Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.12
no.5
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pp.992-1002
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1988
The dynamic response of rotor-bearing systems subjected to six-component nonststionary earthquake ground accelerations is analyzed. The governing equations of motion for the rotor are derived using Lagrangian approach. The six-component earthquake inputs result in both inhomogeneous and parametric excitations, so that the conventional spectral analysis of random vibration is not applicable. The method of Monte Carlo simulation is utilized to simulate the six-component nonstationary earthquake ground motions and to determine the response statistics of rotor-bearing systems. The significant influences due to rotational motions of seismic base on the overall structural response is demonstrated by a numerical example.
Kim, Seong-Do;Ahn, Jin-Hee;Kong, Young-Ee;Choi, Hyoung-Suk;Cheung, Jin-Hwan
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.19
no.4
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pp.161-171
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2015
A series of tests was conducted for full-scale single-pylon asymmetric cable-stayed bridges using a system of multiple shaking tables. The 2-span bridge length was 28 m, and the pylon height was 10.2 m. 4 different base conditions were considered: the fixed condition, RB (rubber bearings), LRB (lead rubber bearings), and HDRB (high damping rubber bearings). Based on investigation of the seismic response, the accelerations and displacements in the axial direction of the isolated bridge were increased compared to non-isolated case. However, the strain of the pylon was decreased, because the major mode of the structure was changed to translation for the axial direction due to the dynamic mass. The response of the cable bridge could differ from the desired response according to the locations and characteristics of the seismic isolator. Therefore, caution is required in the design and prediction in regard to the location and behavior of the seismic isolator.
Skewed bridges, being irregular structures with complicated dynamic behavior, are more susceptible to earthquake damage. Reliable seismic-resistant design of skewed bridges can be achieved by accurate determination of nonlinear seismic demands. However, the effect of geometric characteristics on the response modification factor (R-factor) is not accounted for in bridge design practices. This study attempts to investigate the effects of changes in the number of spans, skew angle and bearing stiffness on R-factor values and to assess the seismic fragility of skewed bridges. Results indicated that changes in the skew angle had no significant effect on R-factor values which were in consonance with code-prescribed R values. Also, unlike the increase in the number of spans that resulted in a decrease in the R-factor, the increase in bearing stiffness led to higher R-factor values. Findings of the fragility analysis implied that although the increase in the number of spans, as well as the increase in the skew angle, led to a higher failure probability, greater values of bearing stiffness reduced the collapse probability. For practicing design engineers, it is recommended that maximum demands on substructure elements to be calculated when the excitation angle is applied along the principal axes of skewed bridges.
Di Egidio, Angelo;Pagliaro, Stefano;Fabrizio, Cristiano;de Leo, Andrea M.
Coupled systems mechanics
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v.8
no.4
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pp.351-375
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2019
The present work investigates the use of a rigid rocking block as a tool to reduce vibrations in a frame structure. The study is based on a simplified model composed by a 2-DOF linear system, meant to represent a general M-DOF frame structure, coupled with a rocking rigid block through a linear visco-elastic device, which connects only the lower part of the 2-DOF system. The possibility to restrain the block directly to the ground, by means of a second visco-elastic device, is investigated as well. The dynamic response of the model under an harmonic base excitation is then analysed in order to evaluate the effectiveness of the coupling in reducing the displacements and the drift of the 2-DOF system. The nonlinear equations of motion of the coupled assemblage 2-DOF-block are obtained by a Lagrangian approach and then numerically integrated considering some reference mechanical and geometrical quantities as variable parameters. It follows an extensive parametric analysis, whose results are summarized through behaviour maps, which portray the ratio between the maximum displacements and drifts of the system, with and without the coupling with the rigid block, for several combinations of system's parameters. When the ratio of the displacements is less than unity, the coupling is considered effective. Results show that the presence of the rocking rigid block improves the dynamics of the system in large ranges of the characterizing parameters.
In this study, vibration characteristics of offshore wind turbine tower (WTT) with gravity-based foundation (GBF) are identified from dynamic responses under wave-induced excitations. The following approaches are implemented to achieve the objective. Firstly, the operational modal analysis methods such as frequency domain decomposition (FDD) and stochastic subspace identification (SSI) are selected to estimate modal parameters from output-only dynamic responses. Secondly, a GBF WTT model composed of superstructure, substructure and foundation is simulated as a case study by using a structural analysis program, MIDAS FEA. Thirdly, wave pressures acting on the WTT structure are established by nonlinear regular waves which are simulated from a computational fluid software, Flow 3D. Wave-induced acceleration responses of the target structure are analyzed by applying the simulated wave pressures to the GBF WTT model. Finally, modal parameters such as natural frequencies and mode shapes are estimated from the output-only acceleration responses and compared with the results from free vibration analysis. The effect of wave height and period on modal parameter extraction is also investigated for the mode identification of the GBF WTT.
The seismic responses of elevated tanks considering liquid-structure interaction are presented under horizontal earthquake. The scaled model tank is fabricated to study the dynamic responses of anchored tank and newly designed uplift tank with replaced dampers. The natural frequencies for structural mode are obtained by modal analysis. The dynamic responses of tanks are completed by finite element method, which are compared with the results from experiment. The displacement parallel and perpendicular to the excitation direction are both gained as well as structural acceleration. The strain of tank walls and the axial strain of columns are also obtained afterwards. The seismic responses of liquid storage tank can be calculated by the finite element model effectively and the results match well with the one measured by experiment. The aim is to provide a new type of tank system with vertical constraint relaxed which leads to lower stress level. With the liquid volume increasing, the structural fundamental frequency has a great reduction and the one of uplift tank are even smaller. Compared with anchored tank, the displacement of uplift tank is magnified, the strain for tank walls and columns parallel to excitation direction reduces obviously, while the one perpendicular to earthquake direction increases a lot, but the values are still small. The stress level of new tank seems to be more even due to uplift effect. The new type of tank can realize recoverable function by replacing dampers after earthquake.
Visco-Plastic Damper (VPD) as a passive energy dissipation device with dual behavior has been recently numerically studied. It consists of two bent steel plates and segments with a viscoelastic solid material in between, combining and improving characteristics of both displacement-dependent and velocity-dependent devices. In order to trust the performance of VPD, for the 1st time this paper experimentally investigates prototype damper behavior under a wide range of frequency and amplitude of dynamic loading. A high-axial damping rubber is innovatively proposed as the viscoelastic layer designed to withstand large axial strains and dissipate energy accordingly. Test results confirmed all assumptions about VPD. The behavior of VPD subjected to low levels of excitation is elastic while with increasing levels of excitation, a significant source of energy dissipation is provided through the yielding of the steel elements in addition to the viscoelastic energy dissipation. The results showed energy dissipation of 99.35 kN.m under a dynamic displacement with 14.095 mm amplitude and 0.333 Hz frequency. Lateral displacement at the middle of the device was created with an amplification factor obtained ranging from 2.108 to 3.242 in the rubber block. Therefore, the energy dissipation of viscoelastic material of VPD was calculated 18.6 times that of the ordinary viscoelastic damper.
Earthquake can occur anywhere in the world and it is essential to design important members in special structures based on maximum possible forces that can be produced in them under severe earthquake. In addition, since the earthquake is an accidental phenomena and there are no similar earthquakes, therefore the possibility of strong earthquakes should be taken into account in earthquake-resistant design of important structures. Based on this viewpoint, finding the critical acceleration which maximizes internal forces is an essential factor in structural design. This paper proposes critical excitation method to compute the critical acceleration in design of important members in special structures. These critical accelerations are computed so that the columns' internal shear force at the base of the structure at each time step is maximized under constraints on ground motion. Among computed critical accelerations (of each time step), the one which produces maximum internal shear force is selected. A numerical example presents to show the efficiency of critical excitation method in determining the maximum internal shear force and base moment under variety of constraints. The results show that these method can be used to compute the resonant earthquake which have large enough effective duration of earthquake strong motion (between 12.86 sec to 13.38 sec) and produce the internal shear force and base moment for specific column greater than the same value for selected earthquakes in constructing the critical excitation (for different cases about 2.78 to 1.29 times the San Fernando earthquake). Therefore, a group of them can be utilized in developing the response spectrum for design of special structures.
Purpose: To develop a technique for quantifying the $^{13}C$-metabolites by performing frequency-selective hyperpolarized $^{13}C$ magnetic resonance spectroscopy (MRS) in vitro which combines simple spectrally-selective excitation with spectrally interleaved acquisition. Methods: Numerical simulations were performed with varying noise level and $K_p$ values to compare the quantification accuracies of the proposed and the conventional methods. For in vitro experiments, a spectrally-selective excitation scheme was enabled by narrow-band radiofrequency (RF) excitation pulse implemented into a free-induction decay chemical shift imaging (FIDCSI) sequence. Experiments with LDH / NADH enzyme mixture were performed to validate the effectiveness of the proposed acquisition method. Also, a modified two-site exchange model was formulated for metabolism kinetics quantification with the proposed method. Results: From the simulation results, significant increase of the lactate peak signal to noise ratio (PSNR) was observed. Also, the quantified $K_p$ value from the dynamic curves were more accurate in the case of the proposed acquisition method compared to the conventional non-selective excitation scheme. In vitro experiment results were in good agreement with the simulation results, also displaying increased PSNR for lactate. Fitting results using the modified two-site exchange model also showed expected results in agreement with the simulations. Conclusion: A method for accurate quantification of hyperpolarized pyruvate and the downstream product focused on in vitro experiment was described. By using a narrow-band RF excitation pulse with alternating acquisition, different resonances were selectively excited with a different flip angle for increased PSNR while the hyperpolarized magnetization of the substrate can be minimally perturbed with a low flip angle. Baseline signals from neighboring resonances can be effectively suppressed to accurately quantify the metabolism kinetics.
Jianbo Dai;Zewen Zhao;Jing Ma;Zhaocheng Wang;Xiangxiang Ma
Earthquakes and Structures
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v.26
no.3
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pp.239-249
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2024
A new layered shear continuum model box was developed to address the dynamic response issues of buried oil and gas pipelines under multi-point excitation. Vibration table tests were conducted to investigate the seismic response of buried pipelines and the surrounding soil under longitudinal multi-point excitation. A nonlinear model of the pipeline-soil interaction was established using ABAQUS finite element software for simulation and analysis. The seismic response characteristics of the pipeline and soil under longitudinal multi-point excitation were clarified through vibration table tests and simulation. The results showed good consistency between the simulation and tests. The acceleration of the soil and pipeline exhibited amplification effects at loading levels of 0.1 g and 0.2 g, which significantly reduced at loading levels of 0.4 g and 0.62 g. The peak acceleration increased with increasing loading levels, and the peak frequency was in the low-frequency range of 0 Hz to 10 Hz. The amplitude in the frequency range of 10 Hz to 50 Hz showed a significant decreasing trend. The displacement peak curve of the soil increased with the loading level, and the nonlinearity of the soil resulted in a slower growth rate of displacement. The strain curve of the pipeline exhibited a parabolic shape, with the strain in the middle of the pipeline about 3 to 3.5 times larger than that on both sides. This study provides an effective theoretical basis and test basis for improving the seismic resistance of buried oil and gas pipelines.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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