The Spacecraft (S/C) numerical sine test-predictions are usually performed through Finite Element Method (FEM) Frequency Response Analysis (FRA), that is the hypothesis of steady-state responses to harmonic excitation to the S/C base is made. In the test practice, the responses are transient and may be significantly different from those predicted through FRA. One of the most significant causes of discrepancy between prediction and test consists in the beating phenomena. After a brief overview of the topic, the typical causes of beating are described in the first part of the paper. Subsequently, focus is made on the sine sweep rate effect, which often leads to have beatings after the resonance of weakly damped modes. In this work, the approach illustrated in the literature for calculating the sine sweep rate effect in the case of Single-Degree-Of-Freedom (SDOF) oscillators is extended to Multi-Degrees-Of-Freedom (MDOF) systems, with the aim of increasing the accuracy of the numerical sine test-predictions. Assumptions and limitations of the proposed methodology are detailed along the paper. Several assessments with test results are discussed and commented.
Park, Sangki;Cho, Jeong-rae;Cho, Chang-beck;Lee, JinHyuk;Kim, Dong-Chan
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.27
no.6
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pp.245-252
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2023
In general, the design response spectrum in seismic design codes is based on the mean-plus-one-standard deviation response spectrum to secure high safety. In this study, response spectrum analysis was performed using seismic wave records adopted in domestic horizontal design spectrum development studies, while three response spectra were calculated by combining the mean and standard deviation of the spectra. Seismic wave spectral matching generated seismic wave sets matching each response spectrum. Then, seismic fragility was performed by setting three damage levels using a single-degree-of-freedom system. A correlation analysis was performed using a comparative analysis of the change in the response spectrum and the seismic fragility concerning the three response spectra. Finally, in the case of the response spectrum considering the mean and standard deviation, like the design response spectrum, the earthquake load was relatively high, indicating that conservative design or high safety can be secured.
In practical engineering, the friction damper is a widely used energy dissipation device because of its large deformation capacity, stable energy dissipation capability, and cost effectiveness. While based on conventional friction dampers, the double-sliding friction damper (DSFD) being proposed is different in that it features two sliding friction forces, i.e., small and large sliding friction forces, rather than a single-sliding friction force of ordinary friction dampers. The DSFD starts to deform when the force sustained exceeds the small-sliding friction force, and stops deforming when the deformation reaches a certain value. If the force sustained exceeds the large sliding friction force, it continues to deform. Such a double-sliding behavior is expected to endow structures equipped with the DSFD better performance in both small and large earthquakes. The configuration and working mechanism of the DSFD is described and analyzed. Quasi-static loading tests and finite element analyses were conducted to investigate its hysteretic behavior. Finally, time history analysis of the single-degree-of-freedom (SDOF) and multi-degree-of-freedom (MDOF) systems were performed to investigate the seismic performance of DSFD-equipped structures. For the purpose of comparison, tests on systems equipped with conventional friction dampers were also performed. The proposed DSFD can be realized perfectly, and the DSFD-equipped structures provide better performances than those equipped with conventional friction dampers in terms of interstory drift and floor acceleration. In particular, for the MDOF system, the DSFD helps the structural system to have a uniform distributed interstory drift.
The structural dynamic behavior and yield strength considering both ductility and strain rate effects are analyzed in this article. For the single-degree-of-freedom (SDOF) system, the relationship between the relative velocity and the strain rate response is deduced and the strain rate spectrum is presented. The ductility factor can be incorporated into the strain rate spectrum conveniently based on the constant-ductility velocity response spectrum. With the application of strain rate spectrum, it is convenient to consider the ductility and strain rate effects in engineering practice. The modal combination method, i.e., square root of the sum of the squares (SRSS) method, is employed to calculate the maximum strain rate of the elastoplastic multiple-degree-of-freedom (MDOF) system under uniform excitation. Considering the spatially varying ground motions, a new response spectrum method is developed by incorporating the ductility factor and strain rate into the conventional response spectrum method. In order to further analyze the effects of strain rate and ductility on structural dynamic behavior and yield strength, the cantilever beam (one-dimensional) and the triangular element (two-dimensional) are taken as numerical examples to calculate their seismic responses in time domain. Numerical results show that the permanent displacements with and without considering the strain rate effect are significantly different from each other. It is not only necessary in theory but also significant in engineering practice to take the ductility and strain rate effects into consideration.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.24
no.4
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pp.457-462
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2011
In this study, a simplified design procedure for friction dampers of a multi-story structure in order to reduce seismic response is proposed. To get insight for control effect of the structure with friction dampers is difficult, because of a nonlinear characteristic by a friction damper. Since a control force of a friction damper is influenced by coupling velocity between floors, adjoining modes are coupled. Thus structural response are derived by assuming steady-state response in resonance. As it is impossible that an exact solution is obtained for seismic load, first, a closed form solution can be achieved under harmonic vibration. Second, to convert a three-story building into a single-degree-of-freedom(SDOF) structure, modal analysis is performed. Third, an equivalent damping ratio is derived with utilizing closed form solution. And response reducing factor is proposed by it. Finally, friction force of a damper is designed for using response reducing factor, and then designed dampers are verified for seven seismic data. The nonlinear analysis results confirm the validity of the proposed procedure.
Earthquake-induced pounding damages to building structures were repeatedly observed in many previous major earthquakes. Extensive researches have been carried out in this field. Previous studies mainly focused on the regular shaped buildings and each building was normally simplified as a single-degree-of-freedom (SDOF) system or a multi-degree-of-freedom (MDOF) system by assuming the masses of the building lumped at the floor levels. The researches on the pounding responses between irregular asymmetric buildings are rare. For the asymmetric buildings subjected to earthquake loading, torsional vibration modes of the structures are excited, which in turn may significantly change the structural responses. Moreover, contact element was normally used to consider the pounding phenomenon in previous studies, which may result in inaccurate estimations of the structural responses since this method is based on the point-to-point pounding assumption with the predetermined pounding locations. In reality, poundings may take place between any locations. In other words, the pounding locations cannot be predefined. To more realistically consider the arbitrary poundings between asymmetric structures, detailed three-dimensional (3D) finite element models (FEM) and arbitrary pounding algorithm are necessary. This paper carries out numerical simulations on the pounding responses between a symmetric rectangular-shaped building and an asymmetric L-shaped building by using the explicit finite element code LS-DYNA. The detailed 3D FEMs are developed and arbitrary 3D pounding locations between these two buildings under bi-directional earthquake ground motions are investigated. Special attention is paid to the relative locations of two adjacent buildings. The influences of the left-and-right, fore-and-aft relative locations and separation gap between the two buildings on the pounding responses are systematically investigated.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.26
no.3A
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pp.473-484
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2006
The capacity spectrum method (CSM) can be used to simply estimate the maximum displacement response of the nonlinear structures. To evaluate seismic performance of multi-span bridges using the CSM, the representative response for structural system should be derived from the multi-degree-of-freedom (MDOF) responses by using the equivalent single-degree-of-freedom (ESDOF) method. The ESDOF method is used to calculate the capacity curve of the structural system from the pushover curves of all piers or structural members estimated by the pushover analysis. In order to evaluate an accuracy of ESDOF methods used in the CSM, the maximum displacements estimated by the CSM incorporating the several ESDOF methods are compared to those by the inelastic time-history analysis for several artificial earthquakes corresponding to the design spectrum.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.27
no.6
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pp.846-855
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2021
Eco-friendly and renewable energy sources are actively being researched in recent times, and of shore wind power generation requires advanced design technologies in terms of increasing the capacities of wind turbines and enlarging wind turbine installation vessels (WTIVs). The WTIV ensures that the hull is situated at a height that is not affected by waves. The most important part of the WTIV is the leg structure, which must respond dynamically according to the wave, current, and wind loads. In particular, the wave load is composed of irregular waves, and it is important to know the exact dynamic response. The dynamic response analysis uses a single degree of freedom (SDOF) method, which is a simplified approach, but it is limited owing to the consideration of random waves. Therefore, in industrial practice, the time-domain analysis of random waves is based on the multi degree of freedom (MDOF) method. Although the MDOF method provides high-precision results, its data convergence is sensitive and difficult to apply owing to design complexity. Therefore, a dynamic amplification factor (DAF) estimation formula is developed in this study to express the dynamic response characteristics of random waves through time-domain analysis based on different variables. It is confirmed that the calculation time can be shortened and accuracy enhanced compared to existing MDOF methods. The developed formula will be used in the initial design of WTIVs and similar structures.
Friction isolators are one of the most important types of bearings used to mitigate damages of earthquakes. The adaptive behavior of these isolators allows them to achieve multiple levels of performances and predictable seismic behavior during different earthquake hazard levels. There are three main types of friction isolators. The first generation with one sliding surface is known as Friction Pendulum System (FPS) isolators. The double concave friction pendulum (DCFP) with two sliding surfaces is an advanced form of FPS, and the third one, with fully adaptive behavior, is named as triple concave friction pendulum (TCFP). The current study has been conducted to investigate and compare seismic responses of these three types of isolators. The structure is idealized as a two-dimensional single degree of freedom (SDOF) resting on isolators. The coupled differential equations of motion are derived and solved using state space formulation. Seismic responses of isolated structures using each one of these isolators are investigated under seven near fault earthquake motions. The peak values of bearing displacement and base shear are studied employing the variation of essential parameters such as superstructure period, effective isolation period and effective damping of isolator. The results demonstrate a more efficient seismic behavior of TCFP isolator comparing to the other types of isolators. This efficiency depends on the selected effective isolation period as well as effective isolation damping. The investigation shows that increasing the effective isolation period or decreasing the effective isolation damping improves the seismic behavior of TCFP compared to the other isolators. The maximum difference in seismic responses, the base shear and the bearing displacement, for the TCFP isolator are calculated 26.8 and 13.4 percent less than the DCFP and FPS in effective isolation damping equal to10%, respectively.
Lu Deng;Min Zhu;Michael C.H. Yam;Ke Ke;Zhongfa Zhou;Zhonghua Liu
Structural Engineering and Mechanics
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v.86
no.5
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pp.589-605
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2023
This paper investigates the ductility demands of steel frames equipped with self-centring fuses under near-fault earthquake motions considering multiple yielding stages. The study is commenced by verifying a trilinear self-centring hysteretic model accounting for multiple yielding stages of steel frames equipped with self-centring fuses. Then, the seismic response of single-degree-of-freedom (SDOF) systems following the validated trilinear self-centring hysteretic law is examined by a parametric study using a near-fault earthquake ground motion database composed of 200 earthquake records as input excitations. Based on a statistical investigation of more than fifty-two (52) million inelastic spectral analyses, the effect of the post-yield stiffness ratios, energy dissipation coefficient and yielding displacement ratio on the mean ductility demand of the system is examined in detail. The analysis results indicate that the increase of post-yield stiffness ratios, energy dissipation coefficient and yielding displacement ratio reduces the ductility demands of the self-centring oscillators responding in multiple yielding stages. A set of empirical expressions for quantifying the ductility demands of trilinear self-centring hysteretic oscillators are developed using nonlinear regression analysis of the analysis result database. The proposed regression model may offer a practical tool for designers to estimate the ductility demand of a low-to-medium rise self-centring steel frame equipped with self-centring fuses progressing in the ultimate stage under near-fault earthquake motions in design and evaluation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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