In this paper, the development of a new optimization software for finite element model updating of engineering structures titled as FemUP is described. The program is used for computational FEM model updating of structures depending on modal testing results. This paper deals with the FE model updating procedure carried out in FemUP. The theoretical exposition on FE model updating and optimization techniques is presented. The related issues including the objective function, constraint function, different residuals and possible parameters for FE model updating are investigated. The issues of updating process adopted in FemUP are discussed. The ideas of optimization to be used in FE model updating application are explained. The algorithm of Sequential Quadratic Programming (SQP) is explored which will be used to solve the optimization problem. The possibilities of the program are demonstrated with a three dimensional steel frame model. As a result of this study, it can be said that SQP algorithm is very effective in model updating procedure.
Whelan, Matthew J.;Gangone, Michael V.;Janoyan, Kerop D.;Hoult, Neil A.;Middleton, Campbell R.;Soga, Kenichi
Smart Structures and Systems
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v.6
no.5_6
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pp.579-593
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2010
Low-power radio frequency (RF) chip transceiver technology and the associated structural health monitoring platforms have matured recently to enable high-rate, lossless transmission of measurement data across large-scale sensor networks. The intrinsic value of these advanced capabilities is the allowance for high-quality, rapid operational modal analysis of in-service structures using distributed accelerometers to experimentally characterize the dynamic response. From the analysis afforded through these dynamic data sets, structural identification techniques can then be utilized to develop a well calibrated finite element (FE) model of the structure for baseline development, extended analytical structural evaluation, and load response assessment. This paper presents a case study in which operational modal analysis is performed on a three-span prestressed reinforced concrete bridge using a wireless sensor network. The low-power wireless platform deployed supported a high-rate, lossless transmission protocol enabling real-time remote acquisition of the vibration response as recorded by twenty-nine accelerometers at a 256 Sps sampling rate. Several instrumentation layouts were utilized to assess the global multi-span response using a stationary sensor array as well as the spatially refined response of a single span using roving sensors and reference-based techniques. Subsequent structural identification using FE modeling and iterative updating through comparison with the experimental analysis is then documented to demonstrate the inherent value in dynamic response measurement across structural systems using high-rate wireless sensor networks.
An effective approach for updating finite element model is presented which can provide reliable estimates for structural updating parameters from identified operational modal data. On the basis of the dynamic perturbation method, an exact relationship between the perturbation of structural parameters such as stiffness change and the modal properties of the tested structure is developed. An iterative solution procedure is then provided to solve for the structural updating parameters that characterise the modifications of structural parameters at element level, giving optimised solutions in the least squares sense without requiring an optimisation method. A regularization algorithm based on the Tikhonov solution incorporating the generalised cross-validation method is employed to reduce the influence of measurement errors in vibration modal data and then to produce stable and reasonable solutions for the structural updating parameters. The Canton Tower benchmark problem established by the Hong Kong Polytechnic University is employed to demonstrate the effectiveness and applicability of the proposed model updating technique. The results from the benchmark problem studies show that the proposed technique can successfully adjust the reduced finite element model of the structure using only limited number of frequencies identified from the recorded ambient vibration measurements.
The objective of this study was to examine the effect of repair mortar on the dynamic properties such as natural frequencies, mode shape and damping ratios of two story single span scale reinforced concrete building. To this end, two story single span scale reinforced concrete building having dimensions of 150 cm (width), 150 cm (length) and 135 cm (height) was constructed. Workmanship defects such as separation of material, faulty vibration application and bad gradation of the structure were properly evaluated. Dynamic properties of damaged structure were experimentally determined using Operational Modal Analysis (OMA). Detected defects in the structure were fixed by plastering with repair mortar. Dynamic properties of repaired structure were reevaluated by using the OMA method. Finite element software called Abaqus was used to numerically determine dynamic properties of the structure. Structure modeled as solid was subjected to Linear Perturbation Frequency Method. The changes in dynamic properties of structure after the repair process were comparatively studied by evaluating experimental and numerical results.
Damage detection based on dynamic characteristics of a structure is one of important roles in structural damage identification. It is difficult to detect local structural damage using traditional dynamic experimental methods due to a limited number of sensors used in an experiment. In this work, a non-contact test stand of fan blades is established, and a full-field noncontact test method, combined with three-dimensional digital image correlation, Bayesian operational modal analysis, and damage indices, is used to detect local damage of a fan blade under ambient excitation without use of baseline information before structural damage. The methodology is applied to detect invisible local damage on the fan blade. Such a method has a seemingly high potential as an alternative to detect local damage of blades with complex high-precision surfaces under extreme working conditions because it is a noncontact test method and can be used under ambient excitation without human participation.
Traditionally, it is not easy to carry out tests to identify modal parameters from existing railway bridges because of the testing conditions and complicated nature of civil structures. A six year (2007-2012) research program was conducted to monitor a group of 25 railway bridges. One of the tasks was to devise guidelines for identifying their modal parameters. This paper presents the experience acquired from such identification. The modal analysis of four representative bridges of this group is reported, which include B5, B15, B20 and B58A, crossing the Caraj$\acute{a}$s railway in northern Brazil using three different excitations sources: drop weight, free vibration after train passage, and ambient conditions. To extract the dynamic parameters from the recorded data, Stochastic Subspace Identification and Frequency Domain Decomposition methods were used. Finite-element models were constructed to facilitate the dynamic measurements. The results show good agreement between the measured and computed natural frequencies and mode shapes. The findings provide some guidelines on methods of excitation, record length of time, methods of modal analysis including the use of projected channel and harmonic detection, helping researchers and maintenance teams obtain good dynamic characteristics from measurement data.
Altunisik, Ahmet Can;Bayraktar, Alemdar;Sevim, Baris
Computers and Concrete
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v.12
no.6
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pp.803-818
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2013
In this study, analytical and experimental modal analyses of a scaled bridge model are carried out to extract the dynamic characteristics such as natural frequency, mode shapes and damping ratios. For this purpose, a scaled bridge model is constructed in laboratory conditions. Three dimensional finite element model of the bridge is constituted and dynamic characteristics are determined, analytically. To identify the dynamic characteristics experimentally; Experimental Modal Analyses (ambient and forced vibration tests) are conducted to the bridge model. In the ambient vibration tests, natural excitations are provided and the response of the bridge model is measured. Sensitivity accelerometers are placed to collect signals from the measurements. The signals collected from the tests are processed by Operational Modal Analysis; and the dynamic characteristics of the bridge model are estimated using Enhanced Frequency Domain Decomposition and Stochastic Subspace Identification methods. In the forced vibration tests, excitation of the bridge model is induced by an impact hammer and the frequency response functions are obtained. From the finite element analyses, a total of 8 natural frequencies are attained between 28.33 and 313.5 Hz. Considering the first eight mode shapes, these modes can be classified into longitudinal, transverse and vertical modes. It is seen that the dynamic characteristics obtained from the ambient and forced vibration tests are close to each other. It can be stated that the both of Enhanced Frequency Domain Decomposition and Stochastic Subspace Identification methods are very useful to identify the dynamic characteristics of the bridge model. The first eight natural frequencies are obtained from experimental measurements between 25.00-299.5 Hz. In addition, the dynamic characteristics obtained from the finite element analyses have a good correlation with experimental frequencies and mode shapes. The MAC values obtained between 90-100% and 80-100% using experimental results and experimental-analytical results, respectively.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2008.04a
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pp.290-293
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2008
This paper proposes a criterion to select the modes for modal truncated model of flexible rotor only supported by active magnetic bearings. The proposed approach relies on the concepts of minimum control input and output energy assuming that the system is subjected to transient disturbances. Accurate large order model for the levitated rotor is taken by finite element analysis and transformed to the modal equation. By proposed methodology, which modal states should be retained in the truncated model are investigated over the whole operational speed range by the calculation. Finally, the effectiveness is verified by checking the model error between original model and reduced model.
In this study, vibration characteristics of a gravity-based caisson-foundation breakwater system are investigated for ambient and geometric parameters such as various waves, sea levels, and foundation conditions. To achieve the objective, following approaches are implemented. Firstly, operational modal analysis methods are selected to identify vibration modes from output-only dynamic responses. Secondly, a finite element model of an existing caisson-foundation breakwater system is established by using a structural analysis program, ANSYS. Thirdly, forced vibration analyses are performed on the caisson-foundation system for two types of external forces such as controlled impacts and wave-induced dynamic pressures. For the ideal impact, the wave force is converted to a triangular impulse function. For the wave flow, the wave pressure acting on the system is obtained from wave field analysis. Fourthly, vibration modes of the caisson-foundation system are identified from the forced vibration responses by combined use of the operational modal analysis methods. Finally, vibration characteristics of the caisson-foundation system are investigated under various waves, sea levels, and foundations. Relative effects of foundation conditions on vibration characteristics are distinguished from that induced by waves and sea levels.
Gunaydin, Murat;Erturk, Esin;Genc, Ali Fuat;Okur, Fatih Yesevi;Altunisik, Ahmet Can;Tavsan, Cengiz
Earthquakes and Structures
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v.22
no.1
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pp.65-82
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2022
This paper presents a structural performance assessment of a historical masonry clock tower both using numerical and experimental process. The numerical assessment includes developing of finite element model with considering different types of soil-structure interaction systems, identifying the numerical dynamic characteristics, finite element model updating procedure, nonlinear time-history analysis and evaluation of seismic performance level. The experimental study involves determining experimental dynamic characteristics using operational modal analysis test method. Through the numerical and experimental processes, the current structural behavior of the masonry clock tower was evaluated. The first five experimental natural frequencies were obtained within 1.479-9.991 Hz. Maximum difference between numerical and experimental natural frequencies, obtained as 20.26%, was reduced to 4.90% by means of the use of updating procedure. According to the results of the nonlinear time-history analysis, maximum displacement was calculated as 0.213 m. The maximum and minimum principal stresses were calculated as 0.20 MPa and 1.40 MPa. In terms of displacement control, the clock tower showed only controlled damage level during the applied earthquake record.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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