Modal vibration characteristics of a thin annular disk containing narrow radial slots are studied numerically and experimentally. Existing analytical solution is examined based on these results revealing that it can not precisely predict eigenvalues of the disk with slots since it does not accurately consider change in the vibration modes and change in strain energy density distributions due to the slots. Parametric study on slot length found that distortions in the mode shape as well as changes in the corresponding natural frequencies are proportional to the slot length. Consequently, errors in the calculated eigenvalues are also proportional to the slot length and accurate data can not be obtained with existing analytical solution above a certain level of slot length. Same phenomena can be observed in both free-free disk and fixed-free disk.
Steel cables as the most important components are widely used in the certain types of structures such as cable-supported bridges, but the long-span structures may result in an increase in fatigue under high stress and corrosion of steel cables. The traditional steel cable is becoming a more evident hindrance. Fiber Reinforced Polymer (FRP) cables with lightweight, high-strength are widely used in civil engineering, but there is little research in vibrational characteristics of FRP cables, especially on the damping characteristic. This article studied the two methods to evaluate dynamical damping characteristic of basalt FRP(BFRP) and glass FRP(GFRP) cables. First, the vibration tests of the B/G FRP cables with different diameter and different cable force were executed. Second, the cables forces were calculated using dynamic strain, static strain and dynamic acceleration respectively, which were further compared with the measured force. Third, experimental modal damping of each cables was calculated by the half power point method, and was compared with the calculation by Rayleigh damping theory and energy dissipation damping theory. The results indicate that (1) The experimental damping of FRP cables decreases with the increase of cable force, and the trend of experimental damping changes is roughly similar with the theoretical damping. (2) The distribution of modal damping calculated by Rayleigh damping theory is closer to the experimental results, and the damping performance of GFRP cables is better than BFRP cables.
This paper investigates the effectiveness of Single Walled Carbon Nanotubes, SWNT, in improving the dynamic behavior of cracked Aluminium alloy, Al-alloy, beams by using a method based on changes in modal strain energy. Mechanical properties of composite materials are estimated by the Eshelby-Mori-Tanaka method. The influence of SWNT volume fraction, SWNT aspect ratio, crack depth and crack location on the natural frequencies of the damaged 3D randomly oriented SWNT reinforced Al-alloy beams are examined. Results demonstrate the significant advantages of SWNT in reducing the effect of cracks on the natural frequencies of Al-alloy beams.
This paper presents the vibration analysis of cracked ceramic-reinforced aluminum composite beams by using a method based on changes in modal strain energy. The crack is considered to be straight. The effective properties of composite materials of the beams are estimated through Mori-Tanaka micromechanical model. Comparison study and numerical simulations with various parameters; ceramic volume fraction, reinforcement aspect ratio, ratio of the reinforcement Young's modulus to the matrix Young's modulus and ratio of the reinforcement density to the matrix density are taken into investigation. Results demonstrate the pronounced effects of these parameters on intact and cracked ceramic aluminum beams.
The present paper deals with the dynamic analysis of cracked ceramic-reinforced aluminum composite fixed beams by using a method based on changes in modal strain energy. Mechanical characteristics of composite materials of the beams are predicted through Mori-Tanaka micromechanical scheme. A Comparative study and numerical simulations involve various parameters; ceramic volume fraction, reinforcement aspect ratio, ratio of the reinforcement Young's modulus to the matrix Young's modulus and ratio of the reinforcement density to the matrix density are taken into investigation. The obtained results prove the important effects of these parameters on intact and cracked ceramic aluminum beams.
본 논문에서는 동반논문에서 연구된 가진방법과 응답특성을 바탕으로, 실물크기의 철골건물에 설치될 점탄성 감쇠기의 설계과정을 다루었으며 가진실험을 수행하여 감쇠기의 진동제어효과를 검증하였다. 최대변위응답을 주어진 수준까지 감소시키기 위하여 요구되는 추가적인 감쇠비를 컨벡스 모델을 이용하여 구하였다. 모드변형에너지법을 이용하여 감쇠기 강성 변화에 따른 모드 감쇠비의 차이를 분석함으로써 감쇠기의 크기를 구하였다. 가새 강성의 효과 또한 모드의 특성을 구하는 과정에 반영하였다. 점탄성 감쇠기는 1층과 2층의 층간에 각각 2개씩 설치되었으며 응답효과를 검증하였다.
본 논문은 에너지 분산 장치의 일종인 점탄성 감쇠기를 설치한 건물의 거동에 관한 실험 및 해석적 연구이다. 점탄성 감쇠기는 강지진 하중에 의하여 건물에 발생한 과도한 진동을 감소시키는데 효과적이다, 모드 변형에너지법을 이용하여 감쇠기에 의해 증가된 등가구조감쇠를 성공적으로 예측할 수 있으며, 따라서 점탄성 감쇠기를 설치한 건물의 지진 응답이 일반적인 모드 해석기법을 이용한 수치 모형 해석에 의해 정확히 예측된다. 이러한 결과를 토대로, 점탄성 감쇠기를 설치한 건물에 대한 설계 방법을 제시한다. 이 설계 방법은 일반적인 건물의 설계에 감쇠비라는 설계 요소를 추가함으로써 가능해진다.
A nonlinear static procedure considering work-energy principle and global failure mechanism to estimate base shears of reinforced concrete (RC) frame-type structures is presented. The relative energy equation comprising of elastic vibrational energy, plastic strain energy and seismic input energy is obtained. The input energy is modified with a factor depending on damping ratio and ductility, and the energy that contributes to damage is obtained. The plastic energy is decreased with a factor to consider the reduced hysteretic behavior of RC members. Given the pre-selected failure mechanism, the modified energy balance equality is written using various approximations for modification factors of input energy and plastic energy in scientific literature. External work done by the design lateral forces distributed to story levels in accordance with Turkish Seismic Design Code is calculated considering the target plastic drift. Equating the plastic energy obtained from energy balance to external work done by the equivalent inertia forces considering, a total of 16 energy-based base shears for each frame are derived considering different combinations of modification factors. Ductility related parameters of modification factors are determined from pushover analysis. Relative input energy of multi degree of freedom (MDOF) system is approximated by using the modal-energy-decomposition approach. Energy-based design base shears are compared with those obtained from nonlinear time history (NLTH) analysis using recorded accelerograms. It is found that some of the energy-based base shears are in reasonable agreement with the mean base shear obtained from NLTH analysis.
Jiajia, Hao;Xinqun, Zhu;Yang, Yu;Chunwei, Zhang;Jianchun, Li
Smart Structures and Systems
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제30권6호
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pp.673-686
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2022
Deep learning algorithms for Structural Health Monitoring (SHM) have been extracting the interest of researchers and engineers. These algorithms commonly used loss functions and evaluation indices like the mean square error (MSE) which were not originally designed for SHM problems. An updated loss function which was specifically constructed for deep-learning-based structural damage detection problems has been proposed in this study. By tuning the coefficients of the loss function, the weights for damage localization and quantification can be adapted to the real situation and the deep learning network can avoid unnecessary iterations on damage localization and focus on the damage severity identification. To prove efficiency of the proposed method, structural damage detection using convolutional neural networks (CNNs) was conducted on a truss bridge model. Results showed that the validation curve with the updated loss function converged faster than the traditional MSE. Data augmentation was conducted to improve the anti-noise ability of the proposed method. For reducing the training time, the normalized modal strain energy change (NMSEC) was extracted, and the principal component analysis (PCA) was adopted for dimension reduction. The results showed that the training time was reduced by 90% and the damage identification accuracy could also have a slight increase. Furthermore, the effect of different modes and elements on the training dataset was also analyzed. The proposed method could greatly improve the performance for structural damage detection on both the training time and detection accuracy.
Broad studies have addressed the issue of structural element damage identification, however, rubber bearing, as a key component of load transmission between the superstructure and substructure, is essential to the operational safety of a bridge, which should be paid more attention to its health condition. However, regarding the limitations of the traditional bearing damage detection methods as well as few studies have been conducted on this topic, in this paper, inspired by the model updating-based structural damage identification, a two-stage bearing damage identification method has been proposed. In the first stage, we deduce a novel bearing damage localization indicator, called element relative MSE, to accurately determine the bearing damage location. In the second one, the prior knowledge of bearing damage localization is combined with sailfish optimization (SFO) to perform the bearing damage estimation. In order to validate the feasibility, a numerical example of a 5-span continuous beam is introduced, also the noise robustness has been investigated. Meanwhile, the effectiveness and engineering applicability are further verified based on an experimental simply supported beam and actual engineering of the I-40 Bridge. The obtained results are good, which indicate that the proposed method is not only suitable for simple structures but also can accurately locate the bearing damage site and identify its severity for complex structure. To summarize, the proposed method provides a good guideline for the issue of bridge bearing detection, which could be used to reduce the difficulty of the traditional bearing failure detection approach, further saving labor costs and economic expenses.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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