A good understanding of normal modal variability of civil structures due to varying environmental conditions such as temperature and wind is important for reliable performance of vibration-based damage detection methods. This paper addresses the quantification of wind-induced modal variability of a cable-stayed bridge making use of one-year monitoring data. In order to discriminate the wind-induced modal variability from the temperature-induced modal variability, the one-year monitoring data are divided into two sets: the first set includes the data obtained under weak wind conditions (hourly-average wind speed less than 2 m/s) during all four seasons, and the second set includes the data obtained under both weak and strong (typhoon) wind conditions during the summer only. The measured modal frequencies and temperatures of the bridge obtained from the first set of data are used to formulate temperature-frequency correlation models by means of artificial neural network technique. Before the second set of data is utilized to quantify the wind-induced modal variability, the effect of temperature on the measured modal frequencies is first eliminated by normalizing these modal frequencies to a reference temperature with the use of the temperature-frequency correlation models. Then the wind-induced modal variability is quantitatively evaluated by correlating the normalized modal frequencies for each mode with the wind speed measurement data. It is revealed that in contrast to the dependence of modal frequencies on temperature, there is no explicit correlation between the modal frequencies and wind intensity. For most of the measured modes, the modal frequencies exhibit a slightly increasing trend with the increase of wind speed in statistical sense. The relative variation of the modal frequencies arising from wind effect (with the maximum hourly-average wind speed up to 17.6 m/s) is estimated to range from 1.61% to 7.87% for the measured 8 modes of the bridge, being notably less than the modal variability caused by temperature effect.
This paper explores the possibility of using a combination of the empirical mode decomposition (EMD) and the Hilbert transform (HT), termed the Hilbert-Huang transform (HHT) method, to identify the modal damping ratios of the structure with closely spaced modal frequencies. The principle of the HHT method and the procedure of using the HHT method for modal damping ratio identification are briefly introduced first. The dynamic response of a two-degrees-of-freedom (2DOF) system under an impact load is then computed for a wide range of dynamic properties from well-separated modal frequencies to very closely spaced modal frequencies. The natural frequencies and modal damping ratios identified by the HHT method are compared with the theoretical values and those identified using the fast Fourier transform (FFT) method. The results show that the HHT method is superior to the FFT method in the identification of modal damping ratios of the structure with closely spaced modes of vibration. Finally, a 36-storey shear building with a 4-storey light appendage, having closely spaced modal frequencies and subjected to an ambient ground motion, is analyzed. The modal damping ratios identified by the HHT method in conjunction with the random decrement technique (RDT) are much better than those obtained by the FFT method. The HHT method performing in the frequency-time domain seems to be a promising tool for system identification of civil engineering structures.
In this paper, the three-dimensional finite element model is established to investigate the structural dynamic characteristics of rotor blade using a finite element analysis. Six natural frequencies and mode shapes are calculated by computer simulation. The first three flapping modal frequencies, the first two lead-lag modal frequencies, and the first feathering modal frequency are validated through comparison with the modal test results of the fixed rotor blade. The computer simulation results are found in good agreement with experimentally measured natural frequencies. The important results are obtained as follows: (1) Natural frequencies are changed due to the variation of rotational speed and fiber angle of rotor blade, (2) Weak coupling between flapping mode shape and lead-lag mode shape are detected, (3) Centrifugal force has more effect on flapping modal frequency than lead-lag modal frequency.
In the field of dynamic measurement and structural damage identification, it is generally known that modal frequencies may be measured with higher accuracy than mode shapes. However, the number of natural frequencies within a measurable range is limited. Accessing additional forms of modal frequencies is thus desirable. The present study is concerned about the extraction of artificial boundary condition (ABC) frequencies from modal testing. The ABC frequencies correspond to the natural frequencies of the structure with a perturbed boundary condition, but they can be extracted from processing the frequency response functions (FRF) measured in a specific configuration from the structure in its existing state without the need of actually altering the physical support condition. This paper presents a comprehensive experimental investigation into the measurability of the ABC frequencies from physical experiments. It covers the testing procedure through modal testing, the data processing and data analysis requirements, and the FRF matrix operations leading to the extraction of the ABC frequencies. Specific sources of measurement errors and their effects on the accuracy of the extracted ABC frequencies are scrutinised. The extracted ABC frequencies are subsequently applied in the damage identification in beams by means of finite element model updating. Results demonstrate that it is possible to extract the first few ABC frequencies from the modal testing for a variety of artificial boundary conditions incorporating one or two virtual pin supports, and the inclusion of ABC frequencies enables the identification of structural damages without the need to involve the mode shape information.
A precise fit of the implant prosthesis is one of the most important factors in preventing mechanical complications. To analyze the degree of the misfit of implant prosthesis, a modal testing experiment was accomplished. And. to interpret the modal testing analysis mathematically, three-dimensional finite element models were established. In the experimental modal testing analysis, with a laser displacement meter, FFT analyzer, impact hammer, etc., natural frequencies of the models with various degree of prosthesis fit were determined after the frequency response function were calculated. In the finite element analysis, the natural frequencies and mode shapes of the models which simulated those of experimental modal testing were computed. The results were as follows: 1. Natural frequencies of the prosthesis-abutment were related to the contact state between components. 2. In the modal testing experiment, the natural frequencies increased from $50{\mu}m$ to $200{\mu}m$ gap and reached a plateau. 3. In the finite element analysis, the natural frequencies decreased gradually according to the in crease of the gap size. 4. In the finite element analysis, the mode shapes of model 1 with misfitting prosthesis showed different patterns from those without misfitting prosthesis. 5. The devices including a laser displacement meter used in this study were useful for measuring the natural frequencies of an implant prosthesis which had various degrees of fit.
In this paper, the structural health monitoring (SHM) benchmark problem of the Canton tower is studied. Based on the field monitoring data from the 20 accelerometers deployed on the tower, some modal frequencies and mode shapes at measured degrees of freedom of the tower are identified. Then, these identified incomplete modal data are used to update the reduced finite element (FE) model of the tower by a novel algorithm. The proposed algorithm avoids the problem of subjective selection of updated parameters and directly updates model stiffness matrix without model reduction or modal expansion approach. Only the eigenvalues and eigenvectors of the normal finite element models corresponding to the measured modes are needed in the computation procedures. The updated model not only possesses the measured modal frequencies and mode shapes but also preserves the modal frequencies and modes shapes in their normal values for the unobserved modes. Updating results including the natural frequencies and mode shapes are compared with the experimental ones to evaluate the proposed algorithm. Also, dynamic responses estimated from the updated FE model using remote senor locations are compared with the measurement ones to validate the convergence of the updated model.
The modal parameters of the deck of Runyang Suspension Bridge (RSB) as well as their relationships with wind and temperature are studied based on the data recorded by its Structural Health Monitoring System (SHMS). Firstly, frequency analysis on the vertical responses at the two sides of the deck is carried out to distinguish the vertical and torsional vibration modes. Then, the vertical, torsional and lateral modal parameters of the deck of RSB are identified using Hilbert-Huang Transform (HHT) and validated by the identified results before RSB was opened to traffic. On the basis of this, the modal frequencies and damping ratios of RSB during the whole process of Typhoon Masta are obtained. And the correlation analysis on the modal parameters and wind environmental factors is then conducted. Results show that the HHT can achieve an accurate modal identification of RSB and the damping ratios show an obvious decay trend as the frequencies increase. Besides, compared to frequencies, the damping ratios are more sensitive to the environmental factors, in particular, the wind speed. Further study on configuring the variation law of modal parameters related with environmental factors should be continued.
It is important to make a mechanical structure precisely and reasonably in predicting the dynamic characteristics, controlling the vibration, and designing the structure dynamics. In finite element analysis model updating is appropriate as the design parameter is used to analyze the dynamic system. The errors can be contained from the physical parameters and the element modeling. From the dynamic test, more precise dynamic characteristics can be obtained. In this paper, model updating algorithm is developed using frequency difference between experiment and calculation. Modal frequencies are obtained by experiment and finite element analysis for beams with various cross section and shapes which have added masses and holes in the middle. For plates with and without groove, experiment and analyses are carried out by applying free boundary conditions as well. Mass and stiffness matrices are updated by comparing test and analytical modal frequencies. The result shows that the updated frequencies become closer to the test frequencies in case that both matrices are updated. An improved analytical model is obtained by changing model parameters such that the discrepancy between test and finite element frequencies is minimized. For beam and plate models updating of mass and stiffness matrices can improve the dynamical behavior of the model by acting on the physical parameters such as masses and stiffness.
Damage detection in structures using the change of modal parameters (modal shapes and natural frequencies) has achieved satisfactory results. However, as modal shapes and natural frequencies alone may not provide enough information to accurately detect damages. Therefore, a hybrid singular value decomposition and deep belief network approach is developed to effectively identify damages in aluminum plate structures. Firstly, damage locations are determined using singular value decomposition (SVD) to reveal the singularities of measured displacement modal shapes. Secondly, using experimental modal analysis (EMA) to measure the natural frequencies of damaged aluminum plates as inputs, deep belief network (DBN) is employed to search damage severities from the damage evaluation database, which are calculated using finite element method (FEM). Both simulations and experimental investigations are performed to evaluate the performance of the presented hybrid method. Several damage cases in a simply supported aluminum plate show that the presented method is effective to identify multiple damages in aluminum plates with reasonable precision.
The paper presents modal testing and analysis in order to obtain the dynamic characteristics of a middle spacer grids of a nuclear fuel rod. A spacer grid is one of the important structural elements supporting nuclear fuel rods. Such a fuel rod can be oscillated by its thermal expansion, neutron irradiation and etc. due to cooling water flow under the operation of a nuclear power plant. When the fuel rod vibrates, fretting wear due to repeated friction motion between the fuel rods and spacer grids can be occurred, and so the fuel rod is damaged. In this paper, through modal analysis and testing, natural frequencies and modes of a middle spacer grid were calculated, and the following conclusions were obtained. Firstly the numerical first-seven natural frequencies for spacer grids of a fuel rod having complicated structures have a small difference within 3.8% with experimental natural frequencies, and so the suitability of simulation results was verified. Secondly, experimental mode shapes for a middle spacer grid of a nuclear fuel rod were verified by obtaining lower non-diagonal terms through MAC(Modal Assurance Criteria), and were confirmed by the simulation modes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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