This paper presents an experimental modal analysis of a caisson-type breakwater to produce basic information for the structural health assessment of a caisson structure. To achieve the objective, the following approaches are implemented. First, modal analysis methods are selected to examine the modal characteristics of a caisson structure. Second, experimental modal analyses are performed using finite element analyses and lab-scale model tests. Third, damage scenarios that include several damage levels in a foundation-structure interface are designed. Finally, the effects of damage on the modal characteristics are analyzed for the purpose of utilizing them for damage identification.
Park Jae-Hyung;Lee Jung-Mi;Kim Jeong-Tae;Ryu Yeon-Sun
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2006.04a
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pp.459-466
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2006
The objective of this study is to improve the accuracy of damage detection using natural frequency and modal strain energy. The following approaches are used to achieve the goal. First, modal strain energy is introduced and newly GA-based damage detection technique using natural frequency and modal strain energy is proposed. Next, to verify efficiency of the proposed technique, damage scenarios for free-free beams are designed and the vibration modal tests as damage cases are conducted. Finally, feasibility of proposed technique is verified in comparison with a GA-based damage detection technique using natural frequency and mode shape.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2005.11a
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pp.275-278
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2005
The dynamic characteristics of rotor shafts for electric motors were investigated through the modal tests. The natural frequencies and modal dampings in each manufacturing stage of rotor core assembly were analyzed from the frequency response functions fer all 6 motors of a product model. The deviation of the each individual modal feature was found dependent on the mode shapes as well as the rotor assembly stage. The core stacking itself is known to widen the deviation of modal properties but fellowing processes of rotor bar insertion and swaging are confirmed to reduce the deviation. Finally the equivalent diameter of core part was estimated from the comparison of measured and calculated results to include the stiffness of core part.
The paper summarizes the dynamic-based assessment of a reinforced concrete arch bridge, dating back to the 50's. The outlined approach is based on ambient vibration testing, output-only modal identification and updating of the uncertain structural parameters of a finite element model. The Peak Picking and the Enhanced Frequency Domain Decomposition techniques were used to extract the modal parameters from ambient vibration data and a very good agreement in both identified frequencies and mode shapes has been found between the two techniques. In the theoretical study, vibration modes were determined using a 3D Finite Element model of the bridge and the information obtained from the field tests combined with a classic system identification technique provided a linear elastic updated model, accurately fitting the modal parameters of the bridge in its present condition. Hence, the use of output-only modal identification techniques and updating procedures provided a model that could be used to evaluate the overall safety of the tested bridge under the service loads.
Compared to the ambient vibration test mainly identifying the structural modal parameters, such as frequency, damping and mode shapes, the impact testing, which benefits from measuring both impacting forces and structural responses, has the merit to identify not only the structural modal parameters but also more detailed structural parameters, in particular flexibility. However, in traditional impact tests, an impacting hammer or artificial excitation device is employed, which restricts the efficiency of tests on various bridge structures. To resolve this problem, we propose a new method whereby a moving vehicle is taken as a continuous exciter and develop a corresponding flexibility identification theory, in which the continuous wheel forces induced by the moving vehicle is considered as structural input and the acceleration response of the bridge as the output, thus a structural flexibility matrix can be identified and then structural deflections of the bridge under arbitrary static loads can be predicted. The proposed method is more convenient, time-saving and cost-effective compared with traditional impact tests. However, because the proposed test produces a spatially continuous force while classical impact forces are spatially discrete, a new flexibility identification theory is required, and a novel structural identification method involving with equivalent load distribution, the enhanced Frequency Response Function (eFRFs) construction and modal scaling factor identification is proposed to make use of the continuous excitation force to identify the basic modal parameters as well as the structural flexibility. Laboratory and numerical examples are given, which validate the effectiveness of the proposed method. Furthermore, parametric analysis including road roughness, vehicle speed, vehicle weight, vehicle's stiffness and damping are conducted and the results obtained demonstrate that the developed method has strong robustness except that the relative error increases with the increase of measurement noise.
Testing and validation processes are critical tasks in developing a new hardware platform based on a new technology. This paper describes a series of experiments to evaluate the performance of a newly developed MEMS-based wireless sensor node as part of a wireless sensor network (WSN). The sensor node consists of a sensor board with four accelerometers, a thermometer and filtering and digitization units, and a MICAz mote for control, local computation and communication. The experiments include calibration and linearity tests for all sensor channels on the sensor boards, dynamic range tests to evaluate their performance when subjected to varying excitation, noise characteristic tests to quantify the noise floor of the sensor board, and temperature tests to study the behavior of the sensors under changing temperature profiles. The paper also describes a large-scale deployment of the WSN on a long-span suspension bridge, which lasted over three months and continuously collected ambient vibration and temperature data on the bridge. Statistical modal properties of a bridge tower are presented and compared with similar estimates from a previous deployment of sensors on the bridge and finite element models.
Full-scale shake table seismic experiments and low-amplitude vibration tests on a masonry building are carried out to assess its seismic performance as well as study the effectiveness of a new multifunctional textile material for retrofitting masonry structures against earthquakes. The un-reinforced and the retrofitted with glass fiber reinforced polymer (GFRP) strips masonry building was subjected to a series of earthquake excitations of increasing magnitude in order to progressively induce various small, moderate and severe levels of damage to the masonry walls. The performance of the original and retrofitted building states is evaluated. Changes in the dynamic characteristics (lowest four modal frequencies and damping ratios) of the building are used to assess and quantify the damage states of the masonry walls. For this, the dynamic modal characteristics of the structure states after each earthquake event were estimated by performing low-amplitude impulse hammer and sine-sweep forced vibration tests. Comparisons between the modal results calculated using traditional accelerometers and those using Fiber Bragg Grating (FBG) sensors embedded in the reinforcing textile were carried on to investigate the reliability and accuracy of FBG sensors in tracking the dynamic behaviour of the building. The retrofitting actions restored the stiffness characteristics of the reinforced masonry structure to the levels of the original undamaged un-reinforced structure. The results show that despite a similar dynamic behavior identified, corresponding to reduction of the modal frequencies, the un-reinforced masonry building was severely damaged, while the reinforced masonry building was able to withstand, without visual damage, the induced strong seismic excitations. The applied GFRP reinforcement architecture for one storey buildings was experimentally proven reliable for the most severe earthquake accelerations. It was easily placed in a short time and it is a cost effective solution (covering only 20% of the external wall surfaces) when compared to the cost for full wall coverage by GFRPs.
In the present study, the numerical and experimental investigations were performed on the backfill- exterior wall-fluid interaction systems in case of empty and full tanks. For this, firstly, the non-linear three dimensional (3D) finite element models were developed considering both backfill-wall and fluid-wall interactions, and modal analyses for these systems were carried out in order to acquire modal frequencies and mode shapes by means of ANSYS finite element structural analysis program. Secondly, a series of field tests were fulfilled to define their modal characteristics and to compare the results from proposed approximation in the selected structures. Finally, comparing the theoretical predictions from the finite element models to results from experimental measurements, a close agreement was found between theory and experiment. Thus, it can be easily stated that experimental verifications provide strong support for the finite element models and the proposed procedures themselves are the meritorious approximations to the real problem, and this makes the models appealing for use in further investigations.
In this study, dynamic characteristics such as natural frequencies, mode shapes and damping ratios of RC frame is determined for different construction stages using Operational Modal Analyses method under ambient vibration. Full scaled, one bay and one story RC frames are selected as an application for different construction stages such as plane, brick in-filled and brick in-filled with plaster. The RC frame is vibrated by natural excitations with small impact effects and the response signals are measured using sensitive accelerometers during ambient vibration tests. Measurement time-frequency span and effective mode number are determined by considering similar studies in literature. Sensitive seismic accelerometers are used to collect signals obtained from the experimental tests. To obtain experimental dynamic characteristics, output-only system identification technique is employed namely; Enhanced Frequency Domain Decomposition technique in the frequency domain. It is demonstrated that the ambient vibration measurements are enough to identify the most significant modes of RC frames.
Changes in temperature, loads and boundary conditions may have effects on the dynamic properties of large civil structures. Taking the Run Yang Suspension Bridge as an example, modal properties obtained from ambient vibration tests and from the structural health monitoring system of the bridge are used to identify and evaluate the modal parameter variability. Comparisons of these modal parameters reveal that several low-order modes experience a significant change in frequency from the completion of the bridge to its operation. However, the correlation analysis between measured modal parameters and the temperature shows that temperature has a slight influence on the low-order modal frequencies. Therefore, this paper focuses on the effects of the boundary conditions on the dynamic behaviors of the suspension bridge. An analytical model is proposed to perform a sensitivity analysis on modal parameters of the bridge concerning the stiffness of expansion joints located at two ends of bridge girders. It is concluded that the boundary conditions have a significant influence on the low-order modal parameters of the suspension bridge. In addition, the influence of vehicle load on modal parameters is also investigated based on the proposed model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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