본 논문에서는 다자유도계 구조물의 진동대 실험결과 분석에서 효율적인 지진손상도 평가 및 소성모형 추정을 목적으로, 계측결과를 각 부재별 소성이력으로 환산하고 이 소성이력에 대해 비선형 계수 추정법을 적용하는 다단계 방안을 연구하였다. 이때, 추정된 부재별 소성이력은 부재별 지진 손상도를 평가하는 지표로 활용될 수 있으며, 추정된 비선형 모형 계수를 이용하여 구축된 비선형 다자유도계 구조는 다양한 구조재해석의 모형으로 활용될 수 있다. 제시된 방법의 검증을 위해, 해석적 방법과 실험적 방법의 예제해석이 수행되었다. 예제해석 결과는 해석적 방법과 실험적 방법 모두에서 본 논문의 방법이 매우 효과적임을 보여 주고 있다.
Hamish Tomlinson;Geoffrey W. Rodgers;Chao Xu;Virginie Avot;Cong Zhou;J. Geoffrey Chase
Smart Structures and Systems
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제31권2호
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pp.101-111
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2023
Structural health monitoring (SHM) covers a range of damage detection strategies for buildings. In real-time, SHM provides a basis for rapid decision making to optimise the speed and economic efficiency of post-event response. Previous work introduced an SHM method based on identifying structural nonlinear hysteretic parameters and their evolution from structural force-deformation hysteresis loops in real-time. This research extends and generalises this method to investigate the impact of a wide range of flag-shaped or pinching shape nonlinear hysteretic response and its impact on the SHM accuracy. A particular focus is plastic stiffness (Kp), where accurate identification of this parameter enables accurate identification of net and total plastic deformation and plastic energy dissipated, all of which are directly related to damage and infrequently assessed in SHM. A sensitivity study using a realistic seismic case study with known ground truth values investigates the impact of hysteresis loop shape, as well as added noise, on SHM accuracy using a suite of 20 ground motions from the PEER database. Monte Carlo analysis over 22,000 simulations with different hysteresis loops and added noise resulted in absolute percentage identification error (median, (IQR)) in Kp of 1.88% (0.79, 4.94)%. Errors were larger where five events (Earthquakes #1, 6, 9, 14) have very large errors over 100% for resulted Kp as an almost entirely linear response yielded only negligible plastic response, increasing identification error. The sensitivity analysis shows accuracy is reduces to within 3% when plastic drift is induced. This method shows clear potential to provide accurate, real-time metrics of non-linear stiffness and deformation to assist rapid damage assessment and decision making, utilising algorithms significantly simpler than previous non-linear structural model-based parameter identification SHM methods.
This paper investigates the seismic behavior of an electrical cabinet considering the influence of equipment-anchor-interaction (EAI) that is generally not taken into consideration in a decoupled analysis. The hysteresis behavior of an anchor bolt in concrete was thereby considered to highlight this interaction effect. To this end, the experimental behavior of an anchor bolt under reversed cyclic loading was taken from the recently developed literature, and a numerical model for the anchor hysteresis was developed using the component approach. The hysteresis properties were then used to calibrate the multi-linear link element that is implemented as a boundary condition for the cabinet incorporating the EAI. To highlight this EAI further, the nonlinear time history analysis was performed for a cabinet considering the hysteresis behavior comparative to a fixed boundary condition. Additionally, the influence on the seismic fragility was evaluated for the operational and structural condition of the cabinet. The numerical analysis considering the anchor hysteresis manifests that the in-cabinet response spectra (ICRS) are significantly amplified with the corresponding reduction in the seismic capacity of 25% and 15% for an operational and structural safety condition under the selected protocols. Considering the fixed boundary condition over a realistic hysteresis behavior of the anchor bolt is more likely to overestimate the seismic capacity of the cabinet in a seismic qualification procedure.
We report on hysteresis behavior in the electrical resistance-hydrogen concentration of Pd thin films. The variation of the electrical resistance has been investigated during the process of absorption and desorption of hydrogen gas ($H_{2}$) as a function of thickness of Pd thin films. The hysteresis behavior in the electrical resistance with $H_{2}$ concentration was found for Pd thin films and consists of $\alpha$ phase, ${\alpha}+{\beta}$ phase, and $\beta$ phase regions. The sensitivity of Pd thin films with $H_{2}$ concentration was found to follow Sieverts' law in the $\alpha$ phase region. However, the sensitivity was observed to increase abruptly with $H_{2}$ concentration in the ${\alpha}+{\beta}$ phase co-exist region. This is because Pd-H interaction is stronger in the $\beta$ phase than in the $\alpha$ phase and needs a higher concentration gradient as a driving force to desorb. The formation of the $\beta$ phase also was observed to cause the structural change because of the lattice expansion during absorption. The hysteresis height and the trace of structural change were affected by the thickness of the Pd film. As the film becomes thinner, the hysteresis height becomes lower and the amount of delamination on the surface becomes smaller. For films thinner than 20 nm in thickness, the delamination was not found but electrical resistance hysteresis was still observed.
By normalizing the internal hysteresis variable and eliminating the redundant parameter, the normalized Bouc-Wen model is considered to be an improved and more reasonable form of the Bouc-Wen model. In order to facilitate application and further research of the normalized Bouc-Wen model, some key aspects of the model need to be uncovered. In this paper, hysteresis characterization of the normalized Bouc-Wen model is first studied with respect to the model parameters, which reveals the influence of each model parameter to the shape of the hysteresis loops. The parameter identification scheme is then proposed based on an improved genetic algorithm (IGA), and verified by experimental test data. It is proved that the proposed method can be an efficacious tool for identification of the model parameters by matching the reconstructed hysteresis loops with the target hysteresis loops. Meanwhile, the IGA is shown to outperform the standard GA. Finally, a simplified identification method is proposed based on parameter sensitivity, which indicates that the efficiency of the identification process can be greatly enhanced while maintaining comparable accuracy if the low-sensitivity parameters are reasonably restricted to narrower ranges.
Mondal, Tarutal Ghosh;Kothamuthyala, Sriharsha R.;Prakash, S. Suriya
Structural Engineering and Mechanics
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제64권1호
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pp.11-21
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2017
It has been observed in the past that, the reinforced concrete (RC) bridge columns are very often subjected to torsional moment in addition to flexure and shear during seismic vibration. Ignoring torsion in the design can trigger unexpected shear failure of the columns (Farhey et al. 1993). Performance based seismic design is a popular design philosophy which calls for accurate prediction of the hysteresis behavior of structural elements to ensure safe and economical design under earthquake loading. However, very few investigations in the past focused on the development of analytical models to accurately predict the response of RC members under cyclic torsion. Previously developed hysteresis models are not readily applicable for torsional loading owing to significant pinching and stiffness degradation associated with torsion (Wang et al. 2014). The present study proposes an improved polygonal hysteresis model which can accurately predict the hysteretic behavior of RC circular and square columns under torsion. The primary curve is obtained from mechanics based softened truss model for torsion. The proposed model is validated with test data of two circular and two square columns. A good correlation is observed between the predicted and measured torque-twist behavior and dissipated energy.
Zhou, Cong;Chase, J. Geoffrey;Rodgers, Geoffrey W.;Xu, Chao;Tomlinson, Hamish
Smart Structures and Systems
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제16권1호
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pp.163-181
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2015
This research investigates the structural health monitoring of nonlinear structures after a major seismic event. It considers the identification of flag-shaped or pinched hysteresis behavior in response to structures as a more general case of a normal hysteresis curve without pinching. The method is based on the overall least squares methods and the log likelihood ratio test. In particular, the structural response is divided into different loading and unloading sub-half cycles. The overall least squares analysis is first implemented to obtain the minimum residual mean square estimates of structural parameters for each sub-half cycle with the number of segments assumed. The log likelihood ratio test is used to assess the likelihood of these nonlinear segments being true representations in the presence of noise and model error. The resulting regression coefficients for identified segmented regression models are finally used to obtain stiffness, yielding deformation and energy dissipation parameters. The performance of the method is illustrated using a single degree of freedom system and a suite of 20 earthquake records. RMS noise of 5%, 10%, 15% and 20% is added to the response data to assess the robustness of the identification routine. The proposed method is computationally efficient and accurate in identifying the damage parameters within 10% average of the known values even with 20% added noise. The method requires no user input and could thus be automated and performed in real-time for each sub-half cycle, with results available effectively immediately after an event as well as during an event, if required.
본 연구에서는 강재 슬릿댐퍼를 대상으로 하여 면외 변형을 구속할 수 있는 보완상세를 제시하고, 제안상세 적용 유무와 댐퍼의 형상비를 변수로 하여 일정진폭 가력실험을 수행하였다. 실험결과에 따라 제안상세가 적용된 슬릿댐퍼의 반복이력은 설정된 변수 범위에서 모두 안정적인 방추형의 이력거동을 나타내었으며 종국거동까지 댐퍼의 면외변형은 관찰되지 않았다. 누적변형각 분석을 통해 제안상세가 적용된 댐퍼 시스템은 대조군에 비해 월등히 큰 소성변형능력을 확보할 수 있음을 확인하였다. 이러한 구조적 효과(구속패널효과)는 슬릿댐퍼의 형상비가 작을수록 크게 나타났다. 관련 국외기준을 참고하여 제안상세 적용유무에 따른 슬릿댐퍼의 피로곡선을 작성하고 예측곡선 제시를 위한 매개변수를 도출하였다. 본 연구의 결과를 토대로 향 후 다양한 종류의 제진장치의 구조성능에 대한 정량적인 비교가 가능할 것으로 판단된다.
The first and second moments of response variables for SDOF systems with hysteretic nonlinearity are obtained by a direct linearization procedure. This adaptation in the implementation of well-known statistical linearization methods, provides concise, model-independent linearization coefficients that are well-suited for numerical solution. The method may be applied to systems which incorporate any hysteresis model governed by a differential constitutive equation, and may be used for zero or non-zero mean random vibration. The implementation eliminates the effort of analytically deriving specific linearization coefficients for new hysteresis models. In doing so, the procedure of stochastic analysis is made independent from the task of physical modeling of hysteretic systems. In this study, systems with three different hysteresis models are analyzed under various zero and non-zero mean Gaussian White noise inputs. Results are shown to be in agreement with previous linearization studies and Monte Carlo Simulation.
There is the freezing method as one of the ground improvement methods for excavating an underground tunnel, and due to its improved reliability, recently construction cases of applying this method into sandy soil grounds as well as cohesive soil grounds of cities have been reported. But, applying the freezing method into cohesive soil grounds could bring concerns of the expansion of the whole ground and the settlements from thawing of ground. In this study, the deformation strength characteristics of cohesive soil which received freezing and thawing hysteresis were examined using the sample collected from the site of cohesive soil ground applied with the freezing method and its structural characteristics were analyzed using an electronic microscope. And, the test with cohesive soil reconstituted from cohesive soil which received freezing and thawing hysteresis was carried out and its result was analyzed comparatively. The result of this test showed that the structure of natural clay was significantly changed due to freezing and thawing hysteresis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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