A new sensor system is proposed for measuring damage indexes. The damage index is a physical value that is well correlated to a critical damage in a device or a structure. The mechanism proposed here utilizes elastic buckling of a thin wire and does not require any external power supply for memorizing the index. The mechanisms to detect peak strain, peak displacement, peak acceleration and cumulative deformation as examples of damage indexes are presented. Furthermore, passive and active wireless data retrieval mechanisms using electromagnetic induction are proposed. The passive wireless system is achieved by forming a closed LC circuit to oscillate at its natural frequency. The active wireless sensor can transmit the data much further than the passive system at the sacrifice of slightly complicated electric circuit for the sensor. For wireless data retrieval, no wire is needed for the sensor to supply electrical power. For the active system, electrical power is supplied to the sensor by radio waves emitted from the retrieval system. Thus, external power supply is only needed for the retrieval system when the retrieval becomes necessary. Theoretical and experimental studies to show excellent performance of the proposed sensor are presented. Finally, a prototype damage index sensor installed into a 7 storey base-isolated building is explained.
Based on the experiment results, the damage and fracture behavior of concrete at the ages of 1d, 2d, 7d and 28d, in three-point bending and uniaxial tensile tests, were simulated with a finite element program, ABAQUS. The critical stress intensity factor $K_{IC}^s$ and the critical crack tip opening displacement ($CTOD_C$) of concrete were calculated with effective-elastic crack approach for the three-point bending test of grade C30 concrete. Based on the crack band model, a bilinear strain-softening curve was derived to simulate the LOAD-CMOD curves and LOAD-Displacement curves. In numerical analysis of the uniaxial tension test of concrete of grade C40, the damage and fracture mechanics were combined. The smeared cracking model coupling with damaged variable was adopted to evaluate the onset and development of microcracking of uniaxial tensile specimen. The uniaxial tension test was simulated by invoking the damage plastic model which took both damage and plasticity as inner variables with user subroutines. All the numerical simulated results show good agreement with the experimental results.
This paper attempts to develop the analytical model of estimating the fatigue damage using a linear elastic fracture mechanics method. The stress history on a welding member, when a truck passed over a bridge, was defined as a block loading and the crack closure theory was used. These theories explain the influence of a load on a structure. This study undertook an analysis of the stress range frequency considering both dead load stress and crack opening stress. A probability method applied to stress range frequency distribution and the probability distribution parameters of it was obtained by Maximum likelihood Method and Determinant. Monte Carlo Simulation which generates a probability variants (stress range) output failure block loadings. The probability distribution of failure block loadings was acquired by Maximum likelihood Method and Determinant. This can calculate the fatigue reliability preventing the fatigue failure of a welding member. The failure block loading divided by the average daily truck traffic is a predictive remaining life by a day. Fatigue reliability analysis was carried out for the welding member of the bottom flange of a cross beam and the vertical stiffener of a steel box bridge by the proposed model. Results showed that the primary factor effecting failure time was crack opening stress. It was important to decide the crack opening stress for using the proposed model. Also according to the 50% reliability and 90%, 99.9% failure times were indicated.
Rabiepour, Mohammad;Zhou, Cong;Chase, James G.;Rodgers, Geoffrey W.;Xu, Chao
Structural Engineering and Mechanics
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v.82
no.2
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pp.245-258
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2022
Many Structural Health Monitoring (SHM) methods have been proposed for structural damage diagnosis and prognosis. However, SHM for pinched hysteretic structures can be problematic due to the high level of nonlinearity. The model-free hysteresis loop analysis (HLA) has displayed notable robustness and accuracy in identifying damage for full-scaled and scaled test buildings. In this paper, the performance of HLA is compared with seven other SHM methods in identifying lateral elastic stiffness for a six-story numerical building with highly nonlinear pinching behavior. Two successive earthquakes are employed to compare the accuracy and consistency of methods within and between events. Robustness is assessed across sampling rates 50-1000 Hz in noise-free condition and then assessed with 10% root mean square (RMS) noise added to responses at 250 Hz sampling rate. Results confirm HLA is the most robust method to sampling rate and noise. HLA preserves high accuracy even when the sampling rate drops to 50 Hz, where the performance of other methods deteriorates considerably. In noisy conditions, the maximum absolute estimation error is less than 4% for HLA. The overall results show HLA has high robustness and accuracy for an extremely nonlinear, but realistic case compared to a range of leading and recent model-based and model-free methods.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.43
no.4
s.148
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pp.494-503
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2006
Inherent damage zone model is presented to explain the fatigue properties near the fatigue limit and the crack growth threshold consistently Inherent damage zone model assumes that the stress at a point which is located at a small distance, $r_0$, an inherent length of the material that represents the size of effective damage zone, from the crack initiation position governs the fatigue characteristics regardless of the geometric configuration of the specimen; smooth specimen, notched specimen or cracked specimens with short and long crack length. A special feature of the paper is using the exact stress distributions of notched and cracked specimens at the strength evaluations. Analytical elastic solutions by Neuber and Westergaard are employed for this purpose Relationship between fatigue limit of smooth specimen and threshold stress of cracked specimen, occurrence condition of non-propagating crack at the root of elliptic notch and circular hole and relationship between stress concentration factor and fatigue notch factor are discussed quantitatively based on the proposed model.
The use of fiber reinforced polymer (FRP) reinforcement in concrete structures has been on the rise due to its advantages over conventional steel reinforcement such as corrosion. Reinforcing steel corrosion has been the primary cause of deterioration of reinforced concrete (RC) structures, resulting in tremendous annual repair costs. One application of FRP reinforcement to be further explored is its use in RC frames. Nonetheless, due to FRP's inherently elastic behavior, FRP-reinforced (FRP-RC) members exhibit low ductility and energy dissipation as well as different damage mechanisms. Furthermore, current design standards for FRP-RC structures do not address seismic design in which the beam-column joint is a key issue. During an earthquake, the safety of beam-column joints is essential to the whole structure integrity. Thus, research is needed to gain better understanding of the behavior of FRP-RC structures and their damage mechanisms under seismic loading. In this study, two full-scale beam-column joint specimens reinforced with steel and GFRP configurations were tested under quasi-static loading. The control steel-reinforced specimen was detailed according to current design code provisions. The GFRP-RC specimen was detailed in a similar scheme. The damage in the two specimens is characterized to compare their performance under simulated seismic loading.
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.
This study is aimed at providing an efficient analytical model to obtain pressure- impulse diagram of one-way reinforced concrete slabs subjected to different shapes of air blast loading using single degree of freedom method (SDOF). A tri-linear elastic perfectly plastic SDOF model has been used to obtain the pressure-impulse diagram to correlate the blast pressure and the corresponding concrete flexural damage. In order to capture the response history for the slab, a new approximately SDOF method based on the conventional SDOF method is proposed and validated using published test data. The influences of pulse loading shape on the pressure-impulse diagram are studied. Based on the results, a pressure-impulse diagram generation method using SDOF and an analytical equation for the pressure-impulse diagram is proposed to different damage levels and different blast loading shapes.
The damage or failure of coal rock is accompanied by energy accumulation, dissipation and release. It is crucial to study the energy evolution characteristics of coal rock for rock mechanics and mining engineering applications. In this paper, coal specimens sourced from the Xinhe mine located in the Jining mining area of China were initially subjected to uniaxial compression, and the micro-parameters of the two-dimensional particle flow code (PFC2D) model were calibrated according to the experimental test results. Then, the PFC2D model was used to subject the specimens to substantial uniaxial compression, and the energy evolution laws of coal specimens with various schemes were presented. Finally, the elastic energy storage ratio m was investigated for coal rock, which described the energy conversion in coal specimens with various arrangements of preformed holes. The arrangement of the preformed holes significantly influenced the characteristics of the crack initiation stress and energy in the prepeak stage, whereas the characteristics of the cumulative crack number, failure pattern and elastic strain energy during the loading process were similar. Additionally, the arrangement of the preformed holes altered the proportion of elastic strain energy Ue in the total energy in the prepeak stage, and the probability of rock bursts can be qualitatively predicted.
In the present paper a mechanical model to predict the compressive response of high strength short concrete columns with square cross-section confined by transverse steel is presented. The model allows one to estimate the equivalent confinement pressures exercised by transverse steel during the loading process taking into account of the interaction of the stirrups with the inner core both in the plane of the stirrups and in the space between two successive stirrups. The lateral pressure distributions at hoop levels are obtained by using a simple model of elastic beam on elastic medium simulating the interaction between stirrups and concrete core, including yielding of steel stirrups and damage of concrete core by means of the variation in the elastic modulus and in the Poisson's coefficient. Complete stress-strain curves in compression of confined concrete core are obtained considering the variation of the axial forces in the leg of the stirrup during the loading process. The model was compared with some others presented in the literature and it was validated on the basis of the existing experimental data. Finally, it was shown that the model allows one to include the main parameters governing the confinement problems of high strength concrete members such as: - the strength of plain concrete and its brittleness; - the diameter, the pitch and the yielding stress of the stirrups; - the diameter and the yielding stress of longitudinal bars; - the side of the member, etc.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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