In this study, the models and methods for the safety assessment of Steel-Concrete Hybrid Cable-Stayed Bridge, which consists of steel composite girder and concrete girder erected by the FCM(Free Cantilever Method) and FSM(Full Staging Method) are proposed for the assurance of structural safety and the prevention against bridge collapse during construction. By the structural reliability approach that reasonably considers the uncertainties associated with the resistance and the load effect, the resistance and the load distribution characteristics of Steel-Concrete Hybrid Cable-Stayed Bridgeare defined and the strength limit state equations of permanent structures and temporary structures during construction are suggested. An AFOSM algorithm and MCS technique are used for the reliability analysis of cables, pylons, girders, steel-concrete conjunction part and temporary bents. Also, component reliability analyses are performed at the construction stages based on the structural system model. To demonstrate their rationality and practicality, the proposed models and approaches are applied to a real bridge. The sensitivity analyses of main parameters are performed in order to identify the critical factors that control the safety of similar bridges. As a result, it may be stated that the proposed models could be implemented as a rational and practical approach for the safety assessment of Steel-Concrete Hybrid Cable-stayed bridges erected by FCM and FSM during construction.
Park, Kyu-Sik;Jung, Hyung-Jo;Choi, Kang-Min;Lee, Jong-Heon;Lee, In-Won
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2004.11a
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pp.574-577
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2004
This paper presents a hybrid system combining lead rubber bearings and hydraulic actuators controlled by a $\mu-synthesis$ method for seismic response control of a cable-stayed bridge. A hybrid system could alleviate some of restrictions and limitations that exist when each system is acting alone because multiple control devices are operating. Therefore, the overall control performance of a hybrid system may be improved compared to each system, however the overall system robustness may be negatively impacted by active device in the hybrid system or active controller may cause instability due to small margins. Therefore, a $\mu-synthesis$ method that guarantees the robust performance is considered to enhance the possibility of real applications of the control system. The performances of the proposed control system are compared with those of passive, active, semiactive control systems and hybrid system controlled by a LQG algorithm. Furthermore, an extensive robust analysis with respect to stiffness and mass matrices perturbation and time delay of actuator is performed. Numerical simulation results show that the performances of the proposed control system are superior to those of passive system and slightly better than those of active and semiactive systems and two hybrid systems show similar control performances. Furthermore, the hybrid system controlled by a f-synthesis method shows the good robustness without loss of control performances. Therefore, the proposed control system could effectively be used to seismically excited cable-stayed bridge which contains many uncertainties.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2003.04a
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pp.193-200
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2003
This paper presents a hybrid (i.e., integrated passive-active) system for seismic response control of a cable-stayed bridge. Because multiple control devices are operating, a hybrid control system could alleviate some of the restrictions and limitations that exist when each system is acting alone. Lead rubber bearings are used as passive control devices to reduce the earthquake-induced forces in the bridge and hydraulic actuators are used as active control devices to further reduce the bridge responses, especially deck displacements. In the proposed hybrid control system, a linear quadratic Gaussian control algorithm is adopted as a primary controller. In addition, a secondary bang-bang type (i.e., on-off type) controller according to the responses of lead rubber bearings is considered to increase the controller robustness. Numerical simulation results show that control performances of the hybrid control system are superior to those of the passive control system and slightly better than those of the fully active control system. Furthermore, it is verified that the hybrid control system with a bang-bang type controller is more robust for stiffness perturbation than the active controller with μ-synthesis method and there are no signs of instability in the overall system whereas the active control system with linear quadratic Gaussian algorithm shows instabilities in the perturbed system. Therefore, the proposed hybrid protective system could effectively be used to seismically excited cable-stayed bridges.
Park, Kwan-Soon;Koh, Hyun-Moo;Ok, Seung-Yong;Seo, Chung-Won
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.8
no.4
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pp.51-62
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2004
Fuzzy supervisory control technique for the seismic response control of cable-stayed bridges subject to earthquakes is studied. The proposed technique is a hybrid control method, which adopts a hierarchical structure consisting of several sub-controllers and a fuzzy supervisor. Sub-controllers are independently designed to reduced the responses to be controlled of a cable-stayed bridge, and a fuzzy supervisor achieves improved seismic control performance by tuning the pre-designed sub-controllers. It is realized by converting static gains of the sub-controllers into time-varying dynamic gains through the fuzzy inference mechanism. To evaluate the feasibility of the proposed technique, the benchmark control problem of cable-stayed bridge proposed by Dyke et al. is adopted. The control variables for the seismic response control of the cable-stayed bridge are determined to be t도 shear forces and bending moments at the base of the towers, the longitudinal displacements at the top of the towers, the relative displacements between the deck and the tower, and the tensions in the stay cables. Comparative results between the fuzzy supervisory controller and LQG controller demonstrate the effectiveness of the proposed control technique.
This paper proposes a data-driven methodology for online early damage identification under changing environmental conditions. The proposed method relies on two data analysis methods: feature-based method and hybrid principal component analysis (PCA) and kernel PCA to separate damage from environmental influences. First, spectral sub-band features, namely, spectral sub-band centroids (SSCs) and log spectral sub-band energies (LSSEs), are proposed as damage-sensitive features to extract damage information from measured structural responses. Second, hybrid modeling by integrating PCA and kernel PCA is performed on the spectral sub-band feature matrix for data normalization to extract both linear and nonlinear features for nonlinear procedure monitoring. After feature normalization, suppressing environmental effects, the control charts (Hotelling T2 and SPE statistics) is implemented to novelty detection and distinguish damage in structures. The hybrid PCA-KPCA technique is compared to KPCA by applying support vector machine (SVM) to evaluate the effectiveness of its performance in detecting damage. The proposed method is verified through numerical and full-scale studies (a Bridge Health Monitoring (BHM) Benchmark Problem and a cable-stayed bridge in China). The results demonstrate that the proposed method can detect the structural damage accurately and reduce false alarms by suppressing the effects and interference of environmental variations.
Ho, Long V.;Khatir, Samir;Roeck, Guido D.;Bui-Tien, Thanh;Wahab, Magd Abdel
Smart Structures and Systems
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v.26
no.4
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pp.451-468
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2020
Although model updating has been widely applied using a specific optimization algorithm with a single objective function using frequencies, mode shapes or frequency response functions, there are few studies that investigate hybrid optimization algorithms for real structures. Many of them did not take into account the sensitivity of the updating parameters to the model outputs. Therefore, in this paper, optimization algorithms and sensitivity analysis are applied for model updating of a real cable-stayed bridge, i.e., the Kien bridge in Vietnam, based on experimental data. First, a global sensitivity analysis using Morris method is employed to find out the most sensitive parameters among twenty surveyed parameters based on the outputs of a Finite Element (FE) model. Then, an objective function related to the differences between frequencies, and mode shapes by means of MAC, COMAC and eCOMAC indices, is introduced. Three metaheuristic algorithms, namely Gravitational Search Algorithm (GSA), Particle Swarm Optimization algorithm (PSO) and hybrid PSOGSA algorithm, are applied to minimize the difference between simulation and experimental results. A laboratory pipe and Kien bridge are used to validate the proposed approach. Efficiency and reliability of the proposed algorithms are investigated by comparing their convergence rate, computational time, errors in frequencies and mode shapes with experimental data. From the results, PSO and PSOGSA show good performance and are suitable for complex and time-consuming analysis such as model updating of a real cable-stayed bridge. Meanwhile, GSA shows a slow convergence for the same number of population and iterations as PSO and PSOGSA.
Park, Kyu Sik;Spencer, B.F.Jr.;Kim, Chun Ho;Lee, In Won
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.26
no.5A
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pp.849-859
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2006
This paper presents an extensive robust analysis of a ${\mu}$-controller in the hybrid system for various uncertainties using the benchmark cable-stayed bridge. The overall system robustness may be deteriorated by introducing active devices and the active controller may cause instability due to small margins. Therefore, a ${\mu}$-synthesis method that simultaneously guarantees the performance and stability of the closed-loop system (robust performance) with uncertainties is used for active devices to enhance the robustness in company with the inherent reliability of passive devices. The robustness of the ${\mu}$-synthesis method is investigated with respect to the additional mass on the deck, structural stiffness matrix perturbation, time delay of actuator, and combinations thereof. Numerical simulation results show that the proposed control system has the good robustness without loss of control performances with respect to various uncertainties under earthquakes considered in this study. Furthermore, the control system robustness is more affected by the perturbation of structural stiffness matrix than others considered in this study. Therefore, the hybrid system controlled by a ${\mu}$-synthesis method could be proposed as an improved control strategy for a seismically excited cable-stayed bridge containing many uncertainties.
This paper proposes a novel approach to model updating for a large-scale cable-stayed bridge based on ambient vibration tests coupled with a hybrid metaheuristic search algorithm. Vibration measurements are carried out under excitation sources of passing vehicles and wind. Based on the measured structural dynamic characteristics, a finite element (FE) model is updated. For long-span bridges, ambient vibration test (AVT) is the most effective vibration testing technique because ambient excitation is freely available, whereas a forced vibration test (FVT) requires considerable efforts to install actuators such as shakers to produce measurable responses. Particle swarm optimization (PSO) is a famous metaheuristic algorithm applied successfully in numerous fields over the last decades. However, PSO has big drawbacks that may decrease its efficiency in tackling the optimization problems. A possible drawback of PSO is premature convergence leading to low convergence level, particularly in complicated multi-peak search issues. On the other hand, PSO not only depends crucially on the quality of initial populations, but also it is impossible to improve the quality of new generations. If the positions of initial particles are far from the global best, it may be difficult to seek the best solution. To overcome the drawbacks of PSO, we propose a hybrid algorithm combining GA with an improved PSO (HGAIPSO). Two striking characteristics of HGAIPSO are briefly described as follows: (1) because of possessing crossover and mutation operators, GA is applied to generate the initial elite populations and (2) those populations are then employed to seek the best solution based on the global search capacity of IPSO that can tackle the problem of premature convergence of PSO. The results show that HGAIPSO not only identifies uncertain parameters of the considered bridge accurately, but also outperforms than PSO, improved PSO (IPSO), and a combination of GA and PSO (HGAPSO) in terms of convergence level and accuracy.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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