Different patterns of porosity distributions (including even and uneven distribution patterns, and the logarithmic-uneven pattern) are considered. In addition, the effect of different micromechanical models on the bending and free vibration response of these beams is studied. Various micromechanical models are used to evaluate the mechanical characteristics of the FG beams whose properties vary continuously across the thickness according to a simple power law. Based on the present higher-order shear deformation model, the equations of motion are derived from Hamilton's principle. Navier type solution method was used to obtain displacement, stresses and frequencies, and the numerical results are compared with those available in the literature. A comprehensive parametric study is carried out to assess the effects of volume fraction index, porosity fraction index, micromechanical models, mode numbers, and geometry on the bending and natural frequencies of imperfect FG beams.
R. Bina;M. Soltani Tehrani;A. Ahmadi;A. Ghanim Taki;R. Akbarian
Steel and Composite Structures
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v.52
no.4
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pp.487-499
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2024
The primary objective of this study is to analyze the free vibration behavior of a sandwich cylindrical shell with a defective core and wavy carbon nanotube (CNT)-enhanced face sheets, utilizing the three-dimensional theory of elasticity. The intricate equations of motion for the structure are solved semi-analytically using the generalized differential quadrature method. The shell structure consists of a damaged isotropic core and two external face sheets. The distributions of CNTs are either functionally graded (FG) or uniform across the thickness, with their mechanical properties determined through an extended rule of mixture. In this research, the conventional theory regarding the mechanical effectiveness of a matrix embedding finite-length fibers has been enhanced by introducing tube-to-tube random contact. This enhancement explicitly addresses the progressive reduction in the tubes' effective aspect ratio as the filler content increases. The study investigates the influence of a damaged matrix, CNT distribution, volume fraction, aspect ratio, and waviness on the free vibration characteristics of the sandwich cylindrical shell with wavy CNT-reinforced face sheets. Unlike two-dimensional theories such as classical and the first shear deformation plate theories, this inquiry is grounded in the three-dimensional theory of elasticity, which comprehensively accounts for transverse normal deformations.
Experimental data are presented which describe the effects of a combustor-level high free-stream turbulence on the near-wall flow structure and heat/mass transfer on the endwall of a linear high-turning turbine rotor cascade. The end wall flow structure is visualized by employing the partial- and total-coverage oil-film technique, and heat/mass transfer rate is measured by the naphthalene sublimation method. A turbulence generator is designed to provide a highly-turbulent flow which has free-stream turbulence intensity and integral length scale of 14.7% and 80mm, respectively, at the cascade entrance. The surface flow visualizations show that the high free-stream turbulence has little effect on the attachment line, but alters the separation line noticeably. Under high free-stream turbulence, the incoming near-wall flow upstream of the adjacent separation lines collides more obliquely with the suction surface. A weaker lift-up force arising from this more oblique collision results in the narrower suction-side corner vortex area in the high turbulence case. The high free-stream turbulence enhances the heat/mass transfer in the central area of the turbine passage, but only a slight augmentation is found in the end wall regions adjacent to the leading and trailing edges. Therefore, the high free-stream turbulence makes the end wall heat load more uniform. It is also observed that the heat/mass transfers along the locus of the pressure-side leg of the leading-edge horseshoe vortex and along the suction-side corner are influenced most strongly by the high free-stream turbulence. In this study, the end wall surface is classified into seven different regions based on the local heat/mass transfer distribution, and the effects of the high free-stream turbulence on the local heat/mass transfer in each region are discussed in detail.
Multimode boundary-layer transition on a NACA0012 airfoil is experimentally investigated under periodically passing wakes and the moderate level of free-stream turbulence. The periodic wakes are generated by rotating circular cylinders clockwise or counterclockwise around the airfoil. The free-stream turbulence is produced by a grid upstream of the rotating cylinder, and its intensity(Tu) at the leading edge of the airfoil is $0.5\;or\;3.5\;{\%}$. The Reynolds number ($Re_c$) based on chord length (C) of the alrfoil is $2.0{\times}10^5$, and Strouhal number ($St_c$) of the passing wake is about 0.7. Time- and phase-averaged streamwise mean velocities and turbulence fluctuations are measured with a single hot-wire probe, and especially, the corresponding wall skin friction is evaluated using a computational Preston tube method. The wake-passing orientation changes pressure distribution on the airfoil in a different manner irrespective of the free-stream turbulence. Regardless of free-stream turbulence level, turbulent patches for the receding wakes propagate more rapidly than those for the approaching wake because adverse pressure gradient becomes larger. The patch under the high free-stream turbulence ($Tu=3.5{\%}$) grows more greatly in laminar-like regions compared with that under the low background turbulence ($Tu=0.5{\%}$) in laminar regions. The former, however, does not greatly change the original turbulence level in the very near-wall region while the latter does it. At further downstream, the former interacts vigorously with high environmental turbulence inside the pre-existing transitional boundary layer and gradually lose his identification, whereas the latter keep growing in the laminar boundary layer. The calmed region is more clearly observed under the lower free-stream turbulence level and for the receding wakes. The calmed region delays the breakdown further downstream and stabilizes more the boundary layer.
Distribution-free test for umbrella alternatives in a randomized block design is proposed and asymptotic properties test statistics and the asymptotic relatives efficiency (ARE) of the proposed test statistics with respect to the Puri's parametric method are investigated. For given peak points 2,3,4, with 4 blocks and 5 treatments, and with 3 blocks and 5 treatments : for given peak point 3, with 2 blocks and 4 treatments : from the small sample Monte Carlo Study, the empirical powers between the proposed test and Puri's test are compared. Throughout the simulation results, the proposed test statistic is efficient for the heavy tailed distributions.
Liu, Wen-qi;Liu, Shan-jun;Fan, Ming-yu;Tian, Wei;Wang, Ji-peng;Tahouneh, Vahid
Steel and Composite Structures
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v.35
no.2
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pp.295-306
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2020
This paper deals with free vibration analysis of non-uniform column resting on elastic foundations and subjected to follower force at its free end. The internal pores and graphene platelets (GPLs) are distributed in the matrix according to different patterns. The model is proposed with material parameters varying in the thickness of column to achieve graded distributions in both porosity and nanofillers. The elastic modulus of the nanocomposite is obtained by using Halpin-Tsai micromechanics model. The differential quadrature method as an efficient and accurate numerical approach is used to discretize the governing equations and to implement the boundary conditions. It is observed that the maximum vibration frequency obtained in the case of symmetric porosity and GPL distribution, while the minimum vibration frequency is obtained using uniform porosity distribution. Results show that for better understanding of mechanical behavior of nanocomposite column, it is crucial to consider porosities inside the material structure.
The present research delves into the analysis of nonlinear free and forced vibrations of porous functionally graded (FG) shallow shells reinforced with oblique stiffeners, which are embedded in a nonlinear elastic foundation (NEF) subjected to external excitation. Two distinct types of PFG shallow shells, characterized by even and uneven porosity distribution along the thickness direction, are considered in the research. In order to model the stiffeners, Lekhnitskii's smeared stiffeners technique is implemented. With the stress function and first-order shear deformation theory (FSDT), the nonlinear model of the oblique stiffened shallow shells is established. The strain-displacement relationships for the system are derived via the FSDT and utilization of the von-Kármán's geometric assumptions. To discretize the nonlinear governing equations, the Galerkin method is employed. The model such developed allows analysis of the effects of the stiffeners with various angles as desired, in addition to the quantitative investigation on the influence of the surrounding nonlinear elastic foundations. To numerically solve the problem of vibrations, the 4th-order P-T method is used, as this method, known for its enhanced accuracy and reliability, proves to be an effective choice. The validation of the present research findings includes a comprehensive comparison with outcomes documented in existing literature. Additionally, a comparative analysis of the numerical results against those obtained using the 4th Runge-Kutta method is performed. The impact of stiffeners with varying angles and material parameters on the vibration characteristics of the present system is also explored. The researchers and engineers working in this field may use the results of this study as benchmarks in their design and research for the considered shell systems.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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