This paper takes a half-through steel truss arch bridge as an example. A seismic analysis is conducted with nonlinear finite element method. Contrast models are established to discuss the effect of simplified method for main girder on the accuracy of the result. The influence of seismic wave direction and wave-passage on seismic behaviors are analysed as well as the superstructure and arch ring interaction which is mostly related with the supported bearings and wind resistant springs. In the end, the application of cable-sliding aseismic devices is discussed to put forward a layout principle. The main conclusions include: (1) The seismic response isn't too distinctive with the simplified method of main girder. Generally speaking, the grillage method is recommended. (2) Under seismic input from different directions, arch foot is usually the mostly dangerous section. (3) Vertical wave input and horizontal wave-passage greatly influence the seismic responses of arch ring, significantly increasing that of midspan. (4) The superstructure interaction has an obvious impact on the seismic performance. Half-through arch bridges with long spandrel columns fixed has a less response than those with short ones fixed. And a large stiffness of wind resistant spring makes the the seismic responses of arch ring larger. (5) A good isolation effectiveness for half-through arch bridge can be achieved by a reasonable arrangement of CSFABs.
Suspension bridges bear large eccentric live loads in rush hours when most vehicles travel in one direction on the left or right side of the bridge. With the increasing number and weight of vehicles and the girder widening, the eccentric live load effect on the bridge behavior, including bending and distortion of the main girder, gets more pronounced, even jeopardizing bridge safety. This study proposes an analytical algorithm based on multi-catenary theory for predicting the suspension bridge responses to eccentric live load via the nonlinear generalized reduced gradient method. A set of governing equations is derived to solve the following unknown values: the girder rigid-body displacement in the longitudinal direction; the horizontal projection lengths of main cable's segments; the parameters of catenary equations and horizontal forces of the side span cable segments and the leftmost segments of middle span cables; the suspender tensions and the bearing reactions. Then girder's responses, including rigid-body displacement in the longitudinal direction, deflections, and torsion angles; suspenders' responses, including the suspender tensions and the hanging point displacements; main cables' responses, including the horizontal forces of each segment; and the longitudinal displacement of the pylons' tower top under eccentric load can be calculated. The response of an exemplar suspension bridge with three spans of 168, 548, and 168 m is calculated by the proposed analytical method and the finite element method in two eccentric live load cases, and their results prove the former's feasibility. The nonuniform distribution of the live load in the lateral direction is shown to impose a greater threat to suspension bridge safety than that in the longitudinal direction, while some other specific features revealed by the proposed method are discussed in detail.
Martakis, Panagiotis;Movsessian, Artur;Reuland, Yves;Pai, Sai G.S.;Quqa, Said;Cava, David Garcia;Tcherniak, Dmitri;Chatzi, Eleni
Smart Structures and Systems
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v.29
no.1
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pp.251-266
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2022
Structural Health Monitoring (SHM) of critical infrastructure comprises a major pillar of maintenance management, shielding public safety and economic sustainability. Although SHM is usually associated with data-driven metrics and thresholds, expert judgement is essential, especially in cases where erroneous predictions can bear casualties or substantial economic loss. Considering that visual inspections are time consuming and potentially subjective, artificial-intelligence tools may be leveraged in order to minimize the inspection effort and provide objective outcomes. In this context, timely detection of sensor malfunctioning is crucial in preventing inaccurate assessment and false alarms. The present work introduces a sensor-fault detection and interpretation framework, based on the well-established support-vector machine scheme for anomaly detection, combined with a coalitional game-theory approach. The proposed framework is implemented in two datasets, provided along the 1st International Project Competition for Structural Health Monitoring (IPC-SHM 2020), comprising acceleration and cable-load measurements from two real cable-stayed bridges. The results demonstrate good predictive performance and highlight the potential for seamless adaption of the algorithm to intrinsically different data domains. For the first time, the term "decision trajectories", originating from the field of cognitive sciences, is introduced and applied in the context of SHM. This provides an intuitive and comprehensive illustration of the impact of individual features, along with an elaboration on feature dependencies that drive individual model predictions. Overall, the proposed framework provides an easy-to-train, application-agnostic and interpretable anomaly detector, which can be integrated into the preprocessing part of various SHM and condition-monitoring applications, offering a first screening of the sensor health prior to further analysis.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.29
no.2D
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pp.209-216
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2009
This study was conducted to develop a thin paving technique using polymer epoxy resin materials which is considered as a durable pavement materials. The mechanical performance characteristics of the polymer epoxy resin materials were also evaluated to confirm the validity as a pavement materials. To estimate the performance properties of the materials, bending tests and bonding tests were performed using freeze-thaw and ultra-violet rays to accelerate the aging of materials. In addition, HYUNStay, a commercial structural analysis program for cable-stayed bridges, was used to compare the effect of paving materials between the polymer epoxy resin materials and the conventional ones on the reduction of cable tension and on the stability of the main tower. According to the test results, it is noted that the thin paving technique using polymer epoxy resin materials can improve the performance and durability of pavement compared to the conventional one.
Seungjun Lee;Jaebeom Lee;Minsun Kim;Sangmok Lee;Young-Joo Lee
Smart Structures and Systems
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v.33
no.2
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pp.93-103
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2024
Despite the rapid development of sensors, structural health monitoring (SHM) still faces challenges in monitoring due to the degradation of devices and harsh environmental loads. These challenges can lead to measurement errors, missing data, or outliers, which can affect the accuracy and reliability of SHM systems. To address this problem, this study proposes a classification method that detects anomaly patterns in sensor data. The proposed classification method involves several steps. First, data scaling is conducted to adjust the scale of the raw data, which may have different magnitudes and ranges. This step ensures that the data is on the same scale, facilitating the comparison of data across different sensors. Next, informative features in the time and frequency domains are extracted and used as input for a deep neural network model. The model can effectively detect the most probable anomaly pattern, allowing for the timely identification of potential issues. To demonstrate the effectiveness of the proposed method, it was applied to actual data obtained from a long-span cable-stayed bridge in China. The results of the study have successfully verified the proposed method's applicability to practical SHM systems for civil infrastructures. The method has the potential to significantly enhance the safety and reliability of civil infrastructures by detecting potential issues and anomalies at an early stage.
Yoon, Seung Hyun;Bang, Su Sik;Shin, Yong-June;Lim, Yun Mook
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.31
no.6
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pp.367-372
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2018
Defects in aging infrastructures such as pre-stressed concrete bridges and cable bridges can cause a collapse of the entire structure. Defects, however, are often located inside of the structures that they are not visible from the outside. For example, in PSC bridges, because reinforcement steels are encased by exterior covers, corrosion and void on the reinforcement steel cannot be detected with a visual inspection. Therefore, in this paper, a new non-destructive evaluation(NDE) method that can detect defects inside of structures is presented. The new method utilizes sending of electrical signals, a method often utilized in electrical engineering to detect any discontinuities on power cables. In order to confirm the applicability and accuracy of the method, some experiments were conducted in the laboratory. And to overcome the hardship of conducting experiments on real structures due to their enormous size, simualtions were conudcted using a commercial program, COMSOL. The results of the experiments were analyzed and compared to confirm the accuracy of the simualtions.
This paper proposes a novel approach to model updating for a large-scale cable-stayed bridge based on ambient vibration tests coupled with a hybrid metaheuristic search algorithm. Vibration measurements are carried out under excitation sources of passing vehicles and wind. Based on the measured structural dynamic characteristics, a finite element (FE) model is updated. For long-span bridges, ambient vibration test (AVT) is the most effective vibration testing technique because ambient excitation is freely available, whereas a forced vibration test (FVT) requires considerable efforts to install actuators such as shakers to produce measurable responses. Particle swarm optimization (PSO) is a famous metaheuristic algorithm applied successfully in numerous fields over the last decades. However, PSO has big drawbacks that may decrease its efficiency in tackling the optimization problems. A possible drawback of PSO is premature convergence leading to low convergence level, particularly in complicated multi-peak search issues. On the other hand, PSO not only depends crucially on the quality of initial populations, but also it is impossible to improve the quality of new generations. If the positions of initial particles are far from the global best, it may be difficult to seek the best solution. To overcome the drawbacks of PSO, we propose a hybrid algorithm combining GA with an improved PSO (HGAIPSO). Two striking characteristics of HGAIPSO are briefly described as follows: (1) because of possessing crossover and mutation operators, GA is applied to generate the initial elite populations and (2) those populations are then employed to seek the best solution based on the global search capacity of IPSO that can tackle the problem of premature convergence of PSO. The results show that HGAIPSO not only identifies uncertain parameters of the considered bridge accurately, but also outperforms than PSO, improved PSO (IPSO), and a combination of GA and PSO (HGAPSO) in terms of convergence level and accuracy.
Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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v.4
no.1
s.12
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pp.15-24
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2004
Generally, a ${\pi}$-type girder composed of two I-type girders is known to have a significant disadvantage in wind resistance design because of aerodynamic instability. A representative bridge for this girder was Tacoma Narrows Bridge. Since Tacoma Narrows Bridge had very low stiffness of the bridge structure and its cross-section shape had aerodynamic instability, the bridge collapsed after severe torsion and vibration events in 19m/s wind speed. Aerodynamic vibration can be avoided by enhancing structural stiffness and damping factor and conducting a study of cross-section shapes. This study shows the angle of attack for the four-span cable stayed bridge having ${\pi}$-type cross-section and describes the aerodynamic characteristics of the changed cross-section with aerodynamic vibration damping additions, by carrying out two-dimension vibration tests. As a result of uniform flow and turbulent flow, the study shows that because the basic ${\pi}$-type cross-section alone can have efficient wind resistant stability, there is no need to have additional aerodynamic damping equipment. Since this four 230m-main-span bridge has a large frequency and also has a big stiffness compared to other bridges containing a similar cross-section, it has aerodynamic stability under the design wind speed.
Kim, Sung Bae;Kim, Jang-Ho Jay;Kim, Tae Kyun;Eoh, Cheol Soo
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.30
no.3A
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pp.201-209
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2010
Generally, PSC girder bridge uses total gross cross section to resist applied loads unlike reinforced concrete member. Also, it is used as short and middle span (less than 30 m) bridges due to advantages such as ease of design and construction, reduction of cost, and convenience of maintenance. But, due to recent increased public interests for environmental friendly and appearance appealing bridges all over the world, the demands for longer span bridges have been continuously increasing. This trend is shown not only in ordinary long span bridge types such as cable supported bridges but also in PSC girder bridges. In order to meet the increasing demands for new type of long span bridges, PSC hollow box girder with H-type steel as compression reinforcements is developed for bridge with a single span of more than 50 m. The developed PSC girder applies compressive prestressing at H-type compression reinforcements using unbonded PS tendon. The purpose of compressive prestressing is to recover plastic displacement of PSC girder after long term service by releasing the prestressing. The static test composed of 4 different stages in 3-point bending test is performed to verify safety of the bridge. First stage loading is applied until tensile cracks form. Then in second stage, the load is removed and the girder is unloaded. In third stage, after removal of loading, recovery of remaining plastic deformation is verified as the compressive prestressing is removed at H-type reinforcements. Then, in fourth stage, loading is continued until the girder fails. The experimental results showed that the first crack occurs at 1,615 kN with a corresponding displacement of 187.0 mm. The introduction of the additional compressive stress in the lower part of the girder from the removal of unbonded compressive prestressing of the H-type steel showed a capacity improvement of about 60% (7.7 mm) recovery of the residual deformation (18.7 mm) that occurred from load increase. By using prestressed H-type steel as compression reinforcements in the upper part of cross section, repair and rehabilitation of PSC girders are relatively easy, and the cost of maintenance is expected to decrease.
Park, Kyu-Sik;Jung, Hyung-Jo;Lee, Chong-Heon;Lee, In-Won
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2002.03a
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pp.435-442
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2002
본 연구에서는 사장교의 제어기법 개발을 위한 구조물로 제공되는 벤치마크(benchmark) 사장교에 대해 복합제어 기법을 적용하였다. 이 벤치마크 문제에서는 2003년 완공 예정으로 미국 Missouri 주에 건설 중인 Cape Girardeau 교를 대상 구조물로 고려하였다. Cape Girardeau 교는 New Madrid 지진구역에 위치하고, Mississippi 강을 횡단하는 주요 교량이라는 점 때문에 설계단계에서부터 내진 문제에 대하여 자세하게 고려되었다. 상세 설계도면을 기반으로 하여 교량의 전체적인 거동 특성을 정확하게 나타낼 수 있는 3차원 모델이 만들어졌고, 사장교의 제어 성능에 관련된 평가 기준이 수립되었다. 본 연구에서 사용한 복합제어 기법이란 지진하중으로 인해 구조물에 발생되는 하중을 줄이기 위한 수동제어 기법과 상판변위와 같은 구조물의 응답을 추가적으로 제어하기 위한 능동제어 기법이 결합된 제어방법이다. 수동제어 장치로는 현재 일반적으로 많이 사용되고 있는 납고무받침(lead rubber bearing)을 사용하였다. 능동제어 방법에는 $H_2$/LQG 제어 알고리듬(algorithm)을 사용하였다. 수치해석 결과 제안방법의 성능은 수동제어 방법에 비해 매우 효과적이며, 능동제어 방법에 비해서는 좀더 좋은 제어성능을 나타내었다. 또한, 복합제어 방법은 수동제어 부분 때문에 능동제어 방법에 비해 좀더 신뢰할 수 있는 제어 방법이다. 따라서 제안된 제어방법은 지진하중을 받는 사장교의 제어를 위해 효과적으로 사용될 수 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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