Modal parameter identification plays a key role in the structural health monitoring (SHM) for civil engineering. Eigensystem realization algorithm (ERA) is one of the most popular identification methods. However, the complex environment around civil structures can introduce the noises into the measurement from SHM system. The spurious modes would be generated due to the noises during ERA process, which are usually ignored and be recognized as physical modes. This paper proposes an improved stabilization diagram method in ERA to distinguish the spurious modes. First, it is proved that the ERA can be performed by any two Hankel matrices with one time step shift. The effect of noises on the eigenvalues of structure is illustrated when the choice of two Hankel matrices with one time step shift is different. Then, a moving data diagram is proposed to combine the traditional stabilization diagram to form the improved stabilization diagram method. The moving data diagram shows the mode variation along the different choice of Hankel matrices, which indicates whether the mode is spurious or not. The traditional stabilization diagram helps to determine the concerned truncated order before moving data diagram is implemented. Finally, the proposed method is proved through a numerical example. The results show that the proposed method can distinguish the spurious modes.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.6
s.177
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pp.1479-1490
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2000
The design process of the motor driven tilt/telescopic steering column is established by axiomatic design approach in conceptual design stage. By selecting independent design variables for improvin g performance of the steering system, each detailed design can be carried out independently. In the detailed design, the safety in crash environment and vibration reduction are considered. An occupant analysis code SAFE(Safety Analysis For occupant crash Environment) is utilized to simulate the body block test. Segments, contact ellipsoids and spring-damper elements are used to model the steering column in SAFE. The model is verified by the result of the body block test. After the model is validated, the energy absorbing components are designed using an orthogonal array. Occupant analyses are performed for the cases of the orthogonal array. Final design is determined for the minimum occupant injury. For vibrational analysis, a finite element model of the steering column is defined for the modal analysis. The model is validated by the vibration experiment. Size and shape variables are selected for the optimization process. An optimization is conducted to minimize the weight subjected to various constraints.
Gearboxes are often used in the petrochemical and electrical power plants to transmit mechanical power between two branches of a machinery train rotating at different speeds. When the gearboxes are connected with rotors supported by journal bearings, bearing loads vary in magnitude and direction with rotor speed and torque transmitted by the gearboxes. In this study, dynamic characteristics of the system which consists of gearboxes and a rotor supported by journal bearings are investigated analytically and experimentally by employing the polynomial transfer matrix method and modal analysis under different speeds and torque levels. Journal bearing loads due to the transmitted torque are claculated analytically and the stiffness and damping coefficient of the journal bearings are obtained using finite element method. Comparison of the analytical and experimental results shows that the cross coupled stiffness coefficients increase with increasing rotor speed, while the cross coupled damping coefficients decrease. This generates the oil whirl instability in the journal bearings. As the transmitted torque level goes up, the stiffness coefficients of the journal bearing and the first horizontal natural frequency increase. High levels of the transmitted torque produce high bearing stiffness since the contact loads of the mating gear teeth increase. The logarithmic decrement, which is a stability indicator, is shown to decrease with increasing speed and decreasing torque. Thus, at the low torque level, the system become unstable even at the low shaft speed.
Modern super-tall buildings are more sensitive to strong winds. The evaluation of wind loads for the design of these buildings is of primary importance. A direct monitoring of wind forces acting on super-tall structures is quite difficult to be realized. Indirect measurements interpreted by inverse techniques are therefore favourable since dynamic response measurements are easier to be carried out. To this end, a Kalman filtering based inverse approach is developed in this study so as to estimate the wind loads on super-tall buildings based on limited structural responses. The optimum solution of Kalman filter gain by solving the Riccati equation is used to update the identification accuracy of external loads. The feasibility of the developed estimation method is investigated through the wind tunnel test of a typical super-tall building by using a Synchronous Multi-Pressure Scanning System. The effects of crucial factors such as the type of wind-induced response, the covariance matrix of noise, errors of structural modal parameters and levels of noise involved in the measurements on the wind load estimations are examined through detailed parametric study. The effects of the number of vibration modes on the identification quality are studied and discussed in detail. The made observations indicate that the proposed inverse approach is an effective tool for predicting the wind loads on super-tall buildings.
The rigid body inertia properties of a structure including the mass, the center of gravity location, the mass moments and principal axes of inertia are required for structural dynamic analysis, modeling of mechanical systems, design of mechanisms and optimization. The analytical approaches such as solid or finite element modeling can not be used efficiently for estimating the rigid body inertia properties of complex structures. Several experimental approaches have been developed to determine the rigid body inertia properties of a structure via Frequency Response Functions (FRFs). In the present work two experimental methods are used to estimate the rigid body inertia properties of a frame. The first approach consists of using the amount of mass as input to estimate the other inertia properties of frame. In the second approach, the property of orthogonality of modes is used to derive the inertia properties of a frame. The accuracy of the estimated parameters is evaluated through the comparison of the experimental results with those of the theoretical Solid Work model of frame. Moreover, a thorough discussion about the effect of accuracy of measured FRFs on the estimation of inertia properties is presented.
The basic idea of cable-stayed girder bridges is the utilization of high strength cables to provide intermediate supports for the bridge girder so that the girder can span a much longer distance. In the cable-stayed bridge, the cables exhibit nonlinear behavior because of the change in sag, due to the dead weight of the cable, which occurs with changing tension in the cable resulting from the movement of the end points of the cable as the bridge is loaded. Techniques required for the static analysis of cable-stayed bridges has been developed by many researchers. However, little work has been done on the dynamic analysis of such structures. To investigate the characteristics of the dynamic response of long-span cable-stayed bridges due to various dynamic loadings likes moving traffic loads. two different 3-D cable-stayed bridge models are considered in this study. Two models are exactly the same in structural configurations but different in finite element discretization. Modal analysis is conducted using the deformed dead-load tangent stiffness matrix. A new concept was presented by using divided a cable into several elements in order to study the effect of the cable vibration (both in-plane and swinging) on the overall bridge dynamics. The result of this study demonstrates the importance of cable vibration on the overall bridge dynamics.
The indirect displacement estimation using acceleration and strain (IDEAS) method is extended to various types of beam structures beyond the previous validation on the prismatic or near-prismatic beams. By fusing different types of responses, the IDEAS method is able to estimate displacements containing pseudo-static components with high frequency noise to be significantly reduced. However, the concerns to the IDEAS method come from possible disagreement of the assumed sinusoidal mode shapes to the actual mode shapes, which allows the IDEAS method to be valid only for simply-supported prismatic beams and limits its applicability to real world problems. In this paper, the extension of the IDEAS method to the general types of beams is investigated by the mathematical formulation of the modal mapping matrix only for the monitored substructure, so-called monitoring span. The formulation particularly considers continuous and wide beams to extend the IDEAS method to general beam structures that reflect many real bridges. Numerical simulations using four types of beams with various irregularities are presented to show the effectiveness and accuracy of the IDEAS method in estimating displacements.
In this study, first, transformation process of damping ratios, whose are evaluated in active control analysis, into damping matrix resulting from installed viscous dampers is illustrated. Then, a method is followed to maximize the effect of response reduction, which leads to optimum locations and size of viscous dampers using sensitivity analysis. Highly coupled nonlinearity between damping ratios and dampers makes it hard to find the optimal size of dampers. Therefore, the nonlinearity is transformed to linear problem with small increments of damping ratios and the size of dampers can be found. However, there are many cases for the size of dampers satisfying the small increment of damping ratios, so it is necessary to select minimum size using optimization technique. To determine optimum locations of dampers, dampers are assumed to be installed between the different stories and their locations are selected corresponding corresponding to the degree of damping size. Numerical examples for the frame structure and the shear wall structure show that optimum locations and size of dampers are different form each other depending on the characteristics of modal responses of the structures. The proposed method in this study can be applied to get optimum locations of active controller in the active control.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.1
no.1
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pp.4-12
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1995
In the sense of eigenstructure (eigenvalues/eignenvectors) assignment, the effectiveness and disturbance suppressibility of a controller depend mainly on the left eigenstructure (eignevalues/left eigenvectors) of a system. On the other hand, the disturbance decouplability is governed by the right eigenstructure (eignevalues/right eigenvectors) of the system. In this paper, in order to obtain a disturbance decouplable as well as effetive and disturbance suppressible controller, a concurrent assignment methodology of the left and right eigenstructure is proposed. The biorthogonality condition between the left and right modal matrix and state selection matrices are used to develop the methodology. The proposed concurrent eigenstructure assignment methodology guarantees that the desired eigenvalues are achieved exactly and the desired left and right eigenvectors are assigned to the best possible (achievable) sets of eigenvectors in the least square sense, respectively. A numerical example is presented to illustrate the validity and usefulness of the proposed methodology.
A modal parameter based damage sensitive feature (DSF) is defined to mimic the relative change in any diagonal element of the stiffness matrix of a model of a structure. The damage assessment is performed in a statistical pattern recognition framework using empirical complementary cumulative distribution functions (ECCDFs) of the DSFs extracted from measured operational vibration response data. Methods are discussed to perform probabilistic structural health assessment with respect to the following questions: (a) "Is there a change in the current state of the structure compared to the baseline state?", (b) "Does the change indicate a localized stiffness reduction or increase?", with the latter representing a situation of retrofitting operations, and (c) "What is the severity of the change in a probabilistic sense?". To identify a range of normal structural variations due to environmental and operational conditions, lower and upper bound ECCDFs are used to define the baseline structural state. Such an approach attempts to decouple "non-damage" related variations from damage induced changes, and account for the unknown environmental/operational conditions of the current state. The damage assessment procedure is discussed using numerical simulations of ambient vibration testing of a bridge deck system, as well as shake table experimental data from a 4-story steel frame.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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