Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction
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v.34
no.3
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pp.3-10
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2018
It's not practical to collect all information at the entire degrees of freedom of finite element model. The incomplete measurements should be expanded for subsequent analysis and damage detection. This work presents the analytical methods to expand the incomplete static or dynamic response data. Using the expanded data, introducing the concept of residual force, and minimizing the performance index expressed as the stiffness matrix and its difference before and after damage, the variation in stiffness matrix is derived. Based on the difference in the stiffness matrix, the damage detection method of structures is also provided. The validity of the proposed methods is illustrated in a numerical application, the numerical results are analyzed for applications, and the applicability of both methods is investigated.
With the advantages of large span, light deadweight and convenient construction, the steel-concrete composite beam (SCCB) has been rapidly developed as a medium span bridge. Compared with common beams, the global stiffness of SCCB is discontinuous and in a staged distribution. In this paper, the analysis model for the simply-supported SCCB is established and the vibration equations are derived. The natural vibration characteristics of a simply-supported SCCB are analyzed, and are compared with the theoretical and experimental results. A curvature mode measurement method is proposed to identify the shear connector damage of SCCB, with the stiffness reduction factor to describe the variation of shear connection stiffness. By analysis on the $1^{st}$ to $3^{rd}$ vertical modes, the distribution of shear connectors between the steel girder and the concrete slab are well identified, and the damage locations and failure degrees are detected. The results show that the curvature modes can be used for identification of the damage location.
Recent studies integrating vibration control and structural health monitoring (SHM) use control devices and control algorithms to enable system identification and damage detection. In this study real-time SHM is used to enhance structural vibration control and reduce damage. A newly proposed control algorithm, including integrated real-time SHM and semi-active control strategy, is presented to mitigate both damage and seismic response of the main structure under strong seismic ground motion. The semi-active independently variable stiffness (SAIVS) device is used as semi-active control device in this investigation. The proper stiffness of SAIVS device is obtained using a new developed semi-active control algorithm based on real-time damage tracking of structure by damage detection algorithm based on identified system Markov parameters (DDA/ISMP) method. A three bay five story steel braced frame structure, which is equipped with one SAIVS device at each story, is employed to illustrate the efficiency of the proposed algorithm. The obtained results show that the proposed control algorithm could significantly decrease damage in most parts of the structure. Also, the dynamic response of the structure is effectively reduced by using the proposed control algorithm during four strong earthquakes. In comparison to passive on and off cases, the results demonstrate that the performance of the proposed control algorithm in decreasing both damage and dynamic responses of structure is significantly enhanced than the passive cases. Furthermore, from the energy consumption point of view the maximum and the cumulative control force in the proposed control algorithm is less than the passive-on case, considerably.
Roh Won Kyoun;Shim Chang Su;Hong Chang Kuk;Kim Ki Bong
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2004.05a
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pp.60-63
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2004
The paper deals with the damage assessment of the concrete beam using static displacements and the flexural stiffness reduction of the beam was evaluated. Simply supported concrete beams were loaded at the mid-span, and the applied load level ranged $20\%,\;40\%,\;80\%$ of the flexural strength of the beam. When the displacements from the tests were increased more than $10\%$ of the initial values, flexural cracks occured. Judging from the observed cracks, damaged area of the beams were assumed and the stiffness reduction using the smeared-cracking concept was estimated to minimize the error between the test results and analytical results. Four stages of the behavior of a RC beam, which are uncracked, initial cracking, stabilized cracking and post-yielding, can be considered to assess the damage of RC beams. Main parameters for the assessment were cracking area and the stiffness reduction ratio. In each stage, damaged elements and their stiffness reduction were estimated to minimized the error.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.17
no.1
s.118
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pp.80-87
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2007
In this paper, a method for identifying the location and extent of a damage in a structure using residual forces was presented. Element stiffness matrix reduction parameters in a finite element model were used to describe the damaged structure mathematically. The element stiffness matrix reduction parameters were determined by minimizing a global error derived from dynamic residual vectors, which were obtained by introducing a simulated experimental data into the eigenvalue problem. Genetic algorithm was used to get the solution set of element stiffness reduction parameters. The proposed scheme was verified using Euler-Bernoulli beam. The results were presented in the form of tables and charts.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.9
no.5
s.45
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pp.53-61
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2005
In order to evaluate the limit earthquake resistance of multi-story steel frames influenced by the strength and stiffness ratios of members, a series inelastic response analysis were carried out. From the analysis results, the damage distribution rules of multi-story steel frames were proposed. Conclusions are summarized as follows; 1)As the stiffness ratios of beam and column becomes small, the damage concentrates on the lower end of columns of the first story. 2) Considering the strength and stiffness ratios of the beam and column with weak beam type mechanism, the equations predicting the damage distribution of multi-story steel flames were proposed. 3) Through the equation which was supposed in this study, it is speculated that the damage distribution of the rigid or semirigid beam collapse type multi-story steel structure building can be predicted.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.21
no.1
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pp.1-11
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2008
Stiffness estimation of a shear building due to local damages is usually achieved though structural analysis based on the assumed material properties and idealized numerical modeling of structure. Conventional numerical modeling, however, frequently causes an inevitable error in the structural response and this makes it difficult to exactly predict the damage state in structure. To solve this problem, this paper introduces a damage detection technique for shear building using genetic algorithm. The introduced algorithm evaluates the damage in structure using a flexibility matrix since the flexibility matrix can exactly be obtained from the field test in spite of using a few lower dynamic modes of structure. The introduced algorithm is expected to be more effectively used in damage detection of structures rather than conventional method using the stiffness matrix. Moreover, even in cases when an accurate measurement of structural stiffness cannot be expected, the proposed technique makes it possible to estimate the absolute change in stiffness of the structure on the basis of genetic algorithm. The validity of the proposed technique is demonstrated though numerical analysis using OPENSEES.
Finite element (FE) model updating is a useful tool for global damage detection technique, which identifies the damage of the structure using measured vibration data. This paper presents the application of a finite element model updating method to detect the damage of a small-scale reinforced concrete building structure using measured acceleration data from shaking table tests. An iterative FE model updating strategy using the least-squares solution based on sensitivity of frequency response functions and natural frequencies was provided. In addition, a side constraint to mitigate numerical difficulties associated with ill-conditioning was described. The test structure was subjected to six El Centro 1942 ground motion histories with different Peak Ground Accelerations (PGA) ranging from 0.06 g to 0.5 g, and analytical models corresponding to each stage of the shaking were obtained using the model updating method. Flexural stiffness values of the structural members were chosen as the updating parameters. In model updating at each stage of shaking, the initial values of the parameter were set to those obtained from the previous stage. Severity of damage at each stage of shaking was determined from the change of the updated stiffness values. Results indicated that larger reductions in stiffness values occurred at the slab members than at the wall members, and this was consistent with the observed damage pattern of the test structure.
In this study, a wavelet-based covariance-driven system identification technique is proposed for damage assessment of structures under ambient excitation. Assuming the ambient excitation to be a white-noise process, the covariance computation is shown to be able to separate the effect of random excitation from the response measurement. Wavelet transform (WT) is then used to convert the covariance response in the time domain to the WT magnitude plot in the time-scale plane. The wavelet coefficients along the curves where energy concentrated are extracted and used to estimate the modal properties of the structure. These modal property estimations lead to the calculation of the stiffness matrix when either the spectral density of the random loading or the mass matrix is given. The predicted stiffness matrix hence provides a direct assessment on the possible location and severity of damage which results in stiffness alteration. To demonstrate the proposed wavelet-based damage assessment technique, a numerical example on a 3 degree-of-freedom (DOF) system and an experimental study on a three-story building model, which are all under a broad-band excitation, are presented. Both numerical and experimental results illustrate that the proposed technique can provide an accurate assessment on the damage location. It is however noted that the assessment of damage severity is not as accurate, which might be due to the errors associated with the mode shape estimations as well as the assumption of proportional damping adopted in the formulation.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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1998.04a
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pp.131-138
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1998
Structural damage is used to be modeled through reductions in the stiffness of structural elements for the purpose of damage estimation of structural system. In this study, the concept of joint damage is employed for more realistic damage assessment of a steel structure. The joint damage is estimated damage based on the mode shape informations using neural networks. The beam-to-column connection in a steel frame structure is represented by a rotational spring at the fixed end of a beam element. The severity of joint damage is defined as the reduction ratio of the connection stiffness with respect to the value of the intact joint. The concept of the substructural identification is used for the localized damage assessment in a large structure. The feasibility of the proposed method is examined using an example with simulated data. It has been found that the joint damages can be reasonably estimated for the case with the measurements of the mode vectors subjected to noise.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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