The dynamic characterization is important in making accurate predictions of the seismic response of the hybrid structures dominated by different damping mechanisms. Different damping characteristics arise from the construction of hybrid structure with different materials: steel for the upper part; reinforced concrete for the lower main part and interaction with supporting soil. The process of modeling damping matrices and experimental verification is challenging because damping cannot be determined via static tests as can mass and stiffness. The assumption of classical damping is not appropriate if the system to be analyzed consists of two or more parts with significantly different levels of damping. The dynamic response of structures is critically determined by the damping mechanisms, and its value is very important for the design and analysis of vibrating structures. A numerical algorithm capable of evaluating the equivalent modal damping ratio from structural components is desirable for improving seismic design. Two approaches are considered to explore the dynamic response of hybrid tower of cable-stayed bridges: The first approach makes use of a simplified model of 2 coupled lumped masses to investigate the effects of subsystems different damping, mass ratio, frequency ratio on dynamic characteristics and equivalent modal damping; the second approach employs a detailed numerical step-by step integration procedure.
Three structure-dependent integration methods with no numerical dissipation have been successfully developed for time integration. Although these three integration methods generally have the same numerical properties, such as unconditional stability, second-order accuracy, explicit formulation, no overshoot and no numerical damping, there still exist some different numerical properties. It is found that TLM can only have unconditional stability for linear elastic and stiffness softening systems for zero viscous damping while for nonzero viscous damping it only has unconditional stability for linear elastic systems. Whereas, both CEM and CRM can have unconditional stability for linear elastic and stiffness softening systems for both zero and nonzero viscous damping. However, the most significantly different property among the three integration methods is a weak instability. In fact, both CRM and TLM have a weak instability, which will lead to an adverse overshoot or even a numerical instability in the high frequency responses to nonzero initial conditions. Whereas, CEM possesses no such an adverse weak instability. As a result, the performance of CEM is much better than for CRM and TLM. Notice that a weak instability property of CRM and TLM might severely limit its practical applications.
El-Anwar, Hazem Hossam;Serror, Mohammed Hassanien;Sayed, Hesham Sobhy
Earthquakes and Structures
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제4권2호
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pp.203-217
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2013
In recent decades, it has been realized that increasing the lateral stiffness of structure subjected to lateral loads is not the only parameter enhancing safety or reducing damage. Factors such as ductility and damping govern the structural response due to lateral loads. Despite the significant contribution of damping in resisting lateral loads, especially at resonance, there is no accurate mathematical representation for it. The main objective of this study is to develop a damping identification procedure for linear systems based on a mixed numerical-experimental approach, assuming viscous damping. The proposed procedure has been applied to a laboratory experiment associated with a numerical model, where a hollow rectangular steel cantilever column, having three lumped masses, has been fixed on a shaking table subjected to different exciting waves. The modal damping ratio has been identified; in addition, the effect of adding filling material to the hollow specimen has been studied in relation to damping enhancement. The results have revealed that the numerically computed response based on the identified damping is in a good fitting with the measured response. Moreover, the filling material has a significant effect in increasing the modal damping.
Zheng Lu;Mengyao Zhou;Jiawei Zhang;Zhikuang Huang;Sami F. Masri
Smart Structures and Systems
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제31권5호
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pp.455-467
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2023
Impact damper is a passive damping system that controls undesirable vibration with mass block impacting with stops fixed to the excited structure, introducing momentum exchange and energy dissipation. However, harmful momentum exchange may occur in the random excitation increasing structural response. Based on the mechanism of impact damping system, a semi-active impact damper (SAID) with controllable impact timing as well as a semi-active control strategy is proposed to enhance the seismic performance of engineering structures in this paper. Comparative experimental studies were conducted to investigate the damping performances of the passive impact damper and SAID. The extreme working conditions for SAID were also discussed and approaches to enhance the damping effect under high-intensity excitations were proposed. A numerical simulation model of SAID attached to a frame structure was established to further explore the damping mechanism. The experimental and numerical results show that the SAID has better control effect than the traditional passive impact damper and can effectively broaden the damping frequency band. The parametric studies illustrate the mass ratio and impact damping ratio of SAID can significantly influence the vibration control effect by affecting the impact force.
The present study investigates numerically damping characteristics of irregular waves passing over a permeable seabeds. At first, the numerical model, which is able to consider the flow through a porous medium with inertial, laminar and turbulent resistance terms and determine the eddy viscosity with LES turbulent model, is validated by comparing with existing experimental data. And then, the numerical test on irregular wave damping over a permeable seabeds is performed in case that wave and flume conditions are changed. It is revealed from the numerical results that the more porosity and mean grain are increased, the more wave damping is increased. Also, the effect of wave period on damping of irregular waves over a permeable seabed is discussed.
Optimal damping layout of the constrained viscoelastic damping layer on beam is identified with temperatures by using a gradient-based numerical search algorithm. An optimal design problem is defined in order to determine the constrained damping layer configuration. A finite element formulation is introduced to model the constrained damping layer beam. The four-parameter fractional derivative model and the Arrhenius shift factor are used to describe dynamic characteristics of viscoelastic material with respect to frequency and temperature. Frequency-dependent complex-valued eigenvalue problems are solved by using a simple resubstitution algorithm in order to obtain the loss factor of each mode and responses of the structure. The results of the numerical example show that the proposed method can reduce frequency responses of beam at peaks only by reconfiguring the layout of constrained damping layer within a limited weight constraint.
There are two wave modes induced by an oscillating body on the free surface of a two-layer fluid: the barotropic and baroclinic modes. To investigate the generated waves composed of two modes, a radiation problem involving a heaving rectangular body was solved in a numerical wave tank. A new artificial damping zone scheme was developed and applied in the frequency-domain analysis. The performance of this damping scheme was compared with given radiation boundary conditions for various conditions. The added mass and radiation damping coefficients for the heaving rectangular body were also calculated for various fluid-density ratios.
A new family of structure-dependent integration methods is developed to enhance with desired numerical damping. This family method preserves the most important advantage of the structure-dependent integration method, which can integrate unconditional stability and explicit formulation together, and thus it is very computationally efficient. In addition, its numerical damping can be continuously controlled with a parameter. Consequently, it is best suited to solving an inertia-type problem, where the unimportant high frequency responses can be suppressed or even eliminated by the favorable numerical damping while the low frequency modes can be very accurately integrated.
An optimization formulation of unconstrained damping treatment on beams is proposed to minimize vibration responses using a numerical search method. The fractional derivative model is combined with RUK's equivalent stiffness approach in order to represent nonlinearity of complex modulus of damping materials with frequency and temperature. The loss factors of partially covered unconstrained beam are calculated by the modal strain energy method. Vibration responses are calculated by using the modal superposition method, and of which design sensitivity formula with respect to damping layout is derived analytically. Plugging the sensitivity formula into optimization software, we can determine optimally damping treatment region that gives minimum forced response under a given boundary condition. A numerical example shows that the proposed method is very effective in minimizing vibration responses with unconstrained damping layer treatment.
An optimization formulation of unconstrained damping treatment on beam is proposed to minimize vibration responses using a numerical search method. The fractional derivative model is combined with RUK's equivalent stiffness approach in order to represent nonlinearity of complex modulus of damping materials with frequency and temperature. Vibration responses are calculated by using the modal superposition principle, and of which design sensitivity formula with respect to damping layout is derived analytically. Plugging the sensitivity formula into optimization software, we can determine optimally damping treatment region that gives minimum forced response under a given boundary condition. A numerical example shows that the proposed method is very effective in suppressing nitration responses by means of unconstrained damping layer treatment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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