Lakshmanan, N.;Raghuprasad, B.K.;Muthumani, K.;Gopalakrishnan, N.;Basu, D.
Computers and Concrete
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제5권1호
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pp.37-60
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2008
Structural health monitoring of existing infrastructure is currently an important field of research, where elaborate experimental programs and advanced analytical methods are used in identifying the current state of health of critical and important structures. The paper outlines two methods of system identification of beam-like reinforced concrete structures representing bridges, through static measurements, in a distributed damage scenario. The first one is similar to the stiffness method, re-cast and the second one to flexibility method. A least square error (LSE) based solution method is used for the estimation of flexural rigidities and damages of simply supported, cantilever and propped cantilever beam from the measured deformation values. The performance of both methods in the presence of measurement errors is demonstrated. An experiment on an un-symmetrically damaged simply supported reinforced concrete beam is used to validate the developed method. A method for damage prognosis is demonstrated using a generalized, indeterminate, propped cantilever beam.
The present paper proposes a modal analysis procedure to obtain exact modal parameters (natural frequencies, damping ratios, eigenvectors) for general, non-uniform beam-like structures. The proposed method includes a derivation of the system dynamic matrix for a Timoshenko beam element. The proposed method provides not only exact modal parameters but also exact frequency response functions (FRFs) for general beam structures. A time domain analysis method is also proposed. Two examples are provided for validating and illustrating the proposed method. The first numerical example compares the proposed method with FEM. The second example deals with a non-uniform beam structure supported in joints with damping property. The numerical study proves that the proposed method is useful for the dynamic analysis of continuous systems consisting of beam-like structures.
This study suggests a simple two-step method for structural vibration-based health monitoring for beam-like structures which only utilizes mode shape curvature and few natural frequencies of the structures in order to detect and localize cracks. The method is firstly based on the application of wavelet transform to detect crack locations from mode shape curvature. Then particle swarm optimization is applied to evaluate crack depth. As the Rayleigh quotient is introduced to estimate natural frequencies of cracked beams, the relationship of natural frequencies and crack depths can be easily obtained with only a simple formula. The method is demonstrated and validated numerically, using the numerical examples (cantilever beam and simply supported shaft) in the literature, and experimentally for a cantilever beam. Our results show that mode shape curvature and few estimated natural frequencies can be used to detect crack locations and depths precisely even under a certain level of noise. The method can be extended for health monitoring of other more complicated structures.
A damage detection algorithm based on neuro fuzzy hybrid system is presented in this study for location and severity predictions of cracks in beam-like structures. A combination of eigenfrequencies and rotation deviation curves are utilized as input to the soft computing technique. Both single and multiple damage cases are considered. Theoretical expressions leading to modal properties of damaged beam elements are provided. The beam formulation is based on Euler-Bernoulli theory. The cracked section of beam is simulated employing discrete spring model whose compliance is computed from stress intensity factors of fracture mechanics. A hybrid neuro fuzzy technique is utilized to solve the inverse problem of crack identification. Two different neuro fuzzy systems including grid partitioning (GP) and subtractive clustering (SC) are investigated for the highlighted problem. Several error metrics are utilized for evaluating the accuracy of the hybrid algorithms. The study is the first in terms of 1) using the two models of neuro fuzzy systems in crack detection and 2) considering multiple damages in beam elements employing the fused neuro fuzzy procedures. At the end of the study, the developed hybrid models are tested by utilizing the noise-contaminated data. Considering the robustness of the models, they can be employed as damage identification algorithms in health monitoring of beam-like structures.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제22권1호
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pp.21-27
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1998
The authors have developed the transfer dynamic stiffness coefficient method(TDSCM) which is based on the concepts of the substructure synthesis method and transfer influence coefficient method. As a result, we suggested the algorithm for free vibration analysis of beam-like structures which are mainly found in mechanical design by applying the TDSCM in the previous reports. In this paper, we extend this algorithm to the forced vibration analysis for them. And we also confirmed the merits of this method.
This paper discusses a refined model for investigating the micro-mechanical behavior of beam-like structures, which are composed of various elastic moduli and complex geometries varying through the cross-section directions and are also periodically-repeated and heterogeneous along the axial direction. Following the previous work (Lee and Yu, 2011), the original three-dimensional static problem is first formulated in a unified and compact form using the concept of decomposition of the rotation tensor. Taking advantage of the smallness of the cross-sectional dimension-to-length parameter and the micro-to-macro heterogeneity, while also performing homogenization along the dimensional reduction simultaneously, the variational asymptotic method is rigorously used to construct a total energy function, which is asymptotically correct up to the second order. Furthermore, through the transformation procedure based on the pure kinematic relations and the linearized equilibrium equations, a generalized Timoshenko model is systematically established. For the purpose of dealing with realistic and complex geometries and constituent materials at the microscopic level, this present approach is incorporated into a commercial analysis package. A few examples available in literature are used to demonstrate the consistency and efficiency of this proposed model, especially for the structures, in which the effects of transverse shear deformations are significant.
Beam-like structures such as bridge, high building and tower, pipes, flexible connecting rods and some robotic manipulators are often excited by support motions. These structures are important in machines and structures. So, this study proposes an analytic method to accurately predict the dynamic behaviors of the structures during support motions or an earthquake. Using Timoshenko beam theory which is valid even for non-slender beams and for high-frequency responses, the analytic responses of fixed-fixed beams subjected to a real seismic motions at supports are illustrated to show the principled approach to the proposed method. The responses of a slender beam obtained by using Timoshenko beam theory are compared with the solutions based on Euler-Bernoulli beam theory to validate the correctness of the proposed method. The dynamic analysis for the fixed-fixed beam subjected to support motions gives useful information to develop an understanding of the structural behavior of the beam. The bending moment and the shear force of a slender beam are governed by dynamic components while those of a stocky beam are governed by static components. Especially, the maximal magnitudes of the bending moment and the shear force of the thick beam are proportional to the difference of support displacements and they are influenced by the seismic wave velocity.
This paper discusses a new model for investigating the micro-mechanical behavior of beam-like structures composed of various elastic moduli and complex geometries varying through the cross-sectional directions and also periodically-repeated along the axial directions. The original three-dimensional problem is first formulated in an unified and compact intrinsic form using the concept of decomposition of the rotation tensor. Taking advantage of two smallness of the cross-sectional dimension-to-length parameter and the micro-to-macro heterogeneity and performing homogenization along dimensional reduction simultaneously, the variational asymptotic method is used to rigorously construct an effective zeroth-order beam model, which is similar a generalized Timoshenko one (the first-order shear deformation model) capable of capturing the transverse shear deformations, but still carries out the zeroth-order approximation which can maximize simplicity and promote efficiency. Two examples available in literature are used to demonstrate the consistence and efficiency of this new model, especially for the structures, in which the effects of transverse shear deformations are significant.
In this paper, a simple two-step method for structural vibration-based health monitoring for beam-like structures have been extended to plate-like structures with though-thickness cracks. Crack locations and severities of plate-like structures are detected using a hybrid approach. The interval wavelet transform is employed to extract crack singularity locations from mode shape and support vector regression (SVR) is applied to predict crack serviettes form crack severity detection database (the relationship of natural frequencies and crack serviettes) using several natural frequencies as inputs. Of particular interest is the natural frequencies estimation for cracked plate-like structures using Rayleigh quotient. Only the natural frequencies and mode shapes of intact structures are needed to calculate the natural frequencies of cracked plate-like structures using a simple formula. The crack severity detection database can be easily obtained with this formula. The hybrid method is investigated using numerical simulation and its validity of the usage of interval wavelet transform and SVR are addressed.
A damped Timoshenko beam element is introduced for the DOF-efficient forced vibration analysis of beam-like structures coated with viscoelastic damping layers. The rotary inertia as well as the shear deformation is considered, and the damping effect of viscoelastic layers is modeled as an imaginary loss factor in the complex shear modulus. A complex composite cross-section of structures is replaced with a homogeneous one by means of the transformed section approach in order to construct an equivalent single-layer finite element model capable of employing the standard $C^{0}$-continuity basis functions. The numerical reliability and the DOF-efficiency are explored through the comparative numerical experiments.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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