In this paper, a Fiber Bragg Grating (FBG) sensor system for smart structures is described. FBGs are well-suited for long term and extremely severe experiments, where traditional strain gauges fail. In the system, a reflect wave-length measurement method which employs a tunable light source to find out the center wave-length of FBG sensor is used. We applied the FBG system to composite repairing structures and beam column joint of building structure. We also applied the system to nuclear energy power plant for structural integrity test to measure the displacement of the structure under designed pressure and to check the elasticity of the structure by measuring the residual strain. The system works very well and it is expected that it can be used for a real-time strain, temperature and vibration detectors as parts of smart structures.
Slit shear walls an reinforced concrete shear wall structures with purposely built-in vertical slits. If the slits are inserted with visco-elastic damping materials, the shear walls will become viscoelastic sandwich beams. When adequately designed, this kind of structures can be quite effective in resisting earthquake loads. Herein, a simple analysis method is developed for the evaluation of the stochastic responses of visco-elastic slit shear walls. In the proposed method, the stiffness and mass matrices are derived by using Rayleigh-Ritz method, and the responses of the structures are calculated by means of complex modal analysis. Apart from slit shear walls, this analysis method is also applicable to coupled shear walls and cantilevered sandwich beams. Numerical examples are presented and the results clearly show that the seismic responses of shear wall structures can be substantially reduced by incorporating vertical slits into the walls and inserting visco-elastic damping materials into the slits.
Chan, Tommy H.T.;Yu, Ling;Yung, T.H.;Chan, Jeffrey H.F.
Structural Engineering and Mechanics
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제15권1호
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pp.1-19
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2003
This paper presents the formulation of a new bridge-vehicle system with validation using the field data. Both pitching and twisting modes of the vehicle are considered in the contribution of the dynamic effects in the bridge responses. A heavy vehicle was hired as a control vehicle with known axle weight, axle spacing and spring coefficients. The measured responses were generated from the control vehicle running at a particular speed at a test span at Ma Tau Wai Flyover. The measured responses were acquired using strain gauges installed beneath the girder beams of the test bridge. The simulated responses were generated using BRVEAN that is a self-developed program based on the proposed bridge-vehicle system. The validation shows that the bridge model is valid for representing the test bridge and the governing equations are valid for representing the motion of moving vehicles.
In the present work, structural joints have been modeled as a pair of translational and rotational springs and frequency equation of the overall system has been developed using sub-structure synthesis. It is shown that using first few natural frequencies of the system, one can obtain a set of over-determined system of equations involving the unknown stiffness parameters. Method of multi-linear regression is then applied to obtain the best estimate of the unknown stiffness parameters. The estimation procedure has been developed first for a two parameter joint model and then for a three parameter model, in which cross coupling terms are also included. Two cases of structural connections have been considered, first with a cantilever beam with support flexibility and then a pair of beams connected through lap joint. The validity of the proposed method is demonstrated through numerical simulation and by experimentation.
Eratli, Nihal;Yilmaz, Murat;Darilmaz, Kutlu;Omurtag, Mehmet H.
Structural Engineering and Mechanics
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제57권2호
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pp.221-238
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2016
One of the objectives of this study is to implement the direct calculation of the torsional moment of inertia for non-circular cross-sections, which is based on the St. Venant torsion formulation and the finite element method. Recently the proposed method provides a unique calculation of the torsional rigidity of simply and multiply connected cross-sections. Next, free vibration analyses of cylindrical and non-cylindrical helices with non-circular cross-sections are solved by a curved two-nodded mixed finite element based on the Timoshenko beam theory. Some thin-thick closed or open sections are handled and the natural frequencies of cylindrical and non-cylindrical helices are compared with the literature and the commercial finite element program SAP2000.
An investigation on the combined effect of foundation type, foundation flexibility, axial load and PR (semi-rigid) connections on the natural frequencies of steel frames is presented. These effects were investigated using a suitable modified FE program for cases where the foundation flexibility, foundation connectivity, and semi-rigid connections could be treated as equivalent linear springs. The effect of axial load on the natural frequency of a structure was found to be significant for slender structures subjected to high axial loads. In general, if columns of medium slenderness are designed without consideration of axial load effects, the frequency of the structure will be overestimated. Studies on the 3-story Los Angeles PR SAC frame indicate that the assumption of rigid connections at beam-column and column-base interfaces, as well as the assumption of a rigid foundation, can lead to significant errors if simplified design procedures are used. These errors in an equivalent static analysis are expected to lead to even more serious problems when considering the effect of higher modes under a non-linear dynamic analysis.
By using Frenet formulation and Timoshenko beam theory, the partial differential equations of motion are derived for a helical spring having a doubly symmetrical cross section subjected to the pre-load axially. These equations of motion are solved to give the dispersion relationship and dynamic stiffness matrix is assembled. Natural frequencies are obtained from the receptance of the system. The results of the dynamic stiffness method are compared with those of the transfer matrix method from published examples and finite element method.
Laboratory tests are conducted to validate the mechanical model of a filament-wound composite shaft. Also, design charts are produced by validated analytical calculations based on the Timoshenko beam model of a layered steel/composite structure. The major results found are that steel/composite hybrid shafts can lead to better dynamic and static performances over steel or pure composite shafts of the same volume, and the most effective composite structures contain some steel in the form of a tubular core. These results can be used in the design process of composite boring bars and automotive drive shafts.
It is important to model the mechanical structure precisely and reasonably in predicting the dynamic characteristics, controlling the vibration, and designing the structure dynamics. In the finite element modeling, the errors can be contained from the physical parameters, the approximation of the boundary conditions, and the element modeling. From the dynamic test, more precise dynamic characteristics can be obtained. Model updating using parameter modification is appropriate when the design parameter is used to analyze the input parameter like finite element method. Finite element analysis for cantilever and simply supported beams with uniform area and shape change are carried out as model updating examples. Mass and stiffness matrices are updated by comparing test and analytical modal frequencies. The result shows that the updated frequencies become closer to the test frequencies.
이 논문은 탄성지반위에 놓인 원호형 곡선보의 자유진동에 관한 연구이다. 회전관성 및 전단변형을 고려하여 두 개의 매개변수로 표현되는 탄성지반위에 놓인 원호형 곡선보의 자유진동을 지배하는 미분방정식을 유도하고, 이를 수치적분기법과 시행착오적 행렬값탐사법이 결합된 수치해석기법으로 해석하였다. 회전-회전, 회전-고정 및 고정-고정의 단부조건을 갖는 곡선보의 최저차모드 3개의 고유진동수를 산출하였다. 곡선보의 수평높이 지간길이비, Winkler 지반계수, 전단지반계수에 따른 고유진동수 변화를 분석하였으며, 회전관성 및 전단변형의 영향을 고찰하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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