Passive control technologies are commonly used in several areas to suppress structural vibrations by the addition of supplementary damping, and some modal damping may be heavy beyond critical damping even for regular structures with energy dissipation devices. The design of passive control structures is typically based on (complex) mode superposition approaches. However, the conventional mode superposition approach is predominantly applied to cases of under-critical damping. Moreover, when any modal damping ratio is equal or close to 1.0, the system becomes defective, i.e., a complete set of eigenvectors cannot be obtained such that some well-known algorithms for the quadratic eigenvalue problem are invalid. In this paper, a generalized complex mode superposition method that is suitable for under-critical, critical and over-critical damping is proposed and expressed in a unified form for structural displacement, velocity and acceleration responses. In the new method, the conventional algorithm for the eigenvalue problem is still valid, even though the system becomes defective due to critical modal damping. Based on the modal truncation error analysis, modal corrected methods for displacement and acceleration responses are developed to approximately consider the contribution of the truncated higher modes. Finally, the implementation of the proposed methods is presented through two numerical examples, and the effectiveness is investigated. The results also show that over-critically damped modes have a significant impact on structural responses. This study is a development of the original complex mode superposition method and can be applied well to dynamic analyses of non-classically damped systems.
A three-dimensional finite element model for the Jiashao Bridge, the longest multi-span cable-stayed bridge in the world, is established using the commercial software package ANSYS. Dynamic characteristics of the bridge are analyzed and the effects of structural system measures including the rigid hinge, auxiliary piers and longitudinal constraints between the girders and side towers on the dynamic properties including modal frequency, mode shape and effective mass are studied by referring to the Jiashao Bridge. The analysis results reveal that: (i) the installation of the rigid hinge significantly reduces the modal frequency of the first symmetric lateral bending mode of bridge deck. Moreover, the rigid hinge significantly changes the mode shape and effective mass of the first symmetric torsional mode of bridge deck; (ii) the layout of the auxiliary piers in the side-spans has a limited effect on changing the modal frequencies, mode shapes and effective masses of global vibration modes; (iii) the employment of the longitudinal constraints significantly increases the modal frequencies of the vertical bending modes and lateral bending modes of bridge deck and have significant effects on changing the mode shapes of vertical bending modes and lateral bending modes of bridge deck. Moreover, the effective mass of the first anti-symmetric vertical bending of bridge deck in the longitudinal direction of the fully floating system is significantly larger than that of the partially constrained system and fully constrained system. The results obtained indicate that the structural system measures of the multi-span cable-stayed bridge have a great effect on the dynamic properties, which deserves special attention for seismic design and wind-resistant design of the multi-span cable-stayed bridge.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.15
no.1
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pp.43-58
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2002
A methodology to nondestructively locate and estimate size of damage in beam-type structures using a few natural frequencies or a few mode shapes is presented. A damage-localization algorithm to locate damage from changes in natural frequencies and a damage-sizing algorithm to estimate crack-size from natural frequency perturbation are outlined. A damage index algorithm to localize and estimate severity of damage from monitoring changes in mode shapes is outlined. The frequency-based method and the mode-shape-based method are evaluated for several damage scenarios by locating and sizing damage in PS concrete beams lot which a few natural frequencies and mode shapes are generated from finite element models. The result of the analyses indicates that the two methods correctly localize and closely estimate the size of the crack simulated in the test beam.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.8
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pp.1910-1919
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1994
The nonlinear behavior of continuous structural systems which possess external resonances as well as internal resonances are found be exhibit interesting reponses, arising because of the exhange of energy between the coupled modes. In this paper, the undamped forced vibrations was studied on the effect of primary resonance based on the concept of normal modes. By using the concept of normal mode the stability relation between free and forced vibrations was investigated in case of small exciting force. Numerical results show that the excitation of one unstable mode has a great influence on the response of the other mode but that of one stable mode does not.
Delamination of cover concrete due to re-bar corrosion is a critical damage reducing structural safety of reinforced concrete structures. Therefore, it should be detected and evaluated to provide appropriate maintenance to recover structural integrity. Impact-echo method, which utilizes thickness vibration characteristics of delaminated concrete section, is effective for detection and evaluation of small areal size delamination. However, it may not be applicable for large areal size delamination in which flexural vibration modes are dominated. In this study, applicability of vibration mode shapes of delaminated concrete section is investigated for visualization of delamination region in concrete structures. Numerical and experimental modal tests are performed to estimate mode shapes of delaminated concrete section and linear absolute summation technique is proposed for effective visualization of delamination region based on estimated mode shapes.
The main concern of numerical dynamic analysis of large structures is to find an acceptable solution with fewer mode shapes and less computational efforts. Component mode method utilizes substructure technique to reduce the degree of freedom but have a disadvantage to not consider the dynamic characteristics of loads. Ritz Vector method consider the load characteristics but requires many integrations and errors are accumulated. In this study, to improve the effectiveness of component mode method, Lanczos algorithm is introduced. To prove the effectiveness of this method, example structure are analyzed and the results are compared with SAP90.
The effect of a partially earth anchored cable system on the structural safety of a long span cable-stayed bridge under seismic and wind loads are examined during construction process. By assuming the FCM (free cantilever method) construction stages with structural vulnerability, a multi-mode spectral analysis and a multi-mode buffeting analysis are performed for specific seismic load and wind load, respectively. Results show that the wind load dominates the structural safety of a cable-stayed bridge during construction. And, the application of a partially earth anchored cable system can enhance structural safety under wind load since the maximum pylon moment in the model with partially earth anchored cable system is reduced by 49% under wind load. In contrast, the maximum pylon moment occurred by seismic load is only decreased by 8%.
A numerical method is presented for an out-of-plane structural intensity analysis of rectangular thick plates with arbitrary elastic edge constraints. The method adapts an assumed mode method based on Timoshenko beam functions to obtain the velocities and internal forces needed for a structural intensity analysis. To verify the presented method, the structural intensity of a square thick plate under harmonic force excitation, for which four edges are simply supported, is analyzed, and the result is compared with existing solutions using the assumed mode method based on trigonometric functions. In addition, numerical analyses are carried out for a rectangular-shaped thick plate under harmonic force excitations, of which three edges are simply supported and one edge utilizes an arbitrary elastic edge constraint. These numerical examples show the good accuracy and applicability of the presented method for rectangular thick plates with arbitrary edge constraints.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.5
no.1
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pp.237-246
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2001
This study is to measure the creep coefficient by 3 days, 7 days and 28 days in the age when loading for the quality assessment of $350kgf/cm^2$ in the high-strength concrete. And it is to analyze the behavior of creep coefficient by applying the experimental data though the compressive strength test, the elastic modulus test and the dry shrinkage test to the ACI-209, AASHTO-94 and CEB/FIP-90, the prediction mode, and the basis of concrete structural design. Also it is to analyze the behavior of short-term creep coefficient during 91 days in the age when loading through the experiment by using the regression analysis, the statistical theory. As applying it to the long-term behavior during 365 days and comparing with the creep prediction mode and examining it, the result from the analysis of the quality of the concrete is as follows. As the result of comparison and analysis about the ACI-209, AASHTO-94 and CEB/FIP-90, the prediction mode, and the basis of concrete structural design, the normal Portland cement class 1 shows the approximate value with the prediction of GEE/PIP-90 and the basis of concrete structural design, but in case of the prediction of ACI-209 and AASHTO-94, there would be worry of underestimation in the application.
Traditional approaches for structural health monitoring (SHM) seldom take ambient uncertainty (temperature, humidity, ambient vibration) into consideration, while their impacts on structural responses are substantial, leading to a possibility of raising false alarms. A few predictors model-based approaches deal with these uncertainties through complex numerical models running online, rendering the SHM approach to be compute-intensive, slow, and sometimes not practical. Also, with model-based approaches, the imperative need for a precise understanding of the structure often poses a problem for not so well understood complex systems. The present study employs a data-based approach coupled with Empirical mode decomposition (EMD) to correlate recorded response time histories under varying temperature conditions to corresponding damage scenarios. EMD decomposes the response signal into a finite set of intrinsic mode functions (IMFs). A two-dimensional Convolutional Neural Network (2DCNN) is further trained to associate these IMFs to the respective damage cases. The use of IMFs in place of raw signals helps to reduce the impact of sensor noise while preserving the essential spatio-temporal information less-sensitive to thermal effects and thereby stands as a better damage-sensitive feature than the raw signal itself. The proposed algorithm is numerically tested on a single span bridge under varying temperature conditions for different damage severities. The dynamic strain is recorded as the response since they are frame-invariant and cheaper to install. The proposed algorithm has been observed to be damage sensitive as well as sufficiently robust against measurement noise.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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