Martakis, Panagiotis;Movsessian, Artur;Reuland, Yves;Pai, Sai G.S.;Quqa, Said;Cava, David Garcia;Tcherniak, Dmitri;Chatzi, Eleni
Smart Structures and Systems
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제29권1호
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pp.251-266
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2022
Structural Health Monitoring (SHM) of critical infrastructure comprises a major pillar of maintenance management, shielding public safety and economic sustainability. Although SHM is usually associated with data-driven metrics and thresholds, expert judgement is essential, especially in cases where erroneous predictions can bear casualties or substantial economic loss. Considering that visual inspections are time consuming and potentially subjective, artificial-intelligence tools may be leveraged in order to minimize the inspection effort and provide objective outcomes. In this context, timely detection of sensor malfunctioning is crucial in preventing inaccurate assessment and false alarms. The present work introduces a sensor-fault detection and interpretation framework, based on the well-established support-vector machine scheme for anomaly detection, combined with a coalitional game-theory approach. The proposed framework is implemented in two datasets, provided along the 1st International Project Competition for Structural Health Monitoring (IPC-SHM 2020), comprising acceleration and cable-load measurements from two real cable-stayed bridges. The results demonstrate good predictive performance and highlight the potential for seamless adaption of the algorithm to intrinsically different data domains. For the first time, the term "decision trajectories", originating from the field of cognitive sciences, is introduced and applied in the context of SHM. This provides an intuitive and comprehensive illustration of the impact of individual features, along with an elaboration on feature dependencies that drive individual model predictions. Overall, the proposed framework provides an easy-to-train, application-agnostic and interpretable anomaly detector, which can be integrated into the preprocessing part of various SHM and condition-monitoring applications, offering a first screening of the sensor health prior to further analysis.
본 논문에서는 교량에 발생하는 다양한 진동을 제어하기 위하여 통합무선제어시스템을 개발하였다. 개발된 통합무선제어시스템은 구조물의 거동에 따른 데이터의 계측, 해석, 판단, 제어 등 데이터 처리 및 대응을 위하여 필요한 각각의 시스템을 하나의 시스템으로 통합한 일체형 시스템이다. 이 시스템은 계측된 구조물의 다양한 신호를 분석하여 상황에 따른 피드백제어(Feedback control)를 수행하도록 설계 하였다. 또한, 무선시스템의 계측에서 제어까지 각 단계의 과정을 중앙통제시스템에서 무선으로 전송받아 전체적인 상황을 관리자가 모니터링 할 수 있도록 하였다. 그리고 필요에 따라 관리자의 통제나 참여가 필요한 경우 시스템에 쉽게 접근 할 수 있도록 사용자 환경을 구성하였다. 이와 같이 개발된 통합무선제어시스템의 기본성능을 검증하기 위하여 신호입출력 실험을 먼저 수행하였다. 이때 기본 성능 검증은 유선시스템을 활용하여 상호결과를 비교 검증 하였다. 신호입출력 실험의 결과를 바탕으로 통합무선제어시스템의 실시간 진동제어 성능을 평가하기 위하여 모형 사장교를 이용한 진동제어 실험을 실시하였다. 진동제어 실험은 4가지 조건하에서 진행하였으며, 그에 따른 그래프 및 정량적 결과를 비교 평가 하였다. 이상의 결과, 개발한 통합무선제어시스템은 유선시스템과 동일한 기본 성능을 보여 주었으며, 효과적으로 구조물의 진동을 제어할 수 있음이 증명 되었다.
Stonecutters Bridge of Hong Kong is a cable-stayed bridge with two single-column pylons each 298 m high and an aerodynamic twin deck. The total length of the bridge is 1596 m with a main span of 1018 m. The top 118 m of the tower will comprise structural steel and concrete composite while the bottom part will be of reinforced concrete. The bridge deck at the central span will be of steel whilst the side spans will be of concrete. Stonecutters Bridge has adopted a twin-girder deck design with a wide clear separation of 14.3 m between the two longitudinal girders. Although a number of studies have been conducted to investigate the aerodynamic performance of twin-girder deck, the actual real life application of this type of deck is extremely limited. This therefore triggered the need for conducting the present studies, the main objective of which is to investigate the performance of Stonecutters Bridge against flutter at its in-service stage as well as during construction. Based on the flutter derivatives obtained from the 1:80 scale rigid section model experiment, flutter analysis was carried out using 3-D finite element based single parameter searching method developed by the second author of this paper. A total of 6 finite element models of the bridge covering the in-service stage as well as 5 construction stages were established. The dynamic characteristics of the bridge associated with these stages were computed and applied in the analyses. Apart from the critical wind speeds for the onset of flutter, the dominant modes of vibration participating in the flutter vibration were also identified. The results indicate that the bridge will be stable against flutter at its in-service stage as well as during construction at wind speeds much higher than the verification wind speed of 95 m/s (1-minute mean).
본 논문에서는 온실 구조물의 구조 성능 검토 시 적합한 모델링 방법을 제시하기 위해 대상 온실 구조물을 선정하고 지점 및 접합부 조건 그리고 케이블 요소의 단면적을 변화시켜 가며 파라메트릭 스터디를 수행하였으며, 이들 파라메터의 변화에 따른 대상 구조물의 주요 모드 형상 및 고유진동수 변화를 조사하였다. 또한 대상 구조물에 대해 현장 가속도계 측정법을 이용하여 상시진동을 계측하여 주요 모드 형상 및 고유진동수를 측정하여 해석 결과와 비교하였다. 이들 비교 결과로부터 대상 온실 구조물의 해석에 적합한 모델링 기법을 제시하였다.
광섬유 케이블 포설 후 전송특성 변화에 가장 민감한 부분인 광섬유 심선 접속부의 환경변화에 따른 전송 손실의 변화를 측정하기 위하여 구부림, 온도변화, 물 침투 후의 온도변화와 진동시험 을 수행하였다. 실험결과, 구부림 시험에서는 구부림 반경이 30mm 이하에서 손실이 급격하게 증가함을 확인하였으며 $-30^{\circ}C$에서 $60^{\circ}C$범위의 온도변화에 대하여 최대 0.02dB의 손실 변화가 발생함을 확인하였다. 그러나 물이 침투한 상태에서는 훨씬 민감한 손실변화 특성을 보였으며 $-40^{\circ}C$에서 $80^{\circ}C$ 사이의 온도변화에 대하여 최대 0.2dB까지 광섬유 접속부의 손실이 증가함을 확인하였다. 또한 1mm 정도의 미세한 진동에 대해서는 광 손실의 증가가 거의 발생하지 않았다. 본 논문의 실험결과는 향후 환경변화에 따른 광섬유 접속부 손실의 변화를 제거하기 위한 광 케이블 접속함 설계에 참고자료로 사용될 수 있을 것이다.
노후 교량의 안전성을 평가하는 방법에 있어서 동특성과 처짐은 구조계의 강성과 직접 연관이 있으며, 처짐의 경우에는 교량 사용자가 직접 감지할 수 있는 물리량으로 가장 중요한 인자이다. 하지만 교량의 처짐을 측정하기 위해서는 교량의 하부에 처짐계를 설치하고 교통 차단 및 재하시험을 실시해야 하는 번거로움이 있어 교량의 환경에 따라서 비용이 증가하거나 측정이 불가능한 문제들이 발생하고 있다. 본 연구에서는 처짐계의 설치 없이 가속도계만을 이용하고 재하시험 없이 상시 진동을 이용하여 교량의 처짐을 측정하는 방법을 제안하였다. 상시 진동을 이용한 교량 동특성 및 처짐 분석을 위해 단순한 연산으로 빠른 분석이 가능하다고 알려진 TDD 기법을 이용하여 교량의 모드형상과 고유진동수를 추출하였으며, 유연도 분석을 통하여 교량의 단위하중 처짐을 분석하여 정적 처짐까지 산정하였다. 본 제안 기술의 검증을 위해 공용중 교량인 C대교(사장교)에 적용하여 모드형상, 고유진동수, 정적 처짐 분석을 수행하였으며 재하시험 실측값과 구조해석 자료와 비교하였다. 그 결과 모드형상 및 고유진동수는 0.42~1.13 %, 중앙경간에서의 최대 처짐은 3.58 %의 오차율을 확인하였다. 따라서 제안기술은 처짐계의 설치가 어려워 실측이 불가능한 교량의 처짐을 추정하여 설계값 및 해석값 대비 처짐 발생량 비교로 교량의 안전성을 간접적으로 파악할 수 있는 근거 자료로 활용 가능할 것으로 사료된다.
Guyed masts subjected to turbulent winds exhibit complex vibrations featuring many vibration modes, each of which contributes to various structural responses in differing degrees. This dynamic behaviour is further complicated by nonlinear guy cable properties. While previous studies have indicated that conventional frequency domain methods can reliably reproduce load effects within the mast, the system linearization required to perform such an analysis makes it difficult to relate these results directly to corresponding guy forces. As a result, the estimation of peak load effects arising jointly from the structural action of the mast and guys, such as leg loads produced as a result of guy reactions and mast bending moments, is uncertain. A numerical study was therefore undertaken to study peak load effects in a 295 m tall guyed mast acted on by simulated turbulent wind. Responses calculated explicitly from nonlinear time domain finite element analyses were compared with approximate methods in the frequency domain for estimating peak values of selected responses, including guy tension, mast axial loads and mast leg loads. It was found that these peak dynamic load effects could be accurately estimated from frequency domain analysis results by employing simple, slightly conservative assumptions regarding the correlation of related effects.
In this paper, we investigated ionic impurities and physical properties by change of carbon black content, which is asemiconductive material for underground power transmission. Specimens were made into sheet form with three existing resins and nine specimens for measurement. The ionic impurities of the specimens were measured using anICP-AES (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer), and the density of specimens was measured by a density meter. Specific heat (Cp) was then measured using aDSC (Differential Scanning Calorimetry). The ranges of measurement temperature were from 0[$^{\circ}C$] to 200[$^{\circ}C$], and heating temperature was 4[$^{\circ}C$/min]. Ionic impurities were measured to be high according to increases in the content of carbon black from this experimental result and density was also increased according to these properties. In particular, the impurity content values of A1 and A2, and existing resins, were measured at more than 4000[ppm]. Specific heat from the DSC results was lowered according to augmentation in the content of carbon black. The ionic impurities of carbon black containing Fe, Co, Mn, Al and Zn are forms of rapidly passed kinetic energy that increase the number of times breaking occurs during unit time with the near particles according to an increase in the vibration of particles by the applied heat energy.
Mostly used sensors have wired powering and two-way cable systems. It is difficult to employ wired sensor network in ubiquitous era because of a number of sensors and cables. Therefore, sensor networks move from wired systems to wireless systems for the future. However, the power source is a critical obstacle for wireless sensornodes. This research represents the new power source which supplies energy sensor node, maintains over 10 years, and thus replaces batteries with limit of lifetime. The system with piezo materials scavenges extra energies such as vibration and acceleration from the environment. Then it converts the scavenged mechanical energy to electrical energy for powering a sensor, a controller and a circuit for regulating voltage and transmitting sensor value. This study explains the properties of piezo material through theoretical analysis and experiments, and demonstrates powering sensor and transmitting data with stored energy (35mJ) for 14 sec. The developed system provides a solution to overcome the critical problem of making up wireless sensor networks.
Vortex-induced oscillation is a type of aeroelastic phenomenon, to which extended structures such as long-span bridges are most susceptible. The vortex-induced vibration (VIV) behaviors of a concerned bridge were investigated conventionally in virtue of wind tunnel tests on string-mounted sectional models. This necessitates the building of a linkage between the response of the sectional model and that of the prototype structure. Although many released literatures have related to this issue and provided suggestions, there is a lack of consistency among them. In this study, some theoretical models describing the vortex-induced structural motion, including the linear empirical model, the nonlinear empirical model and the modified (or generalized) nonlinear empirical model, are firstly reviewed. Then, the concept of equivalent mass density is introduced based on the principle that an equal input of energy should result in identical structural amplitudes. Based on these, the theoretical linkages between the amplitude of a section model and that corresponding to the prototype bridge are discussed with different analytical models. Theoretical derivation indicates that such connections are dependent mainly on two factors, one is the presupposed shape of deformation, and the other is the theoretical VIV model employed. The theoretical analysis in this study shows that, in comparison to the nonlinear empirical models, the linear one can result in obvious larger estimations of the full bridges' responses, especially in cases of cable-stayed bridges.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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