In this paper we present an overview of damage diagnosis algorithms that have been developed over the past two decades using vibration signals obtained from structures. Then, the paper focuses primarily on algorithms that can be used following an extreme event such as a large earthquake to identify structural damage for responding in a timely manner. The algorithms presented in the paper use measurements obtained from accelerometers and gyroscope to identify the occurrence of damage and classify the damage. Example algorithms are presented include those based on autoregressive moving average (ARMA), wavelet energies from wavelet transform and rotation models. The algorithms are illustrated through application of data from test structures such as the ASCE Benchmark structure and laboratory tests of scaled bridge columns and steel frames. The paper concludes by identifying needs for research and development in order for such algorithms to become viable in practice.
A simplified calculation method of natural vibration characteristics of high-speed railway multi-span bridge-longitudinal ballastless track system is proposed. The rail, track slab, base slab, main beam, bearing, pier, cap and pile foundation are taken into account, and the multi-span longitudinal ballastless track-beam-bearing-pier-cap-pile foundation integrated model (MBTIM) is established. The energy equation of each component of the MBTIM based on Timoshenko beam theory is constructed. Using the improved Fourier series, and the Rayleigh-Ritz method and Hamilton principle are combined to obtain the extremum of the total energy function. The simplified calculation formula of the natural vibration frequency of the MBTIM under the influence of vertical and longitudinal vibration is derived and verified by numerical methods. The influence law of the natural vibration frequency of the MBTIM is analyzed considering and not considering the participation of each component of the MBTIM, the damage of the track interlayer component and the stiffness change of each layer component. The results show that the error between the calculation results of the formula and the numerical method in this paper is less than 3%, which verifies the correctness of the method in this paper. The high-order frequency of the MBTIM is significantly affected considering the track, bridge pier, pile soil and pile cap, while considering the influence of pile cap on the low-order and high-order frequency of the MBTIM is large. The influence of component damage such as void beneath slab, mortar debonding and fastener failure on each order frequency of the MBTIM is basically the same, and the influence of component damage less than 10m on the first fourteen order frequency of the MBTIM is small. The bending stiffness of track slab and rail has no obvious influence on the natural frequency of the MBTIM, and the bending stiffness of main beam has influence on the natural frequency of the MBTIM. The bending stiffness of pier and base slab only has obvious influence on the high-order frequency of the MBTIM. The natural vibration characteristics of the MBTIM play an important guiding role in the safety analysis of high-speed train running, the damage detection of track-bridge structure and the seismic design of railway bridge.
Park, Joo Nam;Choi, Eun Soo;Kim, Sung Il;Cho, Sung Cheol
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.21
no.1
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pp.45-53
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2009
More than 40% of railway bridges on the conventional lines in Korea consist of track-on-steel plate girder (TOSPG) bridges. This type of bridge is typically designed without considering seismic loadings, as most of them were built before 1970. The seismic performance of this particular type of bridge could be upgraded through various seismic retrofit schemes, and seismic risk assessment could play a key role in decision-making on the level of the seismic retrofit. This study performed a seismic risk assessment of TOSPG bridges in Korea. The seismic damage of several crucial components of TOSPG bridges--fixed bearings, free bearings, and piers--were probabilistically estimated, and their seismic fragility curves were developed. The probability that the components would exceed their predefined limit states was also calculated by combining the fragility curves and the seismic hazard function. The analysis showed that the piers of TOSPG bridges, which are made of plain concrete without rebars, have relatively low risk against seismic loadings in Korea. This is because the mass of the superstructures of TOSPG bridges is relatively small, and hence, the seismic loading being transferred to the piers is minimal. The line-type bearings typically used for TOSPG bridges, however, are exposed to a degree of seismic risk. Among the bearings, the probability of the free-end bearings and the fixed-end bearings exceeding the slight damage state in 50 years was found to be 12.78% and 4.23%, respectively. The gap between these probability values lessened towards more serious damage states. This study could effectively provide an engineering background for decision-making activities on the seismic retrofit of railway bridges.
Kim, Seong-Cheol;Hwang, Eui-Seok;Kim, Zu-Cheol;Kim, Hak-Moon
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2005.03a
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pp.1490-1495
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2005
In this study, Model test of concrete frame structures with various shapes and locations are carried out by means of applying Peck's(1969) settlement method. The results of the model test indicated that important correlations existed between the behavior of frame structure and ground movement. Also, the damage level of frame structure closely influenced by the phase of excavation. Therefore, prediction of damage level at early phase of construction should be very precise. The damage level graph by Cording et al.(2001), the angular distortion provided gradually more serious damage to frame structures for the all cases. But the damage level graph by Burland(1997), was difficult to confirm because of very small amount of deflection ratio.
International Journal of Ocean Engineering and Technology Speciallssue:Selected Papers
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v.4
no.1
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pp.31-37
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2001
In this paper, an integrated damage identification system (IDIS) is proposed to locate and size damage in real structures. The application of the IDIS to real structures includes the measurement of modal responses, the construction of damage-detection models, and the implementation of measurements and models into the damage-detection process. Firstly, the theory of the damage identification method is outlined. Secondly, the schematic and each component of the IDIS are described. Finally, the practicality of the IDIS is verified from experiments on two different bridge-models, a model plate-grider and a model truss.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.22
no.11
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pp.1089-1098
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2012
A faulting could be occurred at the end of deck by unexpected loads to bridge bearing after a bridge completion. Serviceability of bridges could be impaired by the faulting which is caused structural damage. Therefore, smart bridge bearing which can continuously observe the supporting points is needed. Some of bridge bearings have been developed for measuring vertical load and vertical displacement by installing sensors in the bearing. In those systems, however it is not easy to be replaced with new sensors when repairs are needed. In this study, the smart bridge bearing of which sensors can be replaced has been developed to overcome such a problem. In this study, strain signals were used for measuring both of vertical displacements and loads. FBG sensors(fiber optic Bragg-grating sensors) have been used for measurement of the strain signals since it is prevented from electronic noise by mediating light, enables the simplification of the measuring cable by multiple measurement, and is easy to place by lightweight and small size. The possibility of use was reviewed for smart bridge bearing based on FBG sensors through tests.
The paper presents a case study in which the structural condition assessment of the East Bay bridge in Gibsonton, Florida is evaluated with the help of remote health monitoring techniques. The bridge is a four-span, continuous, deck-type reinforced concrete structure supported on prestressed pile bents, and is instrumented with smart Fiber Optic Sensors. The sensors used for remote health monitoring are the newly emerged Fabry-Perot (FP), and are both surface-mounted and embedded in the deck. The sensing system can be accessed remotely through fast Digital Subscriber Lines (DSL), which permits the evaluation of the bridge behavior under live traffic loads. The bridge was open to traffic since March 2005, and the collected structural data have been continuously analyzed since. The data revealed an increase in strain readings, which suggests a progression in damage. Recent visual observations also indicated the presence of longitudinal cracks along the bridge length. After the formation of these cracks, the sensors readings were analyzed and used to extrapolate the values of the maximum stresses at the crack location. The data obtained were also compared to initial design values of the bridge under factored gravity and live loads. The study showed that the proposed structural health monitoring technique proved to provide an efficient mean for condition assessment of bridge structures providing it is implemented and analyzed with care.
Piers are the most vulnerable part of a bridge structure during an earthquake event. During Kobe earthquake in 1995, several bridge piers of the Hanshin Expressway collapsed for more than 600m of the bridge length. In this paper, the most important results of an experimental and analytical investigation of ten reinforced concrete bridge piers specimens with the same cross section subjected to constant axial (or variable) load and reversed (or one direction) cycling loading are presented. The objective was to investigate the main parameters influencing the seismic performance of reinforced concrete bridge piers. It was found that loading history and axial load intensity had a great influence on the performance of piers, especially concerning strength and stiffness degradation as well as the energy dissipation. Controlling these parameters is one of the keys for an ideal seismic performance for a given structure during an eventual seismic event. Numerical models for the tested specimens were developed and analyzed using SeismoStruct software. The analytical results show reasonable agreement with the experimental ones. The analysis not only correctly predicted the stiffness, load, and deformation at the peak, but also captured the post-peak softening as well. The analytical results showed that, in all cases, the ratio, experimental peak strength to the analytical one, was greater than 0.95.
Seismic isolation technology has a wide application to protect bridges from earthquake damage, a new designed bridge pier with seismic isolation are provided for railways in seismic regions of China. The pier with rocking isolation is a self-centering system under small and moderate earthquakes, and the unbonded prestressed tendons are used to prevent overturning under strong earthquakes. A numerical model based on pseudo-static testing results is presented to evaluate the seismic performance of isolation bridge piers, and is validated by the shaking table test. It is found that the rocking response and the loss of prestressing for the bridge pier increase with the increase of earthquake intensity. Besides, the intensity and spectral characteristics of input ground motion have great influence on displacement of the top and bottom of the bridge pier, while have less influence on the bending moment of the pier bottom. Experimental and numerical results show that the rocking-isolated piers presented in this study have good seismic performance, and it provides an alternative way for the railway bridge in the regions with high occurrence of earthquakes. Therefore, we provide the detailed procedures for seismic design of the rocking-isolated bridge pier, and a case study of the seismic isolation design with rocking piers is carried out to popularize the seismic isolation methods.
Modal parameters are widely used in bridge damage detection, finite element model (FEM) updating and design optimization. However, the conventional modal identification approaches require large number of sensors, enormous data processing workload, but normally result in mode shapes with low accuracy. This paper proposes a modal identification method of time-varying vehicle-bridge system using a single sensor. Firstly, the essential physical relationship between the instantaneous frequency of the vehicle-bridge system and the bridge mode shapes are derived. Subsequently, based on the synchroextracting transform, the instantaneous frequency of the system is tracked through the dynamic response collected by a single sensor, and further the modal parameters are estimated by using the derived physical relationship. Then numerical and experimental examples are conducted to examine the feasibility and effectiveness of the proposed method. Finally, the modal parameters identified by the proposed method are applied in bridge FEM updating. The results manifest that the proposed method identifies the modal parameters with high accuracy via a single sensor, and can provide reliable data for the FEM updating.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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