To mitigate vibrations, tuned mass dampers(TMD) are widely used for long span bridges or high-rise buildings. Due to some durability concerns, such as fluid degradation, oil leakage, etc., the alternative solutions, such as the non-contacted eddy current damping (ECD), are proposed for mechanical devices in small scales. In the present study, a new eddy current damping TMD (ECD-TMD) is proposed and developed for large scale civil infrastructure applications. Starting from parametric study on finite element analysis of the ECD-TMD, the new design is enhanced via using the permanent magnets to eliminate the power need and a combination of a copper plate and a steel plate to improve the energy dissipation efficiency. Additional special design includes installation of two permanent magnets at the same side above the copper plate to easily adjust the gap as well as the damping. In a case study, the proposed ECD-TMD is demonstrated in the application of a steel arch bridge to mitigate the wind-induced vibrations of the flexible hangers. After a brief introduction of the configuration and the installation process for the damper, the mitigation effects are measured for the ambient vibration and forced vibration scenarios. The results show that the damping ratios increase to 3% for the weak axis after the installation of the ECD-TMDs and the maximum vibration amplitudes can be reduced by 60%.
Lee, Joon Kyu;Ko, Jun Young;Choi, Yong Hyuk;Park, Ku Byoung;Kim, Jae Young
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.41
no.1
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pp.39-48
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2021
In this paper, an analytical model is proposed for assessing the natural frequency of barrettes subjected to vertical loading. The differential equation governing the free vibration of rectangular friction piles embedded in inhomogeneous soil is derived. The governing equation is numerically integrated by Runge-Kutta technique and the eigenvalue of natural frequency is computed by Regula-Falsi method. The numerical solutions for the natural frequency of barrettes compare well with those obtained from finite element analysis. Illustrated examples show that the natural frequencies increase with an increase of the cross-sectional aspect ratio, the friction resistance ratio and the soil stiffness ratio, and decrease with an increase of the friction aspect ratio, the slenderness ratio and the load factor, respectively.
In this work, a straightforward component design of a direct current (DC) relay equipped in electric vehicles is discussed. The work aims to provide and evaluate effective measures for reducing high-frequency sound from the DC relay carrying electric power. From the operation experiments for the relay, it is observed that noise is caused by the resonance from the forced vibration by the electromagnetic repulsive force originating at the area of electric contacts with a resonance frequency of around 710 Hz ~ 730 Hz. A finite element model for the relay was established to conduct vibration mode analysis, consisting of stationary and movable contacts and a contact spring. Vibration mode analysis indicates that in the resonance frequency, the movable contact with two-point contacts experiences rotational vibration mode. For the proposed relay with a three-point contact, vibration mode analyses give reasonable results of reducing noise at that frequency. Furthermore, for the fabricated relays with the three-point contact, similar results have been obtained. In conclusion, one can see that the proposed measures provide one of the feasible solutions to the reduction of relay noise.
Thanh, Nguyen Huu;Noh, Hyuk Chun;Kim, Seung Eock;Na, Seong Won
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.29
no.6A
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pp.641-650
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2009
This paper presents new equations for member forces in concrete floating structures under wave loadings. The currently adopted design equations for wave loadings disregard the effect of mismatch between design wave length and the length of the structure. In most cases, however, additional internal forces occur due to disequilibriating buoyancy caused by the difference between design wave length and the length of the structure. In this study, new design equations considering the influence of the disequlibriating buoyancy is proposed. In addition, finite element solutions are sought to demonstrate the adequacy of the proposed design formulae in estimating the actual internal forces considering the structure as either rigid or flexible. It has been found that member forces are decreased approximately to around 55% for flexible model when compared with the rigid one.
Sanjideh, Bahador Adel;Hamzehkolaei, Azadeh Ghadimi;Hosseinzadeh, Ali Zare;Amiri, Gholamreza Ghodrati
Structural Engineering and Mechanics
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v.84
no.4
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pp.489-502
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2022
This paper is aimed at developing an optimization-based Finite Element model updating approach for structural damage identification and quantification. A modal flexibility-based error function is introduced, which uses modal assurance criterion to formulate the updating problem as an optimization problem. Because of the inexplicit input/output relationship between the candidate solutions and the error function's output, a robust and efficient optimization algorithm should be employed to evaluate the solution domain and find the global extremum with high speed and accuracy. This paper proposes a new multi-stage Selective Particle Swarm Optimization (SPSO) algorithm to solve the optimization problem. The proposed multi-stage strategy not only fixes the premature convergence of the original Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm, but also increases the speed of the search stage and reduces the corresponding computational costs, without changing or adding extra terms to the algorithm's formulation. Solving the introduced objective function with the proposed multi-stage SPSO leads to a smart feedback-wise and self-adjusting damage detection method, which can effectively assess the health of the structural systems. The performance and precision of the proposed method are verified and benchmarked against the original PSO and some of its most popular variants, including SPSO, DPSO, APSO, and MSPSO. For this purpose, two numerical examples of complex civil engineering structures under different damage patterns are studied. Comparative studies are also carried out to evaluate the performance of the proposed method in the presence of measurement errors. Moreover, the robustness and accuracy of the method are validated by assessing the health of a six-story shear-type building structure tested on a shake table. The obtained results introduced the proposed method as an effective and robust damage detection method even if the first few vibration modes are utilized to form the objective function.
Samuel Park;Nakkyu Chae;Pilhyeon Ju;Seungjin Seo;Richard I. Foster;Sungyeol Choi
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.9
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pp.3950-3960
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2024
As a solution to the problem of spent nuclear fuels (SNFs), the disposal of SNF has gained attention from nations using nuclear energy because of hazards posed to the ecosystem. Among many proposed solutions, the most promising method is to dispose of SNF in a deep geological repository (DGR) which utilizes the multi-barrier concept developed by Finland and Sweden. Here, a new fully-coupled Thermal-Hydraulic (TH) code HADES (High-level rAdionuclide Disposal Evaluation Simulator) is developed using the MOOSE framework. This new code suggests basic numerical tools, such as a non-linear solver and finite element discretization, to assess the safety performance of disposal systems. The new TH code considered various TH behavior using Richards' flow approach, assuming gas pressure is constant. The HADES showed promising results when it was compared to various TH codes validated from DECOVAELX-THMC projects. When the single-canister model was utilized to estimate the TH behavior of the Korean Reference disposal System, although it showed significant saturation reduction due to the evaporation of water, the temperature was maintained under the thermal criteria limit, which is 100 ℃. In addition, the new code estimated temperature and degree of saturation of the multi-canisters model, considering two or three canisters, it showed a slightly lower temperature, 5 ℃, than the single-canister model. From these results, the following are concluded: (1) the new TH code contribute to an additional integrity by estimating TH behavior of KRS; (2) however, due to limitations in single-canister simulation, it is recommended to use multi-canisters simulation to estimate TH behavior accurately. Therefore, this model is anticipated not only to help licensing applications and estimation of various multi-physics phenomena and multi-canister at the disposal site.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.32
no.3B
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pp.175-183
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2012
In this study, Galerkin scheme and SU/PG scheme of Petrov-Galerkin family were applied to the shallow water equations and a finite element model for shallow water flow was developed. Numerical simulations were conducted in several flumes with convection-dominated flow condition. Flow simulation of channel with slender structure in the water course revealed that Galerkin and SU/PG schemes showed similar results under very low Fr number and Re number condition. However, when the Fr number increased up to 1.58, Galerkin scheme did not converge while SU/PG scheme produced stable solutions after 5 iterations by Newton-Raphson method. For the transcritical flow simulation in diverging channel, the present model predicted the hydraulic jump accurately in terms of the jump location, the depth slope, and the flow depth after jump, and the numerical results showed good agreements with the hydraulic experiments carried out by Khalifa(1980). In the oblique hydraulic jump simulation, in which convection-dominated supercritical flow (Fr=2.74) evolves, Galerkin scheme blew up just after the first iteration of the initial time step. However, SU/PG scheme captured the boundary of oblique hydraulic jump accurately without numerical oscillation. The maximum errors quantified with exact solutions were less than 0.2% in water depth and velocity calculations, and thereby SU/PG scheme predicted the oblique hydraulic jump phenomena more accurately compared with the previous studies (Levin et al., 2006; Ricchiuto et al., 2007).
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.34
no.2
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pp.113-120
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2021
The wave-propagation phenomenon in an infinite medium has been used to describe the physics in many fields of engineering and natural science. Analytical or numerical methods have been developed to obtain solutions to problems related to the wave-propagation phenomenon. Energy radiation into infinite regions must be accurately considered for accurate solutions to these problems; hence, various numerical and mechanical models as well as boundary conditions have been developed. This paper proposes a new boundary condition that can be applied to scalar-wave or horizontally-polarized shear-wave (or SH-wave) propagation problems in layered waveguides. A governing equation is obtained for the SH waves by applying finite-element discretization in the vertical direction of the waveguide and subsequently modified to derive the boundary condition for the infinite region of the waveguide. Using the orthogonality of the eigenmodes for the SH waves in a layered waveguide, the new boundary condition is shown to be equivalent to the existing root-finding absorbing boundary condition; further, the accuracy is shown to increase with the degree of the new boundary condition, and its stability can be proven. The accuracy and stability are then demonstrated by applying the proposed boundary condition to wave-propagation problems in layered waveguides.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.3
no.2
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pp.87-96
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1999
To analyze the dynamic behavior of structure, direct integration and mode superposition may be utilized in time domain analysis. As finite number of frequencies can give relatively exact solutions, mode superposition is preferable in analyzing structural behavior. In non-linear analysis, however, mode superposition is seldom used since time-varying element stiffness changes stiffness matrix, and the change of stiffness matrix leads to the change of essential constants - natural frequencies and mode shapes. In spite of these difficulties, there are some attempts to adopt mode superposition because of low cost compared to direct integration, but the result is not satisfactory. In this paper, a method using mode superposition in non-linear analysis is presented by separating local element stiffness from global stiffness matrix with the difference between linear and non-linear restoring forces to the external force vectors included. Moreover, the hysteresis model changing with the relative deformation in each floor makes it possible to analyze non-linear behavior of structure. The proposed algorithm is applied to shear beam model and the maximum displacement is compared with the result using direct integration method.
Son Jeong-Sul;Song Yoonho;Chung Seung-Hwan;Suh Jung Hee
Geophysics and Geophysical Exploration
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v.5
no.4
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pp.280-290
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2002
Three-dimensional (3-D) electromagnetic (EM) modeling algorithm has been developed using finite element method (FEM) to acquire more efficient interpretation techniques of EM data. When FEM based on nodal elements is applied to EM problem, spurious solutions, so called 'vector parasite', are occurred due to the discontinuity of normal electric fields and may lead the completely erroneous results. Among the methods curing the spurious problem, this study adopts vector element of which basis function has the amplitude and direction. To reduce computational cost and required core memory, complex bi-conjugate gradient (CBCG) method is applied to solving complex symmetric matrix of FEM and point Jacobi method is used to accelerate convergence rate. To verify the developed 3-D EM modeling algorithm, its electric and magnetic field for a layered-earth model are compared with those of layered-earth solution. As we expected, the vector based FEM developed in this study does not cause ny vector parasite problem, while conventional nodal based FEM causes lots of errors due to the discontinuity of field variables. For testing the applicability to high frequencies 100 MHz is used as an operating frequency for the layer structure. Modeled fields calculated from developed code are also well matched with the layered-earth ones for a model with dielectric anomaly as well as conductive anomaly. In a vertical electric dipole source case, however, the discontinuity of field variables causes the conventional nodal based FEM to include a lot of errors due to the vector parasite. Even for the case, the vector based FEM gave almost the same results as the layered-earth solution. The magnetic fields induced by a dielectric anomaly at high frequencies show unique behaviors different from those by a conductive anomaly. Since our 3-D EM modeling code can reflect the effect from a dielectric anomaly as well as a conductive anomaly, it may be a groundwork not only to apply high frequency EM method to the field survey but also to analyze the fold data obtained by high frequency EM method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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