Lei, Jun;Lozano-Galant, Jose Antonio;Xu, Dong;Zhang, Feng-Liang;Turmo, Jose
Smart Structures and Systems
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v.30
no.4
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pp.339-351
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2022
Evaluating the current condition of existing structures is of primary importance for economic and safety reasons. This can be addressed by Structural System Identification (SSI). A reliable static SSI depends on well-designed sensor configuration and loading cases, as well as efficient parameter estimation algorithms. Static SSI by the Measurement Error-Minimizing Observability Method (MEMOM) is a model-based deterministic static SSI method that could estimate structural parameters from static responses. In the current state of the art, this method is only applicable when structures are subjected to one loading case. This might lead to lack of information in some local regions of the structure (such as the null curvatures zones). To address this issue, the SSI by MEMOM using multiple loading cases is proposed in this work. Observability equations obtained from different loading cases are concatenated simultaneously and an optimization procedure is introduced to obtain the estimations by minimizing the discrepancy between the predicted response and the measured one. In addition, a Genetic-Algorithm (GA)-based Optimal Sensor Placement (OSP) method is proposed to tackle the OSP problem under multiple static loading cases for the very first time. In this approach, the Fisher Information Matrix (FIM)'s determinant is used as the metric of the goodness of sensor configurations. The numerical examples of a 3-span continuous bridge and a 13-story frame, are analyzed to validate the applicability of the extended SSI by MEMOM and the GA-based OSP method.
To research the dynamic response of the high-rise structure under the rocking ground motion, which we believed that the effect cannot be ignored, especially accompanied by vertical ground motion. Theoretical analysis and shaking table seismic simulation tests were used to study the response of a high-rise structure to excitation of a H-V-R ground motion that included horizontal, vertical, and rocking components. The use of a wavelet analysis filtering technique to extract the rocking component from data for the primary horizontal component in the first part, based on the principle of horizontal pendulum seismogram and the use of a wavelet analysis filtering technique. The dynamic equation of motion for a high-rise structure under H-V-R ground motion was developed in the second part, with extra P-△ effect due to ground rocking displacement was included in the external load excitation terms of the equation of motion, and the influence of the vertical component on the high-rise structure P-△ effect was also included. Shaking table tests were performed for H-V-R ground motion using a scale model of a high-rise TV tower structure in the third part, while the results of the shaking table tests and theoretical calculation were compared in the last part, and the following conclusions were made. The results of the shaking table test were consistent with the theoretical calculation results, which verified the accuracy of the theoretical analysis. The rocking component of ground motion significantly increased the displacement of the structure and caused an asymmetric displacement of the structure. Thus, the seismic design of an engineering structure should consider the additional P-△ effect due to the rocking component. Moreover, introducing the vertical component caused the geometric stiffness of the structure to change with time, and the influence of the rocking component on the structure was amplified due to this effect.
It is necessary to develop a rational design method for surface reinforcement of very soft ground because most current design works rely on merely crude empirical correlations. In this paper, the mechanical behavior of very soft ground that is surficially reinforced was investigated with the aid of a series of numerical analyses. Several material properties of each dredged soft ground, reinforcement and backfill sand mat have been exercised in the numerical analysis. The result of numerical analysis was compared with those of the laboratory model test. Through the matching process between the numerical and experimental result, it is possible to determine representative material properties of the dredged soft ground, reinforcements and backfill sand mat. These verified material properties permit to evaluate the effect of the stiffness of reinforcement and the thickness of sand mat on the overall deformation of the reinforced soft ground.
In this paper the behavior of saturated sand deposits where liquefaction occurred before is studied for successive earthquakes. The relationship between past pore pressure generation and reliquefaction resistance is examined by using cyclic direct simple shear tests. If the soil sample in direct simple shear produced nearly 90% of excess pore pressure during first time loading, its liquefaction resistance increased during following cyclic loading after consolidation. However, a fully liquefied soil during first time loading has a densely packed condition but shows less liquefaction resistance for the following cyclic loading. UBCSAND model that can account for pore pressure change and stiffness loss of soil during shaking is used to analyze the centrifuge test simulating reliquefaction. The pore pressure rise during first time cyclic loading controls liquefaction resistance. The measurements from reliquefaction centrifuge test are compared with numerical predictions. By considering frequent earthquakes having occurred at the Southern Korea near Japan, such effective stress approach is necessary for reliquefaction study.
Urban tunnels are usually important in terms of prediction and control of surface settlement, gradient and ground displacement. This paper has studied the application of strain softening analysis to predict deformation behavior of an urban NATM tunnel. The applied strain softening model considered the reduction of shear stiffness and strength parameter after yielding with strain softening effects of a given material. Measurements of surface subsidence and ground displacement were adopted to monitor the ground behavior resulting from the tunneling and to modify tunnel design. The numerical analysis results produced a strain distribution, deformational mechanism and surface settlement profile, which are in good agreement with the results of case study. The approach of strain softening modeling is expected to be a good prediction method on the ground displacement associated with NATM tunneling at shallow depth and soft ground.
The purpose of this study was to investigate the frequency characteristics of forced vibration considering the vehicle progress. And the vibration characteristics in frequency domain that occur, when vehicle passes the bump, were analyzed. The responses such as displacement, velocity and acceleration were obtained through numerical analysis, and FFT processing was performed to analyze the frequency response function(FRF) characteristics. In particular, the location of vehicle eigenmodes and external excitation modes was clearly shown and analyzed. In the forced vibration model by external force, the behavior of the eigenmode in power spectrum and real and imaginary parts were also analyzed. The mode characteristics were also analyzed in each FRF. It was approximated by assuming total excitation force by considering the exciting frequency using impulse and sine wave forces, which can give the amplitude and frequencies. The response characteristics of forced oscillations having different mass, damping and stiffness have been systematically discussed.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.6D
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pp.895-904
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2008
CWR (Continuous Welded Rail) may be broken when a temperature drop below the neutral temperature changes in axial force, causing tensile fracture and rail gap, in winter. Rail-breaks may lead to the damage of the rail and wheel by dynamic load, and the reduction of running safety if not detected before the passage of a train. In this study, the track and train coupled model with open gap for dynamic interaction analysis, is proposed. Linear track and train systems is coupled by the nonlinear Herzian contact spring and the complete system matrices of total track-train system is constructed. And the interaction phenomenon considering open gap, was defined by assigning the irregularity functions between the two sides of a gap. Time history analysis, which have an iteration scheme such as $Newmark-{\beta}$ method based on Modified Newton-Raphson methods, was performed to solve the nonlinear equation. Finally, numerical studies are performed to assess the effect of various parameters of system, apply to various speeds, open gap size and the support stiffness of rail.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.4C
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pp.239-245
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2008
In this study, a fundamental-level study was performed to establish knowledge-base for the development of optimal surface-wave method for urban areas with adjacent structures. First, theoretical modelling was performed to investigate the influence of adjacent structures on dispersion characteristics of surface waves. Later, the geotechnical sites with a concrete model of adjacent structure and a real subway box structure were tested by surface-wave method to investigate the influence of adjacent structures. The major influencing factors of adjacent structures on surface-wave propagation were direct distance between measurement array and adjacent structure, stiffness contrast between layers and type of seismic source.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.4A
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pp.611-622
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2008
Nonlinear analyses have been carried out for both bridge piers and a bridge structure being repaired using a repair element in order to assess the post-repair seismic response of such structures. For this purpose, a simplified CFRP stress-strain model has been proposed. The analytical predictions incorporating the current developments correlate reasonably well with experimental results in terms of strength and stiffness. In addition, nonlinear dynamaic analyses have also been conducted for a bridge structure in terms of the created multiple earthquake sets to evaluate the effect of pier repair on the response of a whole bridge structure. In these analyses, potential plastic hinge zones of piers are virtually repaired by CFRP and steel jacketing. Comparative results prove the virtual necessity of performing nonlinear post-repair analyses under multiple earthquakes, particularly when the post-repair response features are required. In all, the present approaches are expected to provide salient information regarding a healthy seismic repair intervention of a damaged strcuture.
Connections with damage concentrated to pre-selected components can enhance seismic resilience for moment resisting frames. These pre-selected components always yield early to dissipate energy, and their energy dissipation mechanisms vary from one to another, depending on their position in the connection, geometry configuration details, and mechanical characteristics. This paper presents behaviour insights on two types of beam-to-beam connections that the angles were designed as energy dissipation components, through the results of experimental study and finite element analysis. Firstly, an experimental programme was reviewed, and key responses concerning the working mechanism of the connections were presented, including strain distribution at the critical section, section force responses of essential components, and initial stiffness of test specimens. Subsequently, finite element models of three specimens were established to further interpret their behaviour and response that were not observable in the tests. The moment and shear force transfer paths of the composite connections were clarified through the test results and finite element analysis. It was observed that the bending moment is mainly resisted by axial forces from the components, and the dominant axial force is from the bottom angles; the shear force at the critical section is primarily taken by the slab and the components near the top flange. Lastly, based on the insights on the load transfer path of the composite connections, preliminary design recommendations are proposed. In particular, a resistance requirement, quantified by a moment capacity ratio, was placed on the connections. Design models and equations were also developed for predicting the yield moment resistance and the shear resistance of the connections. A flexible beam model was proposed to quantify the shear resistance of essential components.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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