Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.21
no.4
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pp.401-410
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2008
The natural frequency of a beam plays an important role in not only vibration analysis but also understanding its dynamic characteristics. It is complicated to analyse the natural frequency of a stepped beam with discontinuously varying section. Approximate analysis methods such as Rayleigh-Ritz method, FEM, etc. are frequently used for the vibration analysis of stepped beams. In such a case, accuracy of these methods depends upon the number of partitioned elements, the number of the iterations in calculation and the assumed mode shape. This study presents an approximate analysis method for the fundamental natural frequency analysis of stepped cantilever beam, using equivalent beam transformation technique. Validity and usefulness are verified by comparing the proposed method with FEM for several example problems.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.19
no.1
s.71
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pp.55-62
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2006
The natural frequency of a beam plays a critical role in the dynamic analysis of beams. Especially it is a complicated and difficult task to analyse the natural frequency of a stepped beam with an irregularly varying section. The lumped mass methods, multi-degree of freedom analyses, are mainly used for the analysis of this kind of stepped beams. The accuracy of these methods are determined by the number of the partitions of elements, the number of the iterations in calculation, and the accuracy of assumed mode shapes. This study presents a method of transformation from symmetrically stepped beams to an equivalent beam and a method of the eigenvalue analysis. Appropriateness and utility of this method are demonstrated by comparing examples from other literatures and various models.
The natural frequencies of continuous systems depend on the governing partial differential equation and can be numerically estimated using the finite element method. The accuracy and convergence of the finite element method depends on the choice of basis functions. A basis function will generally perform better if it is closely linked to the problem physics. The stiffness matrix is the same for either static or dynamic loading, hence the basis function can be chosen such that it satisfies the static part of the governing differential equation. However, in the case of a rotating beam, an exact closed form solution for the static part of the governing differential equation is not known. In this paper, we try to find an approximate solution for the static part of the governing differential equation for an uniform rotating beam. The error resulting from the approximation is minimized to generate relations between the constants assumed in the solution. This new function is used as a basis function which gives rise to shape functions which depend on position of the element in the beam, material, geometric properties and rotational speed of the beam. The results of finite element analysis with the new basis functions are verified with published literature for uniform and tapered rotating beams under different boundary conditions. Numerical results clearly show the advantage of the current approach at high rotation speeds with a reduction of 10 to 33% in the degrees of freedom required for convergence of the first five modes to four decimal places for an uniform rotating cantilever beam.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2005.10a
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pp.394-399
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2005
In this paper, a structural damage identification method (SDIM) is developed to identify the line crack-like directional damages generated within a cylindrical shell. First, the equations of motion fur a damaged cylindrical shell are derived. Based on a theory of continuum damage mechanics, a small material volume containing a directional damage is represented by the effective orthotropic elastic stiffness, which is dependent of the size and the orientation of the damage with respect to the global coordinates. The present SDIM is then derived from the frequency response function (FRF) directly solved from the dynamic equations of the damaged cylindrical shell. In contrast with most existing SDIMs which require the modal parameters measured in both intact and damaged states, the present SDIM requires only the FRF-data measured in damaged state. By virtue of utilizing FRF-data, one may choose as many sets of excitation frequency and FRF measurement point as needed to acquire a sufficient number of equations fer damage identification analysis. The numerically simulated damage identification tests are conducted to study the feasibility of the present SDIM.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.16
no.4
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pp.439-450
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2003
Flat plate system has been adopted in many buildings constructed recently because of the advantage of reduced floor heights to meet the economical and architectural demands. Structural engineers commonly use the effective beam width model(EBWM) in practical engineering for the analysis of flat plate structures. However, in many cases, when it is difficult to use the EBWM, it is necessary to use a refined finite element model for an accurate analysis. But it would take significant amount of computational time and memory if the entire building structure was subdivided with finer meshes. An efficient analytical method is proposed in this study to obtain accurate results in significantly reduced computational time. The proposed method employs super elements developed using the matrix condensation technique and fictitious beams are used in the development of super elements to enforce the compatibility at the interfaces of super elements. The stiffness degradation of flat plate system considered in the EBWM was taken into account by reducing the elastic modulus of floor slabs in this study. Static and dynamic analyses of example structures were performed and the efficiency and accuracy of the proposed method were verified by comparing the results with those of the refined finite element model and the EBWM.
Field measurements of various structures have been conducted for many purposes. Measurement data obtained by field measurement is very useful to determine vibration characteristics including dynamic characteristics such as the damping ratio, natural frequency, and mode shape of a structure. In addition, results of field measurements and modal identification can be used for modal updating of FEM analysis, for checking the efficiency of damping devices and so on. This paper shows some examples of field measurements and modal identification for structural health monitoring. As the first example, changes of dynamic characteristics of a 15-story office building in four construction stages from the foundation stage to completion are described. The dynamic characteristics of each construction stage were modeled as accurately as possible by FEM, and the stiffness of the main structural frame was evaluated and the FEM results were compared with measurements performed on non-load-bearing elements. Simple FEM modal updating was also applied. As the next example, full-scale measurements were also carried out on a high-rise chimney, and the efficiency of the tuned mass damper was investigated by using two kinds of modal identification techniques. Good correspondence was shown with vibration characteristics obtained by the 2DOF-RD technique and the Frequency Domain Decomposition method. As the last example, the wind-induced response using RTK-GPS and the feasibility of hybrid use of FEM analysis and RTK-GPS for confirming the integrity of structures during strong typhoons were shown. The member stresses obtained by hybrid use of FEM analysis and RTK-GPS were close to the member stresses measured by strain gauges.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.13
no.12
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pp.5689-5695
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2012
In this study, vibration properties of seat and human body are analyzed through test and numerical analysis methods by taking into account the viscoelastic characteristics of polyurethane foam as seat material which is applied for vehicle. These viscoelastic characteristics which show nonlinear and quasi-static behavior are obtained by compression test. In addition, the viscous elastic property of polyurethane foam is modelled mathematically by using convolution integral and nonlinear stiffness model. In order to analyze the performance on ride comfort of seat, vertical vibration model is established by using dynamic model of seat and vertical vibration model of human body at ISO5982, and so the related motion equations are derived. A numerical analysis simulation is applied by using the nonlinear motion equation with Runge-Kutta integral method. The dynamic responses of seat and human body on the input of vibration acceleration measured at the floor of the railway vehicle are examined. The variation of the index value at ride comfort on seat design parameters is analyzed and the methodology on seat design is suggested.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.9
no.2
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pp.83-90
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2009
The previous studies for dynamic behavior of spatial structure have been zoomed in on roof structure by numerical analytic method. But the roof structure of real spatial structures is supported by lower structure as column and wall. So, when earthquake is occurred, it is predicted that dynamic behavior of roof structure is affected by lower structure. Therefore, on this study, natural period characteristics of arch structures are analyzed according to section, length and the modulus of elasticity of brass column and polycarbonate column and additional mass of roof structure by the scale-down model of arch structure as the most simple structure of spatial structures. The changes of natural periods are generally alike. But, when Polycarbonate column is connected to roof structure, the change of natural period for change of section is relatively large. That means that change of section and section and length of column and additional mass of roof structure have less influence on change of stiffness because the modulus of elasticity of brass is relatively large.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.18
no.4
s.70
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pp.395-404
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2005
This paper presents a reliable numerical procedure for nonlinear time-history analysis of space steel frames subjected to dynamic loads. Geometric nonlinearities of member (P-$\delta$) and frame (P-$\Delta$) are taken into account by the use of stability functions in framed stiffness matrix formulation. The gradual yielding along the member length and over the cross section is included by using a tangent modulus concept and a softening plastic hinge model based on the New-Orbison yield surface. A computer program utilizing the average acceleration method for the integration scheme is developed to numerically solve the equation of motion of framed structure formulated in an incremental form. The results of several numerical examples are compared with those derived from using beam element model of ABAQUS program to illustrate the accuracy and the computational efficiency of the proposed procedure.
Modern swarm intelligence heuristic search methods are widely applied in the field of structural health monitoring due to their advantages of excellent global search capacity, loose requirement of initial guess and ease of computational implementation etc. To this end, a hybrid strategy is proposed based on butterfly optimization algorithm (BOA) and differential evolution (DE) with purpose of effective combination of their merits. In the proposed identification strategy, two improvements including mutation and crossover operations of DE, and dynamic adaptive operators are introduced into original BOA to reduce the risk to be trapped in local optimum and increase global search capability. The performance of the proposed algorithm, hybrid butterfly optimization and differential evolution algorithm (HBODEA) is evaluated by two numerical examples of a simply supported beam and a 37-bar truss structure, as well as an experimental test of 8-story shear-type steel frame structure in the laboratory. Compared with BOA and DE, the numerical and experimental results show that the proposed HBODEA is more robust to detect the reduction of stiffness with limited sensors and contaminated measurements. In addition, the effect of search space, two dynamic operators, population size on identification accuracy and efficiency of the proposed identification strategy are further investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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