This study investigates the identification of added mass and its location in the glass fiber reinforced polymer (GFRP) beam structures. The main emphasis of this paper is to ascertain the importance of inclusion of rotational degrees of freedom (dofs) in the introduction of added mass or damage identification. Two identification indices that include the rotational dofs have been introduced in this paper: the modal force index (MFI) and the modal rotational curvature index (MRCI). The MFI amplifies damage signature using undamaged numerical stiffness matrix which is related to changes in the altered mode shapes from the original mode shapes. The MRCI is obtained by using a higher derivative of rotational mode shapes. Experimental and numerical results are compared with the existing methods leading to a conclusion that the contributions of the rotational modes play a key role in the identification of added mass. The authors believe that the similar results are likely in the case of damage identification also.
In order to investigate the accuracy and applicability of steel equivalent constitutive model, the calculated results were compared with typical tests of steel frames under static and dynamic loading patterns firstly. Secondly, four widely used models for time history analysis of steel frames were compared to discuss the applicability and efficiency of different methods, including shell element model, multi-scale model, equivalent constitutive model (ECM) and traditional beam element model (especially bilinear model). Four-story steel frame models of above-mentioned finite element methods were established. The structural deformation, failure modes and the computational efficiency of different models were compared. Finally, the equivalent constitutive model was applied in seismic incremental dynamic analysis of a ten-floor steel frame and compared with the cyclic hardening model without considering damage and degradation. Meanwhile, the effects of damage and degradation on the seismic performance of steel frame were discussed in depth. The analysis results showed that: damages would lead to larger deformations. Therefore, when the calculated results of steel structures subjected to rare earthquake without considering damage were close to the collapse limit, the actual story drift of structure might already exceed the limit, leading to a certain security risk. ECM could simulate the damage and degradation behaviors of steel structures more accurately, and improve the calculation accuracy of traditional beam element model with acceptable computational efficiency.
Mechanical behavior of asphalt concrete that accounts for viscoelasticity and damage evolution under cyclic loading conditions is modeled and presented in this paper. An elastic-viscoelastic correspondence principle in terms of pseudo variables is applied to separately evaluate viscoelasticity and time-dependent damage growth in asphalt concrete. A microcrack growth law, which is commonly employed in linear viscoelastic fracture mechanics, is successfully used for describing the damage growth in the body. A constitutive equation in terms of stress and pseudo strain is first established for controlled-strain mode, and then transformed to controlled-stress constitutive equation by simply replacing stress and pseudo strain with pseudo stress and strain. The transformed constitutive equation in terms of pseudo stress satisfactorily predicts the mechanical behavior of asphalt concrete all the way up to failure under controlled-stress modes.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.27
no.6
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pp.541-549
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2007
This work describes an investigation into the feasibility of using an acoustic emission (AE) technique to evaluate the integrity of a composite actuator with a PZT ceramic under electromechanical cyclic loading. AE characteristics have been analyzed in terms of the behavior of the AE count rate and signal waveform in association with the performance degradation of the composite actuator during the cyclic tests. The results showed that the fatigue cracking of the composite actuator with a PZT ceramic occurred only in the PZT ceramic layer, and that the performance degradation caused by the fatigue damage varied immensely depending on the existence of a protecting composite bottom layer. We confirmed the correlations between the fatigue damage mechanisms and AE signal types for the actuators that exhibited multiple modes of fatigue damage; transgranular micro damage, intergranular fatigue cracking, and breakdown by a short circuiting were related to a burst type signal showing a shortly rising and slowly decaying waveform with a comparably low voltage, a continuous type signal showing a gradual rising and slowly decaying waveform with a very high voltage and a burst and continuous type signal with a high voltage, respectively. Results from the present work showed that the evolution of fatigue damage in the composite actuator with a PZT ceramic can be nondestructively identified via in situ AE monitoring and microscopic observations.
This paper aims to investigate vibration frequency decrease (vibration period elongation) of reinforced concrete (RC) structure with unreinforced infill wall and reinforced infill wall exposed to progressively increased artificial earthquake load on shaking table. For this purpose, two shaking table experiments were selected as a case study. Shaking table experiments were carried on 1:1 scaled prototype one bay one storey RC structure with infill walls. The purpose of this shaking table experiment sequence is to assess local behavior and progressive collapse mechanism. Frequency decrease and eigen-vector evolution are directly related to in-plane and out-of-plane bearing capacities of infill wall enclosure with reinforced concrete frame. Firstly, frequency decrease-damage relationship was evaluated on the base of experiment results. Then, frequency decrease and stiffness degradation were evaluated with applied Peak Ground Acceleration (PGA) by considering strength deterioration. Lastly, eigenvector evolution-local damage and eigenvector evolution-frequency decrease relationship was investigated. Five modes were considered while evaluating damage and frequency decrease of the tested specimens. The relationship between frequency decrease, stiffness degradation and damage level were presented while comparing with Unreinforced Brick Infill (URB) and Reinforced Infill wall with Bed Joint Reinforcement (BJR) on the base of natural vibration frequency.
In the present work, a new global damage index is proposed for the seismic performance and failure analysis of concrete gravity dams. Unlike the existing indices of concrete structures, this index doesn't need scaling with an ultimate or an upper value. For this purpose, the Beni-Haroun dam in north-eastern Algeria, is considered as a case study, for which an average seismic capacity curve is first evaluated by performing several incremental dynamic analyses. The seismic performance point of the dam is then determined using the N2 method, considering multiple modes and taking into account the stiffness degradation. The seismic demand is obtained from the design spectrum of the Algerian seismic regulations. A series of recorded and artificial accelerograms are used as dynamic loads to evaluate the nonlinear responses of the dam. The nonlinear behaviour of the concrete mass is modelled by using continuum damage mechanics, where material damage is represented by a scalar field damage variable. This modelling, which is suitable for cyclic loading, uses only a single damage parameter to describe the stiffness degradation of the concrete. The hydrodynamic and the sediment pressures are included in the analyses. The obtained results show that the proposed damage index faithfully describes the successive brittle failures of the dam which increase with increasing applied ground accelerations. It is found that minor damage can occur for ground accelerations less than 0.3 g, and complete failure can be caused by accelerations greater than 0.45 g.
Shear walls are a typical member under a complex stress state and have complicated mechanical properties and failure modes. The separated-elements model Genetic Evolutionary Structural Optimization (GESO), which is a combination of an elastic-plastic stress method and an optimization method, has been introduced in the literature for designing such members. Although the separated-elements model GESO method is well recognized due to its stability, feasibility, and economy, its adequacy has not been experimentally verified. This paper seeks to validate the adequacy of the separated-elements model GESO method against experimental data and demonstrate its feasibility and advantages over the traditional elastic stress method. Two types of reinforced concrete shear wall specimens, which had the location of an opening in the middle bottom and the center region, respectively, were utilized for this study. For each type, two specimens were designed using the separated-elements model GESO method and elastic stress method, respectively. All specimens were subjected to a constant vertical load and an incremental lateral load until failure. Test results indicated that the ultimate bearing capacity, failure modes, and main crack types of the shear walls designed using the two methods were similar, but the ductility indexes including the stiffness degradation, deformability, reinforcement yielding, and crack development of the specimens designed using the separated-elements model GESO method were superior to those using the elastic stress method. Additionally, the shear walls designed using the separated-elements model GESO method, had a reinforcement layout which could closely resist the actual critical stress, and thus a reduced amount of steel bars were required for such shear walls.
Reinforced concrete (RC) moment frames are used as lateral seismic load resisting systems in mid- and high-rise buildings in different regions of the world. Based on the seismic design provisions and construction details presented in design codes, RC frames with different levels of ductility (ordinary, intermediate, and special) can be designed and constructed. In Iran, there are RC buildings with various uses which have been constructed based on different editions of design codes. The seismic performance of RC structures (particularly moment frames) in real seismic events is of great importance. In this paper, the observations made on damaged RC moment frames after the destructive Sarpol-e Zahab earthquake with a moment magnitude of 7.3 are reported. Different levels of damage from the development of cracks in the structural and non-structural elements to the total collapse of buildings were observed. Furthermore, undesirable failure modes which are not expected in ductile seismic-resistant buildings were frequently observed in the damaged buildings. The RC moment frames built based on the previous editions of the design codes showed partial or total collapse in this seismic event. The extensive destruction of RC moment frames compared with the other structural systems (such as braced steel frames and confined masonry buildings) was attributed not only to the deficiencies in the construction practice of these buildings but also to the design procedure. In addition, the failure and collapse of masonry infills in RC moment frames were frequent modes of failure in this seismic event. In this paper, the main reasons related to design practice which led to extensive damage in the RC moment frames and their collapse are addressed.
The traditional destructive tests in damage detection require high cost, long consuming time, repairing of damaged members, etc. In addition to these, powerful equipments with advanced technology have motivated development of global vibration based damage detection methods. These methods base on observation of the changes in the structural dynamic properties and updating finite element models. The existence, location, severity and effect on the structural behavior of the damages can be identified by using these methods. The main idea in these methods is to minimize the differences between analytical and experimental natural frequencies. In this study, an application of damage detection using model updating method was presented on a one storey reinforced concrete (RC) building model. The model was designed to be 1/2 scale of a real building. The measurements on the model were performed by using ten uni-axial seismic accelerometers which were placed to the floor level. The presented damage identification procedure mainly consists of five steps: initial finite element modeling, testing of the undamaged model, finite element model calibration, testing of the damaged model, and damage detection with model updating. The elasticity modulus was selected as variable parameter for model calibration, while the inertia moment of section was selected for model updating. The first three modes were taken into consideration. The possible damaged members were estimated by considering the change ratio in the inertia moment. It was concluded that the finite element model calibration was required for structures to later evaluations such as damage, fatigue, etc. The presented model updating based procedure was very effective and useful for RC structures in the damage identification.
Early detection of small concrete crack or reinforcement corrosion is necessary for Structural Health Monitoring (SHM). Global vibration based methods are advantageous over local methods because of simple equipment installation and cost efficiency. Among vibration based techniques, FRF based methods are preferred over modal based methods. In this study, a new coupled method using frequency response function (FRF) and proper orthogonal modes (POM) is proposed by using the dynamic characteristic of a damaged beam. For the numerical simulation, wave finite element (WFE), coupled with traditional finite element (FE) method is used for effectively incorporating the damage related information and faster computation. As reported in literature, hybrid combination of wave function based wave finite element method and shape function based finite element method can addresses the mid frequency modelling difficulty as it utilises the advantages of both the methods. It also reduces the dynamic matrix dimension. The algorithms are implemented on a three-dimensional reinforced concrete beam. Damage is modelled and studied for two scenarios, i.e., crack in concrete and rebar corrosion. Single and multiple damage locations with different damage length are also considered. The proposed methodology is found to be very sensitive to both single- and multiple- damage while being computationally efficient at the same time. It is observed that the detection of damage due to corrosion is more challenging than that of concrete crack. The similarity index obtained from the damage parameters shows that it can be a very effective indicator for appropriately indicating initiation of damage in concrete structure in the form of spread corrosion or invisible crack.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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