In this study, an output-only modal identification approach is proposed for decentralized wireless sensor nodes used for linear structural systems. The following approaches are implemented to achieve the objective. Firstly, an output-only modal identification method is selected for decentralized wireless sensor networks. Secondly, the effect of time-unsynchronization is assessed with respect to the accuracy of modal identification analysis. Time-unsynchronized signals are analytically examined to quantify uncertainties and their corresponding errors in modal identification results. Thirdly, a modified approach using complex mode shapes is proposed to reduce the unsynchronization-induced errors in modal identification. In the new way, complex mode shapes are extracted from unsynchronized signals to deal both with modal amplitudes and with phase angles. Finally, the feasibility of the proposed approach is evaluated from numerical and experimental tests by comparing with the performance of existing approach using real mode shapes.
This paper reviewed a few output-only system identification algorithms and identified the shortcomings of those popular blind source separation methods. To address the issues such as less sensors than the targeted modal modes (under-determinate problem), repeated natural frequencies as well as systems with complex mode shapes, this paper proposed a complex wavelet modified second order blind identification method (CWMSOBI) by transforming the time domain problem into time-frequency domain. The wavelet coefficients with different dominant frequencies can be used to address the under-determinate problem, while complex mode shapes are addressed by introducing the complex wavelet transformation. Numerical simulations with both high and low signal-to-noise ratios validate that CWMSOBI can overcome the above-mentioned issues while obtaining more accurate identified results than other blind identification methods.
The study suggests a method to analyze the vibration of the multi-stepped beam having the different circular cross-sections. The rotatory inertia, the shear deformation and the torque applied at both ends of the beam are considered in the governing equation. The complex displacement and the variable separation are introduced to derive the solution of the equation of each uniform beam element having constant cross-section. Then boundary conditions are applied to solve the total system. This method uses the mathematically exact solutions unlike numerical method such as the finite element method in solving the problem having the simultaneous differential equations of Timoshenko beam theory. the natural frequencies and the corresponding mode shapes are precise, especially the mode shapes are continuous.
Natural vibration of the rotor system having multi-step cross-sections is analyzed. The rotary inertia and the shear deformation are considered. Torque is also included in order to simulate the power transmission system. The complex displacement and the variable separation are introduced. The exact solutions in uniform cross-section segment and the boundary conditions are used. Natural frequencies and mode shapes are obtained, especially the mode shapes are countinuous.
Recently, an indirect displacement estimation method using data fusion of acceleration and strain (i.e., acceleration-strain-based method) has been developed. Though the method showed good performance on beam-like structures, it has inherent limitation in applying to more general types of bridges that may have complex shapes, because it uses assumed analytical (sinusoidal) mode shapes to map the measured strain into displacement. This paper proposes an improved displacement estimation method that can be applied to more general types of bridges by building the mapping using the finite element model of the structure rather than using the assumed sinusoidal mode shapes. The performance of the proposed method is evaluated by numerical simulations on a deck arch bridge model and a three-span truss bridge model whose mode shapes are difficult to express as analytical functions. The displacements are estimated by acceleration-based method, strain-based method, acceleration-strain-based method, and the improved method. Then the results are compared with the exact displacement. An experimental validation is also carried out on a prestressed concrete girder bridge. The proposed method is found to provide the best estimate for dynamic displacements in the comparison, showing good agreement with the measurements as well.
The modified power method has been studied by many researchers to calculate the higher eigenmodes and accelerate the convergence of the fundamental mode. Its application to multidimensional problems may be unstable due to degenerated or near-degenerated eigenmodes. Complex eigenmode solutions are occasionally encountered in such cases, and the shapes of the corresponding eigenvectors may change during the simulation. These issues must be addressed for the successful implementation of the modified power method. Complex components are examined and an approximation method to eliminate the usage of the complex numbers is provided. A technique to fix the eigenvector shapes is also provided. The performance of the methods for dealing with those aforementioned problems is demonstrated with two dimensional one group and three dimensional one group homogeneous diffusion problems.
Estimating cable tension is important in the maintenance of cable structures, such as cable-stayed bridges. In practice, the higher-order vibration method based on natural frequencies is used. In recent years, dampers have been installed onto cables to suppress aerodynamic vibration. Because the higher-order vibration method is suitable to cables without a damper, the damper must be removed before using this method. Because damper removal is time-consuming and labor-intensive, a previous study proposed a tension estimation method for a cable with a damper based on the natural frequencies, which does not require the damper's removal. However, the previous method relies on the modeling accuracy of the damper's complex stiffness. The damper design formula, while intended for design purposes, does not consistently reflect the damper's actual complex stiffness. Therefore, the estimation accuracy deteriorates when the damper's actual complex stiffness deviates from the damper design formula. With this background, this paper introduces a novel tension estimation method based on mode shapes, which circumvents damper modeling errors since mode shapes are independent of the damper's complex stiffness. In the numerical verification using 90 models, the proposed method estimated tension accurately with an estimation error within 0.59%. In the experimental verification, the proposed method estimated tension accurately with an estimation error within 4.17% except for one case, while the previous method had an estimation error of 44% when the damper design formula was used. The proposed method was found to be superior to the previous method in terms of accuracy and practicality by numerical simulation and experiment.
In view of the importance of the wind-structure interaction for tall and slender structures, an aeroelastic model test of the 610m-high TV tower with a complex and unique structural configuration and appearance carried out successfully. The assembled aeroelastic model of the TV tower with complex shape and structure was designed and made to ensure the similarities of the major natural frequencies and the corresponding mode shapes. The simulation of the atmospheric boundary layer with higher turbulent intensity is presented. Since the displacement and acceleration responses at several measurement sections were directly measured in the wind tunnel test, a multi-mode approach was presented to indirectly estimate the displacement and acceleration responses at arbitrary structural floors based on the measured ones. It can be seen that it is remarkable for the displacement and acceleration responses of the TV tower in the two horizontal directions under wind loads and is small for the dynamic response of the torsional displacement and acceleration.
Bhagwat, Madhav;Sasmal, Saptarshi;Novak, B.;Upadhyay, A.
Earthquakes and Structures
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제2권4호
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pp.337-356
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2011
In this paper, cable-stayed bridges with single pylon and two equal side spans, with variations in geometry and span ranging from 120 m to 240 m have been studied. 3D models of the bridges considered in this study have been analysed using ANSYS. As the first step towards a detailed seismic analysis, free vibration response of different geometries is studied for their mode shapes and frequencies. Typical pattern of free vibration responses in different frequencies with change in geometry is observed. Further, three different seismic loading histories are chosen with various characteristics to find the structural response of different geometries under seismic loading. Effect of variation in pylon shape, cable arrangement with variation in span is found to have typical characteristics with different structural response under seismic loading. From the study, it is observed that the structural response is very much dependent on the geometry of the cable-stayed bridge and the characteristics of the seismic loading as well. Further, structural responses obtained from the study would help the design engineers to take decisions on geometric shapes of the bridges to be constructed in seismic prone zones.
Byunyoung Chung ;Jonghwan Kim ;Daesic Jang;Sunjin Kim;Youngchul Choi
Nuclear Engineering and Technology
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제55권3호
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pp.947-957
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2023
Curved cylindrical structures such as elbows have a non-uniform thickness distribution due to their fabrication process, and as a result have a number of complex mode shapes, including circumferential and axial nodal patterns. In nuclear power plants, material degradation is induced in pipes by flow accelerated erosion and corrosion, causing the wall thickness of carbon steel elbows to gradually thin. The corresponding frequencies of each mode shape vary according to the wall thinning state. Therefore, the thinning state can be estimated by monitoring the varying modal characteristics of the elbow. This study investigated the varying modal characteristics of artificially thinned carbon steel elbows for each thinning state using numerical simulation and experimental methods (MRIT, Multiple Reference Impact Test). The natural frequencies of specified mode shapes were extracted, and results confirmed they linearly decreased with increasing thinning. In addition, by comparing single FRF (Frequency Response Function) data with the results of MRIT, a concise and cost effective thinning estimation method was suggested.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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