Structural health monitoring systems are often installed on bridges to provide assessments of the need for structural maintenance and repair. Damage or deterioration may be detected by observation of changes in bridge characteristics evaluated from measured structural responses. However, construction materials such as concrete and steel cables exhibit certain time-dependent behaviour, which also results in changes in structural characteristics. If these are not accounted for properly, false alarms may arise. This paper proposes a systematic and efficient method to study the time-dependent effects on the dynamic properties of cable-stayed bridges. After establishing the finite element model of a cable-stayed bridge taking into account geometric nonlinearities and time-dependent behaviour, long-term time-dependent analysis is carried out by time integration. Then the dynamic properties of the bridge after a certain period can be obtained. The effects of time-dependent behaviour of construction materials on the dynamic properties of typical cable-stayed bridges are investigated in detail.
The dynamic behavior of railway bridges originates from dynamic properties of various spans and structural types. As a result, the exact estimation of dynamic properties of the railway bridge can produce the exact estimations of dynamic performances of the railway bridge. The damping ratio affects the dynamic reponses of the railway bridge in the vicinity of the critical speed seriously. Eurocode, National Annex of each European country and Japan have their own specification for the damping ratio for the estimation of dynamic performance of railway bridges. In our case, the specification for Honam high speed railways follows the Eurocode. In the present study, for the verification and regulation of the damping ratio and investigation of various dynamic properties, modal tests of various structural types are performed. In addition, for the investigation of effects of track structures on the dynamic property of the bridge, ballast track and concrete track are installed and tested.
A method to verify seismic qualification of the plant protection system cabinet for a nuclear power plant is presented. A finite element model of the cabinet is developed and correlated to the dynamic properties observed during in-situ vibration test of the actual structure. The results of the modal analysis provide insight into the fundamental dynamic properties of the structure. Techniques for verifying structural integrity and operability are exemplified by summarizing response spectrum and time history analyses of the structure.
Safety monitoring systems of structures generally resort to detecting possible changes of dynamic system parameters. Sensitivity analysis of these dynamic system parameters may implement these techniques. Conventional structural eigenvalue problems are discussed in the scope of those systems with deterministic parameters. Large and flexible structures, such as suspension bridges, actually possess stochastic material properties and these random properties unavoidably affect the dynamic system parameters. The sensitivity matrix of structural modal parameters to basic design variables has been established in this paper. Moreover, second order statistics of natural frequencies due to the randomness of material properties have been discussed. It is concluded from numerical analysis of a modem suspension bridge that although the second order statistics of frequencies are small relatively to the change of basic design variables, such as density of mass and modulus of elasticity, the sensitivities of modal parameters to these variables at different locations change in magnitude.
This study shows how uncertainties of data like material properties quantitatively have an influence on structural topology optimization results for dynamic problems, here such as both optimal topology and shape. In general, the data uncertainties may result in uncertainties of structural behaviors like deflection or stress in structural analyses. Therefore optimization solutions naturally depend on the uncertainties in structural behaviors, since structural behaviors estimated by the structural analysis method like FEM need to execute optimization procedures. In order to quantitatively estimate the effect of data uncertainties on topology optimization solutions of dynamic problems, a so-called interval analysis is utilized in this study, and it is a well-known non-stochastic approach for uncertainty estimate. Topology optimization is realized by using a typical SIMP method, and for dynamic problems the optimization seeks to maximize the first-order eigenfrequency subject to a given material limit like a volume. Numerical applications topologically optimizing dynamic wall structures with varied supports are studied to verify the non-stochastic interval analysis is also suitable to estimate topology optimization results with dynamic problems.
An improved optimization algorithm for multi-objective and multi-level (MO/ML) optimum design of steel frames is proposed in this paper. In order to optimize the steel frames under seismic load, two main objective functions need to be considered for minimizing the structural weight and maximizing the strain energy. For the efficiency of the proposed method, well known multi-level optimization techniques using decomposition method that separately utilizes both system-level and element-level optimizations and an artificial constraint deletion technique are incorporated in the algorithm. And also dynamic analysis is executed to evaluate the implicit function of structural strain energy at each iteration step. To save the numerical efforts, an efficient reanalysis technique through sensitivity analysis of dynamic properties is unposed in the paper. The efficiency and robustness of the improved MOML algorithm, compared with a plain MOML algorithm, is successfully demonstrated in the numerical examples.
This paper presents structural assessment of a steel railway bridge for current condition using modal parameter to upgrade finite element modeling in order to gather accurate result. An adequate monitoring, such as acceleration, displacement, strain monitoring, is important tool to understand behavior and to assess structural performance of the structure under surround vibration by means of the dynamic analysis. Evaluation of conditions of an existing steel railway bridge consist of 4 decks, three of them are 14 m, one of them is 9.7 m, was performed with a numerical analysis and a series of dynamic tests. Numerical analysis was performed implementing finite element model of the bridge using SAP2000 software. Dynamic tests were performed by collecting acceleration data caused by surrounding vibrations and dynamic analysis is performed by Operational Modal Analysis (OMA) using collected acceleration data. The acceleration response of the steel bridge is assumed to be governing response quantity for structural assessment and provide valuable information about the current statute of the structure. Modal identification determined based on response of the structure play significant role for upgrading finite element model of the structure and helping structural evaluation. Numerical and experimental dynamic properties are compared and finite element model of the bridge is updated by changing of material properties to reduce the differences between the results. In this paper, an existing steel railway bridge with four spans is evaluated by finite element model improved using operational modal analysis. Structural analysis performed for the bridge both for original and calibrated models, and results are compared. It is demonstrated that differences in natural frequencies are reduced between 0.2% to 5% by calibrating finite element modeling and stiffness properties.
It is important to accurately predict structural responses to external excitations such as typhoons and earthquakes when designing structures for serviceability. One of the key procedures to predict reliable vibration responses is to evaluate accurate structural dynamic properties using finite element (FE) models, which properly represent the realistic behavior of buildings. In the case of historic masonry buildings, structural damage could also be caused by ambient vibrations or impacts. Therefore, the preservation plans of historic buildings for low-level vibrations or impacts should be provided by analyzing structural damages within serviceability levels. For this purpose, it is required to provide FE model construction and response analysis methods verified with field measurement data. In this research, long-term field measurement was performed for a cathedral and its dynamic properties were evaluated using measured data. Then, the model was calibrated based on the measured dynamic properties and an overall construction method for the masonry cathedral was proposed. Using the measured accelerations, the vibrations of the belfry were analyzed using the calibrated FE model and finally, the FE model for the cathedral was verified by comparing the measured accelerations with the modeled results.
The dynamic propagation of an interface crack between two dissimilar functionally graded layers under anti-plane shear is analyzed using the integral transform method. The properties of the functionally graded layers vary continuously along the thickness. A constant velocity Yoffe-type moving crack is considered. Fourier transform is used to reduce the problem to a dual integral equation, which is then expressed to a Fredholm integral equation of the second kind. Numerical values on the dynamic energy release rate (DERR) are presented. Followings are helpful to increase of the resistance of the interface crack propagation of FGM: a) increase of the gradient of material properties; b) increase of the material properties from the interface to the upper and lower free surface; c) increase of the thickness of FGM layer. The DERR increases or decreases with increase of the crack moving velocity.
This research deals with the nonlocal temperature-dependent dynamic buckling analysis of embedded sandwich micro plates reinforced by functionally graded carbon nanotubes (FG-CNTs). The material properties of structure are assumed viscoelastic based on Kelvin-Voigt model. The effective material properties of structure are considered based on mixture rule. The elastic medium is simulated by orthotropic visco-Pasternak medium. The motion equations are derived applying Sinusoidal shear deformation theory (SSDT) in which the size effects are considered using Eringen's nonlocal theory. The differential quadrature (DQ) method in conjunction with the Bolotin's methods is applied for calculating resonance frequency and dynamic instability region (DIR) of structure. The effects of different parameters such as volume percent of CNTs, distribution type of CNTs, temperature, nonlocal parameter and structural damping on the dynamic instability of visco-system are shown. The results are compared with other published works in the literature. Results indicate that the CNTs have an important role in dynamic stability of structure and FGX distribution type is the better choice.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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