Magneto-rheological fluid (MRF) rotatory dampers are normally used for controlling the constant rotation of machines and engines. In this research, such a device is proposed to act as variable stiffness device to alleviate the rotational oscillation existing in the many engineering applications, such as motor. Under such thought, the main purpose of this work is to characterize the nonlinear torque-angular displacement/angular velocity responses of an MRF based variable stiffness device in oscillatory motion. A rotational hysteresis model, consisting of a rotatory spring, a rotatory viscous damping element and an error function-based hysteresis element, is proposed, which is capable of describing the unique dynamical characteristics of this smart device. To estimate the optimal model parameters, a modified whale optimization algorithm (MWOA) is employed on the captured experimental data of torque, angular displacement and angular velocity under various excitation conditions. In MWOA, a nonlinear algorithm parameter updating mechanism is adopted to replace the traditional linear one, enhancing the global search ability initially and the local search ability at the later stage of the algorithm evolution. Additionally, the immune operation is introduced in the whale individual selection, improving the identification accuracy of solution. Finally, the dynamic testing results are used to validate the performance of the proposed model and the effectiveness of the proposed optimization algorithm.
Trentadue, Francesco;Quaranta, Giuseppe;Maruccio, Claudio;Marano, Giuseppe C.
Smart Structures and Systems
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v.24
no.3
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pp.333-343
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2019
The possibility of adopting vibration-powered wireless nodes has been largely investigated in the last years. Among the available technologies based on the piezoelectric effect, the most common ones consist of a vibrating beam covered by electroactive layers. Another energy harvesting strategy is based on the use of piezoelectric strips attached to a hosting structure subjected to dynamic loads. The hosting structure, for example, can be the system to be equipped with wireless nodes. Such strategy has received few attentions so far and no analytical studies have been presented yet. Hence, the original contribution of the present paper is concerned with the development of analytical solutions for the electrodynamic analysis and design of piezoelectric polymeric strips attached to relatively large linear elastic structural systems subjected to random vibrations at the base. Specifically, it is assumed that the dynamics of the hosting structure is dominated by the fundamental vibration mode only, and thus it is reduced to a linear elastic single-degree-of-freedom system. On the other hand, the random excitation at the base of the hosting structure is simulated by filtering a white Gaussian noise through a linear second-order filter. The electromechanical force exerted by the polymeric strip is negligible compared with other forces generated by the large hosting structure to which it is attached. By assuming a simplified electrical interface, useful new exact analytical expressions are derived to assess the generated electric power and the integrity of the harvester as well as to facilitate its optimum design.
Raheem, Shehata E Abdel;Alazrak, Tarek M.A.;AbdelShafy, Aly G.A.;Ahmed, Mohamed M.;Gamal, Yasser A.S.
Earthquakes and Structures
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v.20
no.1
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pp.55-70
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2021
In urban cities, buildings were built in the neighborhood, these buildings influence each other through structure-soilstructure interaction (SSSI) and seismic pounding due to limited separation distance in-between. Generally, the effects of the interaction between soil and structure are disregarded during seismic design and analysis of superstructure. However, the system of soil-base adversely changes structural behavior and response demands. Thus, the vibration characteristics plus the seismic response of a building are not able to be independent of those in adjacent buildings. The interaction between structure, soil, and structure investigates the action of the attendance of adjacent buildings to the others by the interaction effect of the sub-soil under dynamic disturbances. The main purpose of this research is to analyze the effects of SSSI and seismic pounding on the behavior of adjacent buildings. The response of a single structure or two adjacent structures with shallow raft base lying on soft soil are studied. Three dimensions finite element models are developed to investigate the effects of pounding; gap distance; conditions of soil; stories number; a mass of adjacent building and ground excitation frequency on the seismic responses and vibration characteristics of the structures. The variation in the story displacement, story shear, and story moment responses demands are studied to evaluate the presence effect of the adjacent buildings. Numerical results acquired using conditions of soil models are compared with the condition of fixed support and adjacent building models to a single building model. The peak responses of story displacement, story moment, and story shear are studied.
Mehboob, Saqib;Khan, Qaiser Uz Zaman;Ahmad, Sohaib;Anwar, Syed M.
Earthquakes and Structures
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v.22
no.2
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pp.185-201
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2022
Structural Health Monitoring (SHM) is used to provide reliable information about the structure's integrity in near realtime following extreme incidents such as earthquakes, considering the inevitable aging and degradation that occurs in operating environments. This paper experimentally investigates an integrated wireless sensor network (Wi-SN) based monitoring technique for damage detection in concrete structures. An effective SHM technique can be used to detect potential structural damage based on post-earthquake data. Two novel methods are proposed for damage detection in reinforced concrete (RC) building structures including: (i) Jerk Energy Method (JEM), which is based on time-domain analysis, and (ii) Modal Contributing Parameter (MCP), which is based on frequency-domain analysis. Wireless accelerometer sensors are installed at each story level to monitor the dynamic responses from the building structure. Prior knowledge of the initial state (immediately after construction) of the structure is not required in these methods. Proposed methods only use responses recorded during ambient vibration state (i.e., operational state) to estimate the damage index. Herein, the experimental studies serve as an illustration of the procedures. In particular, (i) a 3-story shear-type steel frame model is analyzed for several damage scenarios and (ii) 2-story RC scaled down (at 1/6th) building models, simulated and verified under experimental tests on a shaking table. As a result, in addition to the usual benefits like system adaptability, and cost-effectiveness, the proposed sensing system does not require a cluster of sensors. The spatial information in the real-time recorded data is used in global damage identification stage of SHM. Whereas in next stage of SHM, the damage is detected at the story level. Experimental results also show the efficiency and superior performance of the proposed measuring techniques.
Bumyong Yoon;Yoon Jin Chang;Baekhwan Kim;Jonghwan Suhr
Composites Research
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v.36
no.3
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pp.141-153
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2023
This review paper presents an introduction of contact mechanics and rubber friction theory for sliding friction of elastomer composites in contact with rough surfaces. Particularly, Klüppel & Heinrich theory considers the self-affine (or fractal) characteristic for rough surfaces to predict adhesion and hysteresis frictions of elastomers based on the contact mechanics of Greenwood & Williamson. Due to dynamic excitation process of elastomer composites while sliding in contact with multiscale surface roughness (or asperity), viscoelastic properties in a wide frequency range becomes major contributor to friction behaviors. A brief description and examples are provided to construct a viscoelastic master curve considering nonlinear viscoelasticity of elastomer composites. Finally, application of rubber friction theory to tire tread compounds in traction with road surfaces is discussed with several experimental and theoretical results.
Jing Bian;Xuhong Zhou;Ke Ke;Michael C.H. Yam;Yuhang Wang;Zi Gu;Miaojun Sun
Smart Structures and Systems
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v.31
no.3
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pp.213-227
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2023
A passive prismatic-shaped isolation platform (PIP) is proposed to realize enhanced quasi-zero stiffness (QZS) effect. The design concept uses a horizontal spring to produce a tunable negative stiffness and installs oblique springs inside the cells of the prismatic structure to provide a tunable positive stiffness. Therefore, the QZS effect can be achieved by combining the negative stiffness and the positive stiffness. To this aim, firstly, the mathematical modeling and the static analysis are conducted to demonstrate this idea and provide the design basis. Further, with the parametric study and the optimal design of the PIP, the enhanced QZS effect is achieved with widened QZS range and stable property. Moreover, the dynamic analysis is conducted to investigate the vibration isolation performance of the proposed PIP. The analysis results show that the widened QZS property can be achieved with the optimal designed structural parameters, and the proposed PIP has an excellent vibration isolation performance in the ultra-low frequency due to the enlarged QZS range. Compared with the traditional QZS isolator, the PIP shows better performance with a broader isolation frequency range and stable property under the large excitation amplitude.
Kim, Hyeon Kyeom;Hwang, Jae Woong;Lee, Myeong Jae;Seo, Ju Won
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.1A
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pp.51-58
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2008
A cable element happens to vibration easily rather than other elements because a cable element has few rotational stiffness. Dynamic motion of stay cable is distinguished from vibration by wind and/or rain and excitation by support movement. Mostly a stay cable is vibrated by wind and/or rain except that when natural periods coincide between stiffening girder and stay cable. It happens to deterioration of serviceability and durability by vortex shedding, rainy-wind induced vibration, and galloping. Additional damping generated by installation of cable damper is well known good scheme against above phenomena. Researchers have lack of effort to develop the recommendations even if cable stayed bridges are designed and constructed in Korea. Therefore, development of the domestic recommendations should be achieved as soon as possible. This study suggests the consistent and systematic recommendations on vibration controlling design of stay cable by installation of damper. It gives readers two important methodologies that one evaluates required damping ratio, the other determines installing point considering efficiency.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.12
no.4
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pp.149-160
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2008
In this study, the research was carried out on how to identify the modal parameter by acquiring the output response of the structure only through the smart sensor system. The objective of this research is to verify the performance and the on-site adaptability of the smart sensor system that have been actively researched as the advanced measuring system so far. Smart Sensor System was developed so that the real-time dynamic measurement can be performed by means of MEMS-type accelerated sensor, 8 bit CPU, wireless MODEM. In the modal parameter identification test, random excitation was added to the cantilever beam, and then the response of the structure was obtained using the smart sensor system and the wire measurement system respectively. In analyzing the data, modal parameter was identified using NExT & ERA algorithm. Furthermore, the optimal measurement location was selected through EOT algorithm in order to obtain the qualified output response. Result of the test, it was possible to verify the on-site applicability of the smart sensor.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.16
no.3
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pp.23-33
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2012
Dynamic response measurements from natural excitation were carried out for three 18-story office buildings to determine their inherent properties. The beam-column frame system was adopted as a typical structural form, but a core wall was added to resist the lateral force more effectively, resulting in a mixed configuration. To extract modal parameters such as natural frequencies, mode shapes and damping ratios from a series of vibration records at each floor, the most advanced operational system identification methods based on frequency- and time-domain like FDD, pLSCF and SSI were applied. Extracted frequencies and mode shapes from the different identification methods showed a greater consistency for three buildings, however the three lower frequencies extracted were 1.2 to 1.7 times as stiff as those obtained using the initial FE models. Comparing the extracted fundamental periods with those estimated from the code equations and FE analysis, the FE analysis results showed the most flexible behavior, and the most simple equation that considers the building height as the only parameter correlated fairly well with test results. It is recognized that such a discrepancy arises from the fact that the present tests exclude the stiffness decreasing factors like concrete cracking, while the FE models ignore the stiffness increasing factors, such as the contribution of non-structural elements and the actual material properties used.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.12
no.4
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pp.19-33
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2008
Dynamic response measurements from natural excitation were carried out for 25- and 42-story buildings to evaluate their inherent properties, such as natural frequencies, mode shapes and damping ratios. Both are reinforced concrete buildings adopting a core wall, or with shear walls as the major lateral force resisting system, but frames are added in the plan or elevation. In particular, shear walls in a 25-story building are converted to frames from the 4th floor level downwards while maintaining a core wall throughout, resulting in a fairly complex structure. Due to this, along with similar stiffness characteristics in the principal directions, significantly coupled and closely spaced modes of motion are expected in this building, making identification rather difficult. By using various state-of-the-art system identification methods, the modal parameters are extracted, and the results are then compared. Three frequency-domain and four time-domain based operational modal identification methods are considered. Overall, all natural frequencies and damping ratios estimated from the different identification methods showed a greater consistency for both buildings, while mode shapes exhibited some degree of discrepancy, varying from method to method. On the other hand, in comparison with analysis results obtained using the initial finite element(FE) models, test results exhibited a significant difference of about doubled frequencies, at least for the three lower modes in both buildings. To improve the correlation between test and analysis, a few manual schemes of FE model updating based on plausible reasons have been applied, and acceptable results are obtained. The advantages and disadvantages of each identification method used are addressed, and some difficulties that might arise from the updating of FE models, including automatic procedures, for such large structures are carefully discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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