Determination of the most meaningful structural modes and gaining insight into how these modes evolve are important issues for long-term structural health monitoring of the long-span bridges. To address this issue, modal parameters identified throughout the life of the bridge need to be compared and linked with each other, which is the process of mode tracking. The modal frequencies for a long-span bridge are typically closely-spaced, sensitive to the environment (e.g., temperature, wind, traffic, etc.), which makes the automated tracking of modal parameters a difficult process, often requiring human intervention. Machine learning methods are well-suited for uncovering complex underlying relationships between processes and thus have the potential to realize accurate and automated modal tracking. In this study, Gaussian mixture model (GMM), a popular unsupervised machine learning method, is employed to automatically determine and update baseline modal properties from the identified unlabeled modal parameters. On this foundation, a new mode tracking method is proposed for automated mode tracking for long-span bridges. Firstly, a numerical example for a three-degree-of-freedom system is employed to validate the feasibility of using GMM to automatically determine the baseline modal properties. Subsequently, the field monitoring data of a long-span bridge are utilized to illustrate the practical usage of GMM for automated determination of the baseline list. Finally, the continuously monitoring bridge acceleration data during strong typhoon events are employed to validate the reliability of proposed method in tracking the changing modal parameters. Results show that the proposed method can automatically track the modal parameters in disastrous scenarios and provide valuable references for condition assessment of the bridge structure.
Pei Yi Siow;Zhi Chao Ong;Shin Yee Khoo;Kok-Sing Lim;Bee Teng Chew
Smart Structures and Systems
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v.31
no.5
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pp.485-500
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2023
Machine learning-based structural health monitoring (ML-based SHM) methods are researched extensively in the recent decade due to the availability of advanced information and sensing technology. ML methods are well-known for their pattern recognition capability for complex problems. However, the main obstacle of ML-based SHM is that it often requires pre-collected historical data for model training. In most actual scenarios, damage presence can be detected using the unsupervised learning method through anomaly detection, but to further identify the damage types would require prior knowledge or historical events as references. This creates the cold-start problem, especially for new and unobserved structures. Modal-based methods identify damages based on the changes in the structural global properties but often require dense measurements for accurate results. Therefore, a two-stage hybrid modal-machine learning damage detection scheme is proposed. The first stage detects damage presence using Principal Component Analysis-Frequency Response Function (PCA-FRF) in an unsupervised manner, whereas the second stage further identifies the damage. To solve the cold-start problem, mode shape assessment using the first mode is initiated when no trained model is available yet in the second stage. The damage identified by the modal-based method would be stored for future training. This work highlights the performance of the scheme in alleviating the cold-start issue as it transitions through different phases, starting from zero damage sample available. Results showed that single and multiple damages can be identified at an acceptable accuracy level even when training samples are limited.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.16
no.1
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pp.27-34
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2012
The objective of this study is to evaluate the stiffness of mortar-filled sleeve bar splice using estimation method of failure mode in the sleeve reinforcement splice. To attain this goal, we analyzed the test results of 261 actual-sized mortar-filled sleeve splice specimens. The study results showed that the estimation method of the failure mode in mortar-filled sleeve bar splice made an effective estimate of the stiffness in this bar splice with the exception of specimens with SD500 bars and smooth pipe sleeve. Especially, of the specimens with cast sleeve or uneven pipe sleeve in the range of reinforcement fracture using the estimation method of the failure mode in mortar-filled sleeve splice, specimens over 98% with SD400 bars and all specimens with SD500 bars had the stiffness capacity of higher than "A" class of AIJ code in monotonic loading. In addition, of the specimens in the range of reinforcement fracture using the estimation method of the failure mode in mortar-filled sleeve splice, all specimens with SD400 bars and SD500 bars had the stiffness capacity of higher than "A" class of AIJ code in cyclic loading.
Finite element analysis is one of the important methods to study the structural performance. Due to the simplification, discretization and error of structural parameters, numerical model errors always exist. Besides, structural characteristics may also change because of material aging, structural damage, etc., making the initial finite element model cannot simulate the operational response of the structure accurately. Based on Bayesian methods, the initial model can be updated to obtain a more accurate numerical model. This paper presents the work on the field test, modal identification and model updating of a Chinese reinforced concrete pagoda. Based on the ambient vibration test, the acceleration response of the structure under operational environment was collected. The first six translational modes of the structure were identified by the enhanced frequency domain decomposition method. The initial finite element model of the pagoda was established, and the elastic modulus of columns, beams and slabs were selected as model parameters to be updated. Assuming the error between the measured mode and the calculated one follows a Gaussian distribution, the posterior probability density function (PDF) of the parameter to be updated is obtained and the uncertainty is quantitatively evaluated based on the Bayesian statistical theory and the Metropolis-Hastings algorithm, and then the optimal values of model parameters can be obtained. The results show that the difference between the calculated frequency of the finite element model and the measured one is reduced, and the modal correlation of the mode shape is improved. The updated numerical model can be used to evaluate the safety of the structure as a benchmark model for structural health monitoring (SHM).
A set of mid-rise bare and uniformly infilled reinforced-concrete frame buildings are analyzed for two different seismic intensities of ground-motions (i.e., 'Design Basis Earthquake' and 'Maximum Considered Earthquake') to study their floor response. The crucial parameters affecting seismic design force for acceleration-sensitive non-structural components are studied and compared with the guidelines of the European and the United States standards, and also with the recently developed NIST provisions. It is observed that the provisions of both the European and the United States standards do not account for the effects of the period of vibration of the supporting structure and seismic intensity of ground-motions and thereby provides conservative estimates of the in-structure amplification. In case of bare frames, the herein derived component amplification factors for both the design basis earthquake and the maximum considered earthquake exceeds with their recommended values in the European and the United States standards for non-structural components having periods in vicinity of the higher modes of vibration, whereas, in case of infilled frames, component amplification factors exceeds with their recommended value in the European standard for non-structural components having periods in vicinity of the fundamental mode of vibration, and only for the design basis earthquake. As a consequence of these observations, as well as capping on the design force (in case of United states standard and NIST provisions), in case of the design basis earthquake, the combined amplification factor is underestimated for non-structural components having periods in vicinity of the higher modes of vibration of bare frames, and also for non-structural components having periods in vicinity of the fundamental mode of vibration of infilled frames. At the maximum considered earthquake demand, excepting non-structural components having periods in vicinity of the higher modes of vibration of bare frames, all provisions generally provide conservative estimates of the design floor accelerations.
The shape and size of the plastic zone around the crack tip are analyzed under pure mode I, pure mode II and mixed mode (I+II) loading for small scale yielding and for both plane stress and plane strain conditions. A new analytical formulation is presented to determine the radius of the plastic zone in a non-dimensional form. In particular, the effect of T-stress on the plastic zone around the crack tip is studied. The results of this investigation indicate that the stress field with a T-stress always yields a larger plastic zone than the field without a T-stress. It is found that under predominantly mode I loading, the effect of a negative T-stress on the size of the plastic zone is more dramatic than a positive T-stress. However, when mode II portion of loading is dominating the effect of both positive and negative T-stresses on the size of the plastic zone is almost equal. For validating the analytical results, several finite element analyses were performed. It is shown that the results obtained by the proposed analytical formulation are in very good agreements with those obtained from the finite element analyses.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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1991.04a
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pp.153-158
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1991
Recently, demands on light weight, high strength, and low noise or vibration have led to the design of complicated structural systems. Although finite elements [1], mode synthesis [2], and statistical energy analysis [3] can be used to compute the dynamic response of such systems, the structural complexity has made the interpretation of the results of such analysis difficult. Many researchers in dynamic analysis have sought to further develop existing theories or develop alternate methods to obtain greater insight in the behavior of large massive primary systems (P systems) with connected light secondary systems (S systems). Some recent research includes work by Sackman and Kelly [4], Sackman et al.[5], Der Kiureghian et al.[6], and Igusa and Der Kiureghian [7-9] who have combined mode synthesis concepts, matrix algebraic theory, and perturbation methods for characterizing weakly-coupled structural systems. A major limitation of these works are that they are limited to lumped mass S systems. In this paper, the general ideas in the Refs.[4-9] are used to study continuous S systems and the method to reduce the complexity, studied in the works by Igusa, Achenbach, and Min [10,11], is developed into the frequency window method.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.11
no.5
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pp.108-122
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2001
As bridge design is advancing toward the performance-based design. it becomes increasingly important to monitor and re-evaluate the long-term structural performance of bridges. Such information is essential in developing performance criteria for design. In this research. sensor systems for long-term structural performance monitoring have been installed on two highway bridges. Pre1iminary vibration measurement and data analysis have been performed on these instrumented bridges. On one bridge, ambient vibration data have been collected. based on which natural frequencies and mode shapes have been extracted using various methods and compared with those obtained by the preliminary finite element analysis. On the other bridge, braking and bumping vibration tests have been carried out using a water truck In addition to ambient vibration tests. Natural frequencies and mode shapes have been derived and the results by the breaking and bumping vibration tests have been compared. For the development of a three dimensional baseline finite element model, the new methodology using a neural network is proposed. The proposed one have been verified and applied to develop the baseline model of the bridge.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.12
no.1
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pp.87-96
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1995
A new fungivle material named Epoxy-Granite composite is applied to the column structure of drilling center in order to investigate the advanced dynamic charateristics comparing with a conventional cast iron material. The dimensions of new column structure are adjusted to keep the same stiffness (EI value) and the manufacturing conditions are formulated based on the preceeding research experience about the development of Epoxy-Granite structural material. The two kinds of experiments are set up, one of which is for the measurement of natural mode and frequency using experimental modal analysis, and the other one is for the measurement of vibration amplitude during idling operation of a machine tool. The comparison of maximum accelerance values at each natural frequency of bending mode shows a Epoxy-Granite column have larger modal damping ratios(over 2times) than a cast iron column. The vibration amplitude of Epoxy-Granite column measrued on the bed, motor base, and top of column are also much smaller (up to 12%) than the case of cast iron column. It is therefore confirmed that a Epoxy-Granite material exhibits a good anti- vibrational propderty even if it is used under the actual operational environments of machine tool as a practical structural element.
This paper describes a simple method for evaluating the design wind loads for the structural frames of circular flat roofs with long spans. The dynamic response of several roof models were numerically analyzed in the time domain as well as in the frequency domain by using wind pressure data obtained from a wind tunnel experiment. The instantaneous displacement and bending moment of the roof were computed, and the maximum load effects were evaluated. The results indicate that the wind-induced oscillation of the roof is generally dominated by the first mode and the gust effect factor approach can be applied to the evaluation of the maximum load effects. That is, the design wind load can be represented by the time-averaged wind pressure multiplied by the gust effect factor for the first mode. Based on the experimental results for the first modal force, an empirical formula for the gust effect factor is provided as a function of the geometric and structural parameters of the roof and the turbulence intensity of the approach flow. The equivalent design pressure coefficients, which reproduce the maximum load effects, are also discussed. A simplified model of the pressure coefficient distribution is presented.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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