This study introduces a novel approach for locating damage in a structure using wireless sensor system with local level computational capability to alleviate data traffic load on the centralized computation. Smart wireless sensor systems, capable of iterative damage-searching, mimic an optimization process in a decentralized way. The proposed algorithm tries to detect damage in a structure by monitoring abnormal increases in strain measurements from a group of wireless sensors. Initially, this clustering technique provides a reasonably effective sensor placement within a structure. Sensor clustering also assigns a certain number of master sensors in each cluster so that they can constantly monitor the structural health of a structure. By adopting a voting system, a group of wireless sensors iteratively forages for a damage location as they can be activated as needed. Since all of the damage searching process occurs within a small group of wireless sensors, no global control or data traffic to a central system is required. Numerical simulation demonstrates that the newly developed searching algorithm implemented on wireless sensors successfully localizes stiffness damage in a plate through the local level reconfigurable function of smart sensors.
This paper presents experimental study on effects of width-to-thickness ratio and loading history on cyclic rotational capacity of H-shaped steel beams subjected to pure bending. Eight Class 3 and 4 H-shaped beams with large width-to-thickness ratios were tested under four different loading histories. The coupling effect of local buckling and cracking on cyclic rotational capacity of the specimens was investigated. It was found that loss of the load-carrying capacity was mainly induced by local buckling, and ductile cracking was a secondary factor. The width-to-thickness ratio plays a dominant effect on the cyclic rotational capacity, and the loading history also plays an important role. The cyclic rotational capacity can decrease significantly due to premature elasto-plastic local buckling induced by a number of preceding plastic reversals with relative small strain amplitudes. This result is mainly correlated with the decreasing tangent modulus of the structural steel under cyclic plastic loading. In addition, a theoretical approach to evaluate the cyclic rotational capacity of H-shaped beams with different width-to-thickness ratios was also proposed, which compares well with the experimental results.
The focus of this paper is on the elements with stable open cracks. To analyze plane problems, two triangular elements with three and six nodes are formulated using force method. Flexibility matrices of the elements are derived by combining the non-cracked flexibility and the additional one due to crack, which is computed by utilizing the local flexibility method. In order to compute the flexibility matrix of the intact element, a basic coordinate system without rigid body motions is required. In this paper, the basic system origin is located at the crack center and one of its axis coincides with the crack surfaces. This selection makes it possible to formulate elements with inclined cracks. It is obvious that the ability of the suggested elements in calculating accurate natural frequencies for cracked structures, make them applicable for vibration-based crack detection.
When material properties depend much on positions in a material or it is difficult to make test specimens from a material or component, an instrumented indentation test described in ISO 14577-1, 14577-2 or KS B 0950 can be used to measure material properties and damage. In this study, first of all, the principals of the instrumented indentation test, KS B 0950 are introduced and yield strengths, tensile strengths and work hardening exponents of base materials, heat affected zones and weld materials are measured. In addition, the influence of post-weld heat treatment on the material properties is investigated. Finally the fatigue lift of butt welded specimens are evaluated by the local strain approach. To calculate local strains and stresses, elasto-plastic finite element analysis is conducted using the measured properties.
A compact model approach of a network of spring elements for elastic loading is presented for the thermal deformation analysis of BGA package assembly. High-sensitivity moire interferometry is applied to evaluate and calibrated the model quantitatively. Two ball grid array (BGA) package assemblies are employed for moire experiments. For a package assembly with a small global bending, the spring model can predict the boundary conditions of the critical solder ball excellently well. For a package assembly with a large global bending, however, the relative displacements determined by spring model agree well with that by experiment after accounting for the rigid-body rotation. The shear strain results of the FEM with the input from the calibrated compact spring model agree reasonably well with the experimental data. The results imply that the combined approach of the compact spring model and the local FE analysis is an effective way to predict strains and stresses and to determine solder damage of the critical solder ball.
An explicit finite element nonlinear formulation for very large deformations of plane frame structures is developed. The formulation is based on an updated material reference frame and hence a true stress-strain relationship can be directly applied to characterize the properties of material which is subjected to very large deformations. In the formulation, a co-rotational approach is applied to deal with the large rotations but small strain problems. Straight beam element is considered when the strain of an element is large. The element formulation is based on the small deflection beam theory but with the inclusion of the effect of axial force. The element equations are constructed in an element local coordinate system which rotates and translates with the element, and then transformed to the global coordinate system. Several numerical examples are analyzed to validate the presented formulation.
Brunesi, E.;Nascimbene, R.;Deyanova, M.;Pagani, C.;Zambelli, S.
Computers and Concrete
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v.15
no.6
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pp.951-972
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2015
The focus of the present study is to investigate both local and global behaviour of a precast concrete sandwich panel. The selected prototype consists of two reinforced concrete layers coupled by a system of cold-drawn steel profiles and one intermediate layer of insulating material. High-definition nonlinear finite element (FE) models, based on 3D brick and 2D interface elements, are used to assess the capacity of this technology under shear, tension and compression. Geometrical nonlinearities are accounted via large displacement-large strain formulation, whilst material nonlinearities are included, in the series of simulations, by means of Von Mises yielding criterion for steel elements and a classical total strain crack model for concrete; a bond-slip constitutive law is additionally adopted to reproduce steel profile-concrete layer interaction. First, constitutive models are calibrated on the basis of preliminary pull and pull-out tests for steel and concrete, respectively. Geometrically and materially nonlinear FE simulations are performed, in compliance with experimental tests, to validate the proposed modeling approach and characterize shear, compressive and tensile response of this system, in terms of global capacity curves and local stress/strain distributions. Based on these experimental and numerical data, the structural performance is then quantified under various loading conditions, aimed to reproduce the behaviour of this solution during production, transport, construction and service conditions.
A hybrid damage monitoring scheme using parallel acceleration-impedance approaches is proposed to detect girder damage and support damage in steel plate-girder bridges which are under ambient train-induced excitations. The hybrid scheme consists of three phases: global and local damage monitoring in parallel manner, damage occurrence alarming and local damage identification, and detailed damage estimation. In the first phase, damage occurrence in a structure is globally monitored by changes in vibration features and, at the same moment, damage occurrence in local critical members is monitored by changes in impedance features. In the second phase, the occurrence of damage is alarmed and the type of damage is locally identified by recognizing patterns of vibration and impedance features. In the final phase, the location and severity of the locally identified damage are estimated by using modal strain energy-based damage index methods. The feasibility of the proposed scheme is evaluated on a steel plate-girder bridge model which was experimentally tested under model train-induced excitations. Acceleration responses and electro-mechanical impedance signatures were measured for several damage scenarios of girder damage and support damage.
Multivariate statistics based damage detection algorithms employed in conjunction with novel sensing technologies are attracting more attention for long term Structural Health Monitoring of civil infrastructure. In this study, two practical data driven methods are investigated utilizing strain data captured from a 4-span bridge model by Fiber Bragg Grating (FBG) sensors as part of a bridge health monitoring study. The most common and critical bridge damage scenarios were simulated on the representative bridge model equipped with FBG sensors. A high speed FBG interrogator system is developed by the authors to collect the strain responses under moving vehicle loads using FBG sensors. Two data driven methods, Moving Principal Component Analysis (MPCA) and Moving Cross Correlation Analysis (MCCA), are coded and implemented to handle and process the large amount of data. The efficiency of the SHM system with FBG sensors, MPCA and MCCA methods for detecting and localizing damage is explored with several experiments. Based on the findings presented in this paper, the MPCA and MCCA coupled with FBG sensors can be deemed to deliver promising results to detect both local and global damage implemented on the bridge structure.
Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers
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v.17
no.5
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pp.10-22
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2008
In an automotive body structure, a design configuration that fulfills structural requirements such as deflection, stiffness and strength is necessary for structural design and is composed of various components. The integrated design is used to obtain a minimum weight structure with optimal or feasible performance based on conflicting constraints and boundaries. The mechanical design must begin with the definition of one or more concepts for structure and specification requirements in a given application environment. Structural optimization is then introduced as an integral part of the product design and used to yield a superior design to the conventional linear one. Although finite element analysis has been firmly established and extensively used in the past, geometric and material nonlinear analyses have also received considerable attention over the past decades. Also, nonlinear analysis may be useful in the area of structural designs where instability phenomena can include critical design criteria such as plastic strain and residual deformation. This proposed approach can be used for complicated structural analysis for an integrated design process with the nonlinear feasible local flexibilities between system and subsystems.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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