International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제12권1호
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pp.868-880
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2020
One of the main concerns in the structural integrity of offshore pipelines is mechanical damage from external loads. Pipelines are exposed to fatigue failure in welded joints due to geometric discontinuity. In addition, fatigue loads such as currents, waves, and platform motions may cause significant plastic deformation and fracture or leakage within a relatively low-cycle regime. The 2007 ASME Div. 2 Code adopts the master S―N curve for the fatigue evaluation of welded joints based on the mesh-insensitive structural stress. An extension to the master S―N curve was introduced to evaluate the low-cycle fatigue strength. This structural strain method uses the tensile properties of the material. However, the monotonic tensile properties have limitations in describing the material behavior above the elastic range because most engineering materials exhibit hardening or softening behavior under cyclic loads. The goal of this study is to extend the cyclic stress-strain behavior to the structural strain method. To this end, structural strain-based procedure was established while considering the cyclic stress-strain behavior and compared to the structural strain method with monotonic tensile properties. Finally, the improved prediction method was validated using fatigue test data from full-scale girth-welded pipes.
An efficient method is proposed here to identify multiple damage cases in structural systems using the concepts of flexibility matrix and strain energy of a structure. The flexibility matrix of the structure is accurately estimated from the first few mode shapes and natural frequencies. Then, the change of strain energy of a structural element, due to damage, evaluated by the columnar coefficients of the flexibility matrix is used to construct a damage indicator. This new indicator is named here as flexibility strain energy based index (FSEBI). In order to assess the performance of the proposed method for structural damage detection, two benchmark structures having a number of damage scenarios are considered. Numerical results demonstrate that the method can accurately locate the structural damage induced. It is also revealed that the magnitudes of the FSEBI depend on the damage severity.
Structural Health Monitoring (SHM) systems can provide valuable information regarding the safety of structures during and after ground motions which can be used by authorities to reduce post-earthquake hazards. Strain gages as a key element play an important role in the success of SHM systems. Reducing the number of required strain gages while keeping the efficiency of SHM system not only can reduce the cost of structural health monitoring but also avoids storage and process of uninformative data. In this study, a method based on performance based seismic design of structures is proposed for ideal placement of stain gages in structures. The robustness and efficiency of the proposed method is demonstrated through installation of strain gages on an Airport Traffic Control (ATC) Tower. The obtained results show that the number of required strain gages decrease significantly.
An assumed strain finite strip method(FSM) using the non-periodic B-spline for a shell is presented. In the present method, the shape function based on the non-periodic B-splines satisfies the Kronecker delta properties at the boundaries and allows to introduce interior supports in much the same way as in a conventional finite element formulation. In the formulation for a shell, the geometry of the shell is defined by non-periodic B3-splines without any tangential vectors at the ends and the penalty function method is used to incorporate the drilling degrees of freedom. In this study, new assumed strain fields using the non-periodic B-spline function are proposed to overcome the locking problems. The strip formulated in this way does not posses any spurious zero energy modes. The versatility and accuracy of the new approach are demonstrated through a series of numerical examples.
Moradipour, Parviz;Chan, Tommy H.T.;Gallag, Chaminda
Structural Engineering and Mechanics
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제54권1호
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pp.105-119
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2015
Structural damage detection using modal strain energy (MSE) is one of the most efficient and reliable structural health monitoring techniques. However, some of the existing MSE methods have been validated for special types of structures such as beams or steel truss bridges which demands improving the available methods. The purpose of this study is to improve an efficient modal strain energy method to detect and quantify the damage in complex structures at early stage of formation. In this paper, a modal strain energy method was mathematically developed and then numerically applied to a fixed-end beam and a three-story frame including single and multiple damage scenarios in absence and presence of up to five per cent noise. For each damage scenario, all mode shapes and natural frequencies of intact structures and the first five mode shapes of assumed damaged structures were obtained using STRAND7. The derived mode shapes of each intact and damaged structure at any damage scenario were then separately used in the improved formulation using MATLAB to detect the location and quantify the severity of damage as compared to those obtained from previous method. It was found that the improved method is more accurate, efficient and convergent than its predecessors. The outcomes of this study can be safely and inexpensively used for structural health monitoring to minimize the loss of lives and property by identifying the unforeseen structural damages.
The structural dynamic behavior and yield strength considering both ductility and strain rate effects are analyzed in this article. For the single-degree-of-freedom (SDOF) system, the relationship between the relative velocity and the strain rate response is deduced and the strain rate spectrum is presented. The ductility factor can be incorporated into the strain rate spectrum conveniently based on the constant-ductility velocity response spectrum. With the application of strain rate spectrum, it is convenient to consider the ductility and strain rate effects in engineering practice. The modal combination method, i.e., square root of the sum of the squares (SRSS) method, is employed to calculate the maximum strain rate of the elastoplastic multiple-degree-of-freedom (MDOF) system under uniform excitation. Considering the spatially varying ground motions, a new response spectrum method is developed by incorporating the ductility factor and strain rate into the conventional response spectrum method. In order to further analyze the effects of strain rate and ductility on structural dynamic behavior and yield strength, the cantilever beam (one-dimensional) and the triangular element (two-dimensional) are taken as numerical examples to calculate their seismic responses in time domain. Numerical results show that the permanent displacements with and without considering the strain rate effect are significantly different from each other. It is not only necessary in theory but also significant in engineering practice to take the ductility and strain rate effects into consideration.
This paper deals with the flexural behaviors of R.C beams strengthened by carbon fiber sheets. The behaviors of strengthened beams which were preloaded up to 50%, 60% and 70% of the ultimate load of unstrengthened beam are compared with that of a beam which was not preloaded. The structural behaviors of strengthened beams are compared with analytical method in terms of load-strain of concrete, load-strain of steel bar, load-strain of CFS and falilure load. Four cases of analytical method are investigated according to cracked section or partially cracked section and including strain hardening effect of steel bar or not. Comparing the results of test and analysis, both are similar in terms of load-strain of concrete, and falilure load, the results of analytical method underestimate the failure load. But each results of load-strain of steel bar, load-strain of CFS near at failure is some different, thus near at failure the composite action between CFS and upper concrete is assumed to be disturbed. Consequently, the analytical method was proved to be efficient and accurate in estimating the flexural response of CFS strengthened RC beams.
Due to structural complicacy, structural health monitoring for civil engineering needs more accurate and effectual methods of damage identification. This study aims to import multi-source information fusion (MSIF) into structural damage diagnosis to improve the validity of damage detection. Firstly, the essential theory and applied mathematic methods of MSIF are introduced. And then, the structural damage identification method based on multi-mode information fusion is put forward. Later, on the basis of a numerical simulation of a concrete continuous box beam bridge, it is obviously indicated that the improved modal strain energy method based on multi-mode information fusion has nicer sensitivity to structural initial damage and favorable robusticity to noise. Compared with the classical modal strain energy method, this damage identification method needs much less modal information to detect structural initial damage. When the noise intensity is less than or equal to 10%, this method can identify structural initial damage well and truly. In a word, this structural damage identification method based on multi-mode information fusion has better effects of structural damage identification and good practicability to actual structures.
In this paper, the applicability of strain data to a strain-energy-based damage evaluation methodology in detecting damage in a beam-like structure is demonstrated. For the purpose of this study, one of the premier damage evaluation methodology based on modal amplitudes, the damage index method, is expanded to accomodate strain data, and the numerical and experimental verifications are conducted using numerical and experimental data. To compare the relative performance of damage detection, the damage evaluation using acceleration data is also performed for the same damage scenarios. The experimental strain and acceleration data are extracted from laboratory static and dynamic tests. The numerical and experimental studies show that the strain data as well as acceleration data can be utilized in detecting damage.
Damage detection of structures is one of the most important topics in structural health monitoring. In practice, the response is not available at all structural degrees of freedom, and due to the installation of sensors at some degrees of freedom, responses exist only in limited number of degrees of freedom. This paper is investigated the damage detection of structures by applying two approaches, AllDOF and Dynamic Condensation Method (DCM), based on the Modified Modal Strain Energy Method (MMSEBI). In the AllDOF method, mode shapes in all degrees of freedom is available, but in the DCM the mode shapes only in some degrees of freedom are available. Therefore by methods like the DCM, mode shapes are obtained in slave degrees of freedom. So, in the first step, the responses at slave degrees of freedom extracted using the responses at master degrees of freedom. Then, using the reconstructed mode shape and obtaining the modified modal strain energy, the damages are detected. Two standard examples are used in different damage cases to evaluate the accuracy of the mentioned method. The results showed the capability of the DCM is acceptable for low mode shapes to detect the damage in structures. By increasing the number of modes, the AllDOF method identifies the locations of the damage more accurately.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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