Four aspects influencing the vibration characteristics of steel member supported floors were investigated. The four aspects are: 1) the number of tee-beams effective in resisting a heel-drop impact for steel joist and steel beam-concrete slab floors, 2) the effective moment of inertia of steel joist and joist-girder members, 3) the ability of joist seats to provide composite behavior between the supporting member and overlying slab, and 4) the effects of extending and restraining the bottom chords of joist members. A new equation was developed to predict the number of effective tee-beams. The proposed equation is recommended to replace the two current equations. The proposed equation is a regression equation based on the results of a finite element analysis of 240 floor systems and is considered to be more accurate than the current equations. Next, a study was undertaken to determine the relationship between the span-to depth ratio of a joist or joist-girder member and it's effective moment of inertia. Twenty five joists and joist-girders were modeled and analyzed using the finite element method and their effective stiffnesses calculated. The effective stiffness of each member was plotted against the respective span-to-depth ratio. A linear regression line was then fit to the data to mathematically represent the trend. Finally, a vibration test floor was constructed to investigate the joist seat behavior and extended bottom chords. Finite element models were developed and analyzed and frequency and stiffness tests were performed to evaluate the floor's behavior. Conclusions were then drawn and recommendations made concerning the joist seat behavior and the effects of extending joist bottom chords. / Master of Science

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2016-2017 / L'alimentation électrique d'un appareil électronique sans fil est souvent effectuée via une pile électrique. Une solution alternative pour produire une alimentation en continue est de récupérer l'énergie provenant des vibrations d'une structure mécanique. Il a déjà été démontré que le récupérateur d'énergie vibratoire classique est efficace uniquement lorsque la source d'excitation vibratoire a un contenu fréquentiel à bande étroite. Les sources vibratoires étant souvent composées d'un large spectre fréquentiel, le récupérateur classique est alors peu performant. L'objectif principal de cette thèse est donc de proposer et d'évaluer une architecture de récupération d'énergie permettant de récupérer efficacement de l'énergie provenant d'une source vibratoire dont le contenu fréquentiel est déterministe ou aléatoire. Une revue de documentation scientifique permet d'abord de classifier et de hiérarchiser les différentes stratégies qui ont déjà été proposées pour récupérer de l'énergie à partir des sources vibratoires les plus courantes. Basée sur cette revue, une architecture composée de plusieurs récupérateurs piézoélectriques couplés via des impédances électriques est ensuite proposée. Afin de prédire la densité de puissance adimensionnelle de cette architecture, un modèle électromécanique de celle-ci est développé puis validé expérimentalement avec un prototype composé de deux récupérateurs. Ce modèle est ensuite introduit dans une procédure d'optimisation qui maximise un critère de performances basé sur le type de source vibratoire d'excitation, soit une source stationnaire ou non-stationnaire. Les résultats d'optimisation sont par la suite analysés sous forme d'études paramétriques. Pour différentes sources vibratoires, ces études établissent l'influence de chacun des paramètres composant l'architecture sur ses performances tout en développant un outil de conception de l'architecture proposée. La première partie de ces études considère le cas où l'architecture est excitée par une source vibratoire harmonique tandis que la seconde partie le fait pour une source aléatoire stationnaire et non-stationnaire. Finalement, des cas d'application sont présentés pour démontrer comment utiliser l'outil de conception. Bien que les résultats obtenus dans ces cas ne soient pas généraux, il y est démontré que l'utilisation de l'architecture proposée permet d'augmenter la densité de puissance ou de l'uniformiser sur un plus large spectre fréquentiel : comparativement au récupérateur classique, une architecture de deux récupérateurs permet un gain de performances de 51% pour une source vibratoire harmonique, de 184% pour une source de type passe-bas et de 212% pour une source non-stationnaire. / The power supply of a wireless electronic device is often conducted via an electric battery. An alternative solution to produce a continuous supply is to harvest energy from the vibrations of a mechanical structure. It has already been shown that the classical vibration energy harvester is effective only when the vibration excitation source has a narrowband frequential content. Vibration sources are often composed of a broad frequency spectrum so the classic energy harvester is inefficient. The main objective of this thesis is to propose and evaluate an energy harvester architecture that would lead to efficient energy harvesting from a vibration source of any frequential content. A review of the scientific literature allows to classify and prioritize the different strategies that have previously been proposed to harvest energy from the most common vibration sources. Based on this review, a harvester architecture composed of several piezoelectric harvesters coupled via electric impedances is then proposed. To predict the dimensionless power density of this architecture, its electromechanical model is developed and experimentally validated with a two-harvester prototype. This model is then introduced into an optimization procedure that maximizes a performance criterion based on the type of vibration excitation source, which is either stationary or non-stationary. The optimization results are then analyzed as parametric studies. For various vibration sources, these analyses establish the influence of every architectural parameter on its performance while developing a design tool for the proposed architecture. The first part of these studies considers the case where the architecture is excited by a harmonic vibration source, while the second part deals with stationary and non-stationary random sources. Finally, case studies are presented to demonstrate how to use the design tool. Although the results obtained in these cases are not general, it is shown that the use of the proposed architecture increases the power density or uniformizes it on a broader frequency spectrum. Indeed, when compared to the conventional harvester, a two-harvester architecture enables a performance gain of 51% for a harmonic vibration source, 184% for a low-pass source and 212% for a non-stationary source.

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Call number: LD2668 .T4 1966 K78 / Master of Science

Pour faire face aux impératifs de diminution du poids des avions et des hélicoptères tout en maintenant le confort acoustique à l'intérieur des appareils, les solutions de contrôle du bruit doivent être élaborées dès les premières phases de la conception.Pour assister les ingénieurs dans cette tâche, ce projet vise à développer un modèle analytique rapide et précis pour la prédiction de la transmission sonore à travers les parois aéronautiques à double panneaux (murs latéraux des cabines d'avion). La stratégie de modélisation utilisée est basée sur l'hypothèse d'une structure infinie et périodique. Tout d'abord, une configuration composée de deux plaques métalliques connectées par des poutres en C est étudiée. Les modèles simples existant dans la littérature sont implémentés et une approche périodique est développée. Ces modèles et cette approche sont ensuite comparés à une expérience de validation. Les résultats montrent que les modèles simples sont mal adaptés aux structures légères, car la plupart de ces modèles ont été originalement conçus pour les murs du domaine de la construction. En contrepartie, l'approche périodique concorde bien avec les mesures. Au chapitre suivant, l'approche périodique est modifiée pour prendre en compte les structures composites et les liens résilients discrets reliant le panneau interne au panneau externe. À l'aide du modèle développé, plusieurs études paramétriques sont conduites sur les propriétés dynamiques des liens, sur l'absorption dans la cavité et sur l'amortissement des panneaux. Grâce à ces études, des conclusions pratiques pour les concepteurs sont tirées, notamment au niveau de la pertinence d'atténuer la transmission structurelle entre les panneaux à l'aide de liens résilients. L'approche périodique est aussi comparée à des calculs par éléments finis et une bonne concordance est obtenue. Au dernier chapitre, il est montré comment les traitements multicouches remplissant la cavité entre les panneaux peuvent être intégrés dans le cadre de l'approche périodique. Un exemple est donné pour un traitement à trois couches. Dans le cadre de la présente maitrise, deux articles ont été publiés dans le Journal of Sound and Vibration ([43],[55]) et un troisième article sera soumis à l'Acoustical Society of America.

The objective of this research is to analyze and develop controller to minimize vibrations of the drill string in rotary drilling rigs. The rotary drilling process is affected by many vibrations which adversely affect the drilling efficiency. The vibrations are mainly classified into three: lateral, tosional and axial. Among the vibrations, lateral vibrations are the most destructive. The research conducted a detailed analysis on lateral vibrations. Bent drill string and unbalanced drill bit was found to be its major causes; and the resultant phenomenon was known as drill bit whirl. Practical demonstration and analysis of the bit whirl phenomenon was done by conducting experiments using an unbalanced drill bit model. Their controllability issues were also discussed and practical solutions suggested. Black box identification methods were applied to develop mathematical models for the system. Box Jenkins structure model was identified and validated by a twofold procedure. Accurate simulations results were obtained with a mere 0.05% residual. Studies revealed that the vibrations in rotary drilling were aggravated by two major causes: borehole friction and critical operation speeds. This research developed a self tuning adaptive controller which could effectively mitigate the vibration aggravating causes and improve overall drilling efficiency. On practical implementation, the controller automatically detected vibrations, mitigated the vibration aggravating causes, and resumed normal drilling operation in less than 10 seconds. The controller action was proven experimentally in two cases: (1) when affected by borehole friction and (2) in presence of an unbalanced drill bit. All the experiments and control techniques applied in this research are validated by experimental data. The prototype used in this research is also distinguished from the rest due to a universal joint, providing an additional two degrees of freedom. Thus, the laboratory set-up provided better dynamic analysis.

published_or_final_version / Civil Engineering / Doctoral / Doctor of Philosophy

published_or_final_version / Civil Engineering / Master / Master of Science in Engineering

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