Titelaufnahme

Titel
Dynamic behavior of bell tower like structures in earthquake environment / S. Mehdi Yousefi
VerfasserYousefi, Seyed Mehdi
Begutachter / BegutachterinHeuer, Rudolf ; Kaveh, Ali
Erschienen2008
UmfangIII, 186, II Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2008
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Glockenturm / Erdbebeneinwirkung / Lineare und nichtlineare Schwingungen / Numerische Simulationsrechnung / Pendel / Gekoppelte und entkoppelte Systeme / Schwingungsdämpfung / Aktive und passive Pendelabsorber / Teilssystemtechnik
Schlagwörter (EN)Bell-Tower / Earthquake Excitation / Linear and Nonlinear Vibration / Numerical Simulation / pendulum / Coupled and Uncoupled System / Analytical and Numerical Analysis / Passive and Active Control / Pendulum Tuned Mass Damper / Substructure Method
Schlagwörter (GND)Glockenturm / Tragwerk / Erdbebenbelastung / Schwingungsdämpfung
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-15126 Persistent Identifier (URN)
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Dynamic behavior of bell tower like structures in earthquake environment [4.63 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

In der vorliegenden Arbeit wird das dynamische Verhalten von Glockenturm-ähnlichen (GT) Tragwerken, die durch verschiedene interne und externe Einwirkungen angeregt werden, untersucht. Die GT-Struktur wird als linear elastischer kontinuierlicher Kragträger mit einem nicht linearen Einzelpendel (Glocke) modelliert. Die Formulierung der Bewegungsgleichungen, basierend auf der dynamischen Gleichgewichtsmethode, als auch die Lagrange' schen Gleichungen sind dabei für lineare und nichtlineare Bedingungen anwendbar. Es werden Parameterstudien der GT-Stukturen für freie und erzwungene Schwingungen gemacht und das dynamische Verhalten, verursacht durch Glocken schwingen und Erdbebenanregung, untersucht. Zuerst wird die GT-Struktur in diskretisierter Form als ein geometrisch nichtlineares Phänomen, entsprechend einem einfachen Pendel kombiniert mit einem linearen Einmassenschwinger, vorgestellt. Eine passende analytische Methode wird beschrieben und die Ergebnisse mit jenen aus numerischen Simulationsrechnungen vergleichen.

In der Folge wird der GT als hybrides System untersucht. In diesem Fall wird das starre Pendel an der Spitze des linear elastischen Turms gelagert. Die dazugehörigen Bewegungsgleichungen werden unter Berücksichtigung des nichtlinearen Schwingungsverhaltens des Pendels und des kontinuierlichen Turms, modelliert als diskretes lineares Mehrfreiheitsgrad-System, hergeleitet. Es wird besonders Wert auf die nichtlineare Interaktion zwischen dem dynamisch angeregten Turm und der Bewegung der Glocke, welche sich mechanisch wie ein starres Pendel verhält, gelegt. Die Studie gibt einen neuen Einblick in das komplexe dynamische Verhalten von GT-Stukturen. Es wird auch ein Vergleich des Schwingungsverhaltens von gekoppelten und entkoppelten Systemen angeführt.

Die dynamischen Reaktionen auf das Glockenläuten sind typische charakteristische Erscheinungen von den betrachteten Türmen. Das mechanische Verhalten von Turm und Glocke wird unter Berücksichtigung der erzwungenen Glockenschwingung abgeschätzt. Unter der Wirkung eines externen Glocken-Antriebmomentes wird das nichtlineare Pendel in Bezug auf subharmonische und superharmonische Resonanzfrequenzen untersucht.

Die nichtstationären Bedingungen des nichtlinearen Pendels werden diskutiert.

In den letzten Jahrzehnten wurde eine neue Methode der Schwingungsdämpfung entwickelt, die durch dynamische Pendelabsorber die Schwingungen von GT-Strukturen deutlich reduziert. Ein "Pendulum Tuned Mass Damper" (PTMD) ist eine Einheit bestehend aus einer pendelnd aufgehängten Masse und einem Dämpfer der mit der Struktur verbunden ist um die Schwingungsantwort zu reduzieren. Die erste Eigenfrequenz des Dämpfers ist gezielt auf eine bestimmte Struktureigenfrequenz abgestimmt, so dass bei Anregung dieser Frequenz der Dämpfer durch ein phasenverschobenes Verhalten zur Turmbewegung die Schwingungen reduziert. Die Energie wird durch die Dämpfung und die Trägheitskraft, die auf die Struktur wirkt, dissipiert. Ein einführendes Beispiel eines PTMD und dessen Implementierung in Strukturen wie Schornsteine oder Glockentürme wird gezeigt. Zeitverläufe und Amplitudenfrequenzgänge werden für ein kontinuierliches System mit einem optimal abgestimmten PTMD, welches einer harmonischen oder stochastischen Fußpunkterregung ausgesetzt ist, unter linearen und nichtlinearen Bedingungen untersucht.

Ebenso wird die optimale Position des Pendels diskutiert. Die Schwingungsantwort zufolge Erdbebenkräfte bezüglich seismischer Entwurfskriterien wird entsprechend der starken Bodenbewegung des Erdbebenereignisses in Bam (Iran, 2003) simuliert.

Ein Kapitel behandelt die dynamische Analyse von GT-Strukturen mittels Teilssystemtechnik. Die durch die Glocke induzierten Schwingungen werden als externe Anregung auf die Hauptkonstruktionen angesetzt um aus der Pendelbewegung die zeitvariablen Kräfte auf den Turm zu ermitteln. Diese werden mit den Kräften aus einer quasi-statischen Analyse verglichen, die dynamischen Schnittgrößen mittels numerischer nichtlinearer Analyse ermittelt.

Im letzten Abschnitt wird die Wirkungsweise von aktiv geregelten Pendeldämpfern in turmartige Baukonstruktionen analysiert.

Zusammenfassung (Englisch)

In this research the dynamic behavior of Bell-Tower (BT) like structures excited by various internal and external actions are investigated. A BT structure is considered as a linear elastic continuous cantilever beam (tower) together with a nonlinear single pendulum (bell). The formulation of the equation of motion based on direct equilibrium position, as well as Lagrange equations which is applicable to systems in both linear and nonlinear conditions. Parameter studies of the BT for free and force vibrations and dynamic actions caused by bell swinging and earthquake forces are evaluated. For this purpose, computer programming is fully utilized.

First of all, the BT is introduced in discretized form as a geometrically nonlinear phenomenon corresponding to a simple pendulum combined with a linear Single-Degree-of-Freedom (SDOF) system (tower).

Suitable analytical method is described and comparison is made between the responses obtained from an analytical method and a numerical approach by means of computer simulations.

Secondly, the BT is studied as a hybrid system. In this case, the rigid pendulum is supported at the top of the linear elastic tower. The corresponding equations of motion are derived, considering nonlinear oscillation behaviour of the pendulum and discretizing the continuous tower as a linear Multi-Degree-of-Freedom (MDOF) system. Special emphasize is placed on the nonlinear interaction between the dynamically excited tower and the movement of the bell that mechanically behaves like a rigid pendulum. This particular study gives a completely new insight into the complex dynamic behaviour of the BT structure.

Comparison also is made between the characteristics in coupled and uncoupled system.

Dynamic actions caused by bell ringing are typical characteristic aspects in BTs. Thus the effect of the bell ringing on the tower is followed. Both the tower and bell system is estimated under the effect of forced bell vibrations. In addition, particular study of the nonlinear pendulum with special focus on subharmonics and superharmonics resonate frequencies is studied. Vibrating forces are applied as an external moment, and nonstationary conditions in nonlinear pendulum is also discussed. Over the recent decades a new vibration control method introduced by pendulum dynamic absorbers, which are used extensively to reduce tower's vibration level. A Pendulum Tuned Mass Damper (PTMD) is a device consisting of a suspended mass, and a damper that is attached to the tower in order to reduce the dynamic response of the structure. The primary eigenfrequency of the damper is tuned to a particular structural frequency so that when that frequency is excited, the damper will resonate out of phase with the tower motion and mitigates vibration.

Energy is dissipated by the damping and inertia force acting on the structure. An introductory example of PTMD design and a description of the implementation of PTMDs in building structures like chimneys and BTs are presented. Time history and frequency domain responses for a continuous system connected to optimally PTMD and subjected to harmonic and random support excitations in linear and nonlinear condition are studied. An assessment is made for the optimal placement locations of PTMD in the tower. Response against earthquake force with respect to seismic design criteria and record of real strong ground motion of Bam (Iran, 2003) is estimated as well.

In one chapter, dynamic analysis of the BT by means of the substructure method is introduced. Thus the vibrations induced by the bell (pendulum) movements are treated as externally applied excitations and pendulum oscillatory movement is formulated to determine the time-variant forces applied to the tower. Consequently, the responses of BT in quasi-static analysis are compared and the internal forces of the tower produced by dynamic excitations are evaluated by numerical nonlinear analysis.

Finally the motion of the BT is controlled and modified by means of the action of control system. The bell works like an Active Pendulum Mass Damper (APMD) and dissipates energy by some external sources. Numerical nonlinear and time-step analysis are investigated to compare the results.