In this study, an indirect approach is developed for assessing the state of a bridge on the basis of mode shapes estimated by the responses of passing vehicles. Two types of damages, i.e., immobilization of a support and decrease in beam stiffness at the center, are evaluated with varying degrees of road roughness and measurement noise. The assessment theory's feasibility is verified through numerical simulations of interactive vibration between a two-dimensional beam and passing vehicles modeled simply as sprung mass. It is determined that the damage state can be recognized by the estimated mode shapes when the beam incurs severe damage, such as immobilization of rotational support, and the responses contain no noise. However, the developed theory has low robustness against noise. Therefore, numerous measurements are needed for damage identification when the measurement is contaminated with noise.
In this paper, damage assessment in wind-turbine towers using vibration-based artificial neural networks (ANNs) is numerically investigated. At first, a vibration-based ANNs algorithm is designed for damage detection in a wind turbine tower. The ANNs architecture consists of an input, an output, and hidden layers. Modal parameters of the wind turbine tower such as mode shapes and frequencies are utilized as the input and the output layer composes of element stiffness indices. Next, the finite element model of a real wind-turbine tower is established as the test structure. The natural frequencies and mode shapes of the test structure are computed under various damage cases of single and multiple damages to generate training patterns. Finally, the ANNs are trained using the generated training patterns and employed to detect damaged elements and severities in the test structure.
Hu, Qin;Lam, Heung Fai;Zhu, Hong Ping;Alabi, Stephen Adeyemi
Smart Structures and Systems
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v.21
no.4
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pp.435-448
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2018
This paper reports the development of a theoretically rigorous method for permanent way engineers to assess the condition of railway ballast under a concrete sleeper with the potential to be extended to a smart system for long-term health monitoring of railway ballast. Owing to the uncertainties induced by the problems of modeling error and measurement noise, the Bayesian approach was followed in the development. After the selection of the most plausible model class for describing the damage status of the rail-sleeper-ballast system, Bayesian model updating is adopted to calculate the posterior PDF of the ballast stiffness at various regions under the sleeper. An obvious drop in ballast stiffness at a region under the sleeper is an evidence of ballast damage. In model updating, the model that can minimize the discrepancy between the measured and model-predicted modal parameters can be considered as the most probable model for calculating the posterior PDF under the Bayesian framework. To address the problems of non-uniqueness and local minima in the model updating process, a two-stage hybrid optimization method was developed. The modified evolutionary algorithm was developed in the first stage to identify the important regions in the parameter space and resulting in a set of initial trials for deterministic optimization to locate all most probable models in the second stage. The proposed methodology was numerically and experimentally verified. Using the identified model, a series of comprehensive numerical case studies was carried out to investigate the effects of data quantity and quality on the results of ballast damage detection. Difficulties to be overcome before the proposed method can be extended to a long-term ballast monitoring system are discussed in the conclusion.
A simplified calculation method of natural vibration characteristics of high-speed railway multi-span bridge-longitudinal ballastless track system is proposed. The rail, track slab, base slab, main beam, bearing, pier, cap and pile foundation are taken into account, and the multi-span longitudinal ballastless track-beam-bearing-pier-cap-pile foundation integrated model (MBTIM) is established. The energy equation of each component of the MBTIM based on Timoshenko beam theory is constructed. Using the improved Fourier series, and the Rayleigh-Ritz method and Hamilton principle are combined to obtain the extremum of the total energy function. The simplified calculation formula of the natural vibration frequency of the MBTIM under the influence of vertical and longitudinal vibration is derived and verified by numerical methods. The influence law of the natural vibration frequency of the MBTIM is analyzed considering and not considering the participation of each component of the MBTIM, the damage of the track interlayer component and the stiffness change of each layer component. The results show that the error between the calculation results of the formula and the numerical method in this paper is less than 3%, which verifies the correctness of the method in this paper. The high-order frequency of the MBTIM is significantly affected considering the track, bridge pier, pile soil and pile cap, while considering the influence of pile cap on the low-order and high-order frequency of the MBTIM is large. The influence of component damage such as void beneath slab, mortar debonding and fastener failure on each order frequency of the MBTIM is basically the same, and the influence of component damage less than 10m on the first fourteen order frequency of the MBTIM is small. The bending stiffness of track slab and rail has no obvious influence on the natural frequency of the MBTIM, and the bending stiffness of main beam has influence on the natural frequency of the MBTIM. The bending stiffness of pier and base slab only has obvious influence on the high-order frequency of the MBTIM. The natural vibration characteristics of the MBTIM play an important guiding role in the safety analysis of high-speed train running, the damage detection of track-bridge structure and the seismic design of railway bridge.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.29
no.12
s.243
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pp.1586-1596
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2005
In this paper, a structural damage identification method (SDIM) is developed to identify the line crack-like directional damages generated within a cylindrical shell. First, the equations of motion for a damaged cylindrical shell are derived. Based on a theory of continuum damage mechanics, a small material volume containing a directional damage is represented by the effective orthotropic elastic stiffness, which is dependent of the size and the orientation of the damage with respect to the global coordinates. The present SDIM is then derived from the frequency response function (FRF) directly solved from the equations of motion of a damaged shell. In contrast with most existing SDIMs which require the modal parameters measured in both intact and damaged states, the present SDIM may require only the FRF-data measured at damaged state. By virtue of utilizing FRF-data, one may choose as many sets of excitation frequency and FRF measurement point as needed to acquire a sufficient number of equations for damage identification analysis. The numerically simulated damage identification tests are conducted to study the feasibility of the present SDIM.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.26
no.3
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pp.48-54
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2022
This research describes a quantitative procedure used to estimate the effect of concrete cracking on stiffness degradation of concrete shear walls and provides analytical references for the seismic design of concrete shear walls. As preliminary research on the seismic response of concrete shear walls, nonlinear transient analysis was performed with commercial FE software. The study presents the nonlinear time history analysis results in terms of concrete damage and cracking behavior induced by seismic input motions. By varying the input motions, concrete strength and shear wall thickness, the seismic responses of a shear wall were examined with nonlinear time history analysis, and the progressive cracking behavior and corresponding hysteresis loop were described. Based on the analysis results, frequency and stiffness degradation of the shear wall from progressive concrete damage and cracking were captured with respect to the seismic levels. The results of this study suggest that stiffness degradation from concrete cracking should be appropriately considered when determining the seismic capacity of RC shear wall structures.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.17
no.1
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pp.124-132
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2013
Damage location and extent could be detected by the inverse analysis on dynamic response of the damaged structure. In general, detection of damage location is possible by the observation of the mode shape difference between undamaged and damaged structure and assessment of stiffness reduction is possible by the observation of the natural frequency difference of them. The study on damage detection by the dynamic response in civil structures is reported enough and in practical use, but in building structures it is reported seldom due to several problems. The purpose of this study is to present the damage detection method on shear building structures by mode shape. The damage location index using 1st mode shape is observed theoretically to find out damage location. The damage detection method is applied to numerical analysis model such as MATLAB and MIDAS GENw for the verification. Finally the shaking table test on 3 story shear building is performed for the examination of the damage detection method. In shaking table results, as the story stiffness decrease by 25% the 1st mode frequency increase by 12%, and the damage location index represents minus at damaged story.
Journal of the korean Society of Automotive Engineers
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v.12
no.1
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pp.20-25
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1990
The design of a power transmission shaft which has the limited life under cumulative damage and various mean loads was made in consideration of shaft stiffness and shape determination. All procedures were programmed so that one can see the result by connecting to graphic terminal. The diameters of designed shaft are in good agreement with those of a commercial shaft which is manufactured according to the imported design drawing sheets.
Kim, Bag-Jin;Choi, Jung-Youl;Chun, Dae-Sung;Eom, Mac;Kang, Yun-Suk;Park, Yong-Gul
Proceedings of the KSR Conference
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2007.11a
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pp.517-528
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2007
Domestic or international existing researches regarding rail damage factors are focused on laying, vehicle conditions, driving speed and driving habits and overlook characteristics of track structure (elasticity, maintenance etc). Also in ballast track, as there is no special lateral spring stiffness of track also called as ballast lateral resistance in concrete track, generally, existing study shows concrete track has 2 time shorter life cycle for rail replacement than ballast track due to abrasion. As a result of domestic concrete track design and operation performance review, concrete track elasticity is lower than track elasticity of ballast track resulting higher damage on rail and tracks. Generally, concrete track has advantage in track elasticity adjustment than ballast track and in case of Europe, in concrete track design, it is recommended to have same or higher performance range of vertical elastic stiffness of ballast track but domestically or internationally review on lateral spring stiffness of track is very minimal. Therefore, through analysis of service line track on site measurement and analysis on performance of maintenance, in this research, dynamic characteristic behaviors of commonly used ballast and concrete track are studied to infer elasticity of service line track and experimentally prove effects of track lateral spring stiffness that influence curved rail damage as well as correlation between track elasticity by track system and rail damage to propose importance of appropriate elastic stiffness level for concrete and ballast track.
Estimation of damage probability of buildings under a future earthquake is an essential issue to ensure the seismic reliability. Fragility curves are useful tools for showing the probability of structural damage due to earthquakes as a function of ground motion indices. The purpose of this study is to compare the damage probability of R/C buildings with low and high level of strength and ductility through fragility analysis. Two different types of sample buildings have been considered which represent the building types mentioned above. The first one was designed according to TEC-2007 and the latter was designed according to TEC-1975. The pushover curves of sample buildings were obtained via pushover analyses. Using 60 ground motion records, nonlinear time-history analyses of equivalent single degree of freedom systems were performed using bilinear hysteretic model and peak-oriented hysteretic model with stiffness - strength deterioration for each scaled elastic spectral displacement. The damage measure is maximum inter-story drift ratio and each performance level considered in this study has an assumed limit value of damage measure. Discrete damage probabilities were calculated using statistical methods for each considered performance level and elastic spectral displacement. Consequently, continuous fragility curves have been constructed based on the lognormal distribution assumption. Furthermore, the effect of hysteresis model parameters on the damage probability is investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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