Steel structures with added viscoelastic dampers are analysed to investigat their behavior under earthquake excitation. The direct integration method, which produces exact solution for the non-proportional or non-classical damping system, is used throughout the analysis. The results from modal strain energy method are also provided for comparison. Then a new analytical a, pp.oach, based on the rigid floor diaphragm assumption and matrix condensation technique, is introduced, and the results are compared with those obtained from direct integration method and modal strain energy method. The well known phenomenon, that the effectiveness of the viscoelastic dampers depends greatly on the location of the dampers, is once again confirmed in the analysis. It is also found that the modal strain energy method generaly underestimates the responses obtained from the direct integration method, especially when the dampers are placed in only a part of the building. The proposed method turns out to be very efficient with considerable saving in computation this and reasonably accurate considering the reduced degrees of freedom.
This study develops a two stage procedure to identify the structural damage based on the optimized artificial neural networks. Initially, the modal strain energy index (MSEI) is established to extract the damaged elements and to reduce the computational time. Then the genetic algorithm (GA) and artificial neural networks (ANNs) are combined to detect the damage severity. The input of the network is modal strain energy index and the output is the flexural stiffness of the beam elements. The principal component analysis (PCA) is utilized to reduce the input variants of the neural network. By using the genetic algorithm to optimize the parameters, the ANNs can significantly improve the accuracy and convergence of the damage identification. The influence of noise on damage identification results is also studied. The simulation and experiment on beam structures shows that the adaptive parameter selection neural network can identify the damage location and severity of beam structures with high accuracy.
Seyed Milad Hosseini;Mohamad Mohamadi Dehcheshmeh;Gholamreza Ghodrati Amiri
Structural Engineering and Mechanics
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제87권6호
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pp.555-574
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2023
An efficient optimization algorithm and damage-sensitive objective function are two main components in optimization-based Finite Element Model Updating (FEMU). A suitable combination of these components can considerably affect damage detection accuracy. In this study, a new hybrid damage-sensitive objective function is proposed based on combining two different objection functions to detect the location and extent of damage in structures. The first one is based on Generalized Pseudo Modal Strain Energy (GPMSE), and the second is based on the element's Generalized Flexibility Matrix (GFM). Four well-known population-based metaheuristic algorithms are used to solve the problem and report the optimal solution as damage detection results. These algorithms consist of Cuckoo Search (CS), Teaching-Learning-Based Optimization (TLBO), Moth Flame Optimization (MFO), and Jaya. Three numerical examples and one experimental study are studied to illustrate the capability of the proposed method. The performance of the considered metaheuristics is also compared with each other to choose the most suitable optimizer in structural damage detection. The numerical examinations on truss and frame structures with considering the effects of measurement noise and availability of only the first few vibrating modes reveal the good performance of the proposed technique in identifying damage locations and their severities. Experimental examinations on a six-story shear building structure tested on a shake table also indicate that this method can be considered as a suitable technique for damage assessment of shear building structures.
An application of the constrained adaptive topology optimization (CATO) algorithm is described for three-dimensional topology optimization of engineering structures. The enhanced assumed strain lower order solid finite element (FE) is used to evaluate the values of objective and constraint functions required in optimization process. The strain energy (SE) terms such as elastic and modal SEs are employed as the objective function to be minimized and the initial volume of structures is introduced as the constraint function. The SIMP model is adopted to facilitate the material redistribution and also to produce clearer and more distinct structural topologies. The linearly weighted objective function is introduced to consider both static and dynamic characteristics of structures. Several numerical tests are tackled and it is used to investigate the performance of the proposed three-dimensional topology optimization process. From numerical results, it is found to be that the CATO algorithm is easy to implement and extremely applicable to produce the reasonable optimum topologies for three dimensional optimization problems.
본 연구에서는 PZT 소자의 정압전 효과에 의한 동적 응답신호를 이용하는 보 구조물 손상 모니터링 기법을 제안하였다. 특히, 모드 변형에너지기반 보 구조물 손상 모니터링에 PZT 정압전 응답신호를 입력자료로 활용하는 방안에 대한 연구에 주안점이 있다. 먼저, PZT 소자의 정압전 효과 및 동적 변형률 응답의 이론적 배경을 요약하였다. 다음으로, 모드 변형에너지기반 보 구조물 손상위치 모니터링 기법을 제시하였다. 제시된 기법의 적합성을 검증하기 위해, 캔틸레버 보 모형을 대상으로 강제진동 실험을 수행하였으며, 세 종류의 센서(가속도계, PZT 센서, 변형률계)를 통해 동적 응답신호가 계측되었다. 손상 전후에 계측된 이들 진동신호들을 사용하여 모드 변형에너지기반의 손상위치 모니터링이 수행되었다.
A damage detection algorithm using vibration modes is applied to the ring structures and the modal behaviors of the slightly asymmetric rings are examined. Mode shape change, MSER(modal strain energy ratio) and MCR(modal curvature ratio) are investigated to identify the locations of faults or damages The above fault detection parameters are calculated and compared by the finite element analysis on rings with designed local damages. Damages are modeled as a reduced stiffness in the analysis The results show that MSER and MCR can be proper parameters to detect local damages in the ring structures.
Theoretical and numerical assessments of approximate evaluations and simplified analyses of piezoelectric structures transverse shear modal effective electromechanical coupling coefficient (EMCC) are presented. Therefore, the latter is first introduced theoretically and its approximate evaluations are reviewed; then, three-dimensional (3D) and simplified two-dimensional (2D) plane-strain (PStrain) and plane-stress (PStress) piezoelectric constitutive behaviors of electroded shear piezoceramic patches are derived and corresponding expected short-circuit (SC) and open-circuit (OC) frequencies and resulting EMCC are discussed; next, using a piezoceramic shear sandwich beam cantilever typical benchmark, a 3D finite element (FE) assessment of different evaluation techniques of the shear modal effective EMCC is conducted, including the equipotential (EP) constraints effect; finally, 2D PStrain and PStress FE modal analyses under SC and OC electric conditions, are conducted and corresponding results (SC/OC frequencies and resulting effective EMCC) are compared to 3D ones. It is found that: (i) physical EP constraints reduce drastically the shear modal effective EMCC; (ii) PStress and PStrain results depend strongly on the filling foam stiffness, rendering inadequate the use of popular equivalent single layer models for the transverse shear-mode sandwich configuration; (iii) in contrary to results of piezoelectric shunted damping and energy harvesting popular single-degree-of-freedom-based models, transverse shear modal effective EMCC values are very small in particular for the first mode which is the common target of these applications.
A frequency domain response analysis is presented for building frames passively controlled by viscoelastic dampers, under harmonic ground excitation. Three different models are used to represent the linear dynamic force-deformation characteristics of viscoelastic dampers namely, Kelvin model, Linear hysteretic model and Maxwell model. The frequency domain solution is obtained by (i) an iterative pseudo-force method, which uses undamped mode shapes and frequencies of the system, (ii) an approximate modal strain energy method, which uses an equivalent modal damping of the system in each mode of vibration, and (iii) an exact method which uses complex frequency response function of the system. The responses obtained by three different methods are compared for different combinations of viscoelastic dampers giving rise to both classically and non-classically damped cases. In addition, the effect of the modelling of viscoelastic dampers on the response is investigated for a certain frequency range of interest. The results of the study are useful in appropriate modelling of viscoelastic dampers and in understanding the implication of using modal analysis procedure for building frames which are passively controlled by viscoelastic dampers against base excitation.
An efficient method is proposed here to identify multiple damage cases in structural systems using the concepts of flexibility matrix and strain energy of a structure. The flexibility matrix of the structure is accurately estimated from the first few mode shapes and natural frequencies. Then, the change of strain energy of a structural element, due to damage, evaluated by the columnar coefficients of the flexibility matrix is used to construct a damage indicator. This new indicator is named here as flexibility strain energy based index (FSEBI). In order to assess the performance of the proposed method for structural damage detection, two benchmark structures having a number of damage scenarios are considered. Numerical results demonstrate that the method can accurately locate the structural damage induced. It is also revealed that the magnitudes of the FSEBI depend on the damage severity.
Damage detection methods using vibration modes are investigated on ring structures and. modal behavior of the slightly asymmetric rings is examined. Mode shapes changes, MSER(modal strain energy ratio) and MCR(modal curvature ratio) are applied to identify the locations of faults or damages. Parameters are calculated and compared by finite element analysis on rings with designed local damages. Damages are modeled as reduced stiffness in the analysis. The results show MSER and MCR can be proper factors to detect local damages in ring structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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