In modal analysis, the mode shape reflects the vibration characteristics of the structure, and thus it is widely performed for finite element model updating and structural health monitoring. Generally, the acceleration-based mode shape is suitable to express the characteristics of structures for the translational vibration; however, it is difficult to represent the rotational mode at boundary conditions. A tilt sensor and gyroscope capable of measuring rotational mode are used to analyze the overall behavior of the structure, but extracting its mode shape is the major challenge under the small vibration always. Herein, we conducted a feasibility study on a multi-mode shape estimating approach utilizing a single physical quantity signal. The basic concept of the proposed method is to receive multi-metric dynamic responses from two sensors and obtain mode shapes through bridge loading test with relatively large deformation. In addition, the linear transformation matrix for estimating two mode shapes is derived, and the mode shape based on the gyro sensor data is obtained by acceleration response using ambient vibration. Because the structure's behavior with respect to translational and rotational mode can be confirmed, the proposed method can obtain the total response of the structure considering boundary conditions. To verify the feasibility of the proposed method, we pre-measured dynamic data acquired from five accelerometers and five gyro sensors in a lab-scale test considering bridge structures, and obtained a linear transformation matrix for estimating the multi-mode shapes. In addition, the mode shapes for two physical quantities could be extracted by using only the acceleration data. Finally, the mode shapes estimated by the proposed method were compared with the mode shapes obtained from the two sensors. This study confirmed the applicability of the multi-mode shape estimation approach for accurate damage assessment using multi-dimensional mode shapes of bridge structures, and can be used to evaluate the behavior of structures under ambient vibration.
Due to its easy operation and wide applicability, the ambient vibration method is commonly adopted to determine the cable force by first identifying the cable frequencies from the vibration signals. With given vibration length and flexural rigidity, an analytical or empirical formula is then used with these cable frequencies to calculate the cable force. It is, however, usually difficult to decide the two required parameters, especially the vibration length due to uncertain boundary constraints. To tackle this problem, a new concept of combining the modal frequencies and mode shape ratios is fully explored in this study for developing an accurate method merely based on ambient vibration measurements. A simply supported beam model with an axial tension is adopted and the effective vibration length of cable is then independently determined based on the mode shape ratios identified from the synchronized measurements. With the effective vibration length obtained and the identified modal frequencies, the cable force and flexural rigidity can then be solved using simple linear regression techniques. The feasibility and accuracy of the proposed method is extensively verified with demonstrative numerical examples and actual applications to different cable-stayed bridges. Furthermore, several important issues in engineering practice such as the number of sensors and selection of modes are also thoroughly investigated.
Pei Yi Siow;Zhi Chao Ong;Shin Yee Khoo;Kok-Sing Lim;Bee Teng Chew
Smart Structures and Systems
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v.31
no.5
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pp.485-500
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2023
Machine learning-based structural health monitoring (ML-based SHM) methods are researched extensively in the recent decade due to the availability of advanced information and sensing technology. ML methods are well-known for their pattern recognition capability for complex problems. However, the main obstacle of ML-based SHM is that it often requires pre-collected historical data for model training. In most actual scenarios, damage presence can be detected using the unsupervised learning method through anomaly detection, but to further identify the damage types would require prior knowledge or historical events as references. This creates the cold-start problem, especially for new and unobserved structures. Modal-based methods identify damages based on the changes in the structural global properties but often require dense measurements for accurate results. Therefore, a two-stage hybrid modal-machine learning damage detection scheme is proposed. The first stage detects damage presence using Principal Component Analysis-Frequency Response Function (PCA-FRF) in an unsupervised manner, whereas the second stage further identifies the damage. To solve the cold-start problem, mode shape assessment using the first mode is initiated when no trained model is available yet in the second stage. The damage identified by the modal-based method would be stored for future training. This work highlights the performance of the scheme in alleviating the cold-start issue as it transitions through different phases, starting from zero damage sample available. Results showed that single and multiple damages can be identified at an acceptable accuracy level even when training samples are limited.
A three-dimensional finite element model for the Jiashao Bridge, the longest multi-span cable-stayed bridge in the world, is established using the commercial software package ANSYS. Dynamic characteristics of the bridge are analyzed and the effects of structural system measures including the rigid hinge, auxiliary piers and longitudinal constraints between the girders and side towers on the dynamic properties including modal frequency, mode shape and effective mass are studied by referring to the Jiashao Bridge. The analysis results reveal that: (i) the installation of the rigid hinge significantly reduces the modal frequency of the first symmetric lateral bending mode of bridge deck. Moreover, the rigid hinge significantly changes the mode shape and effective mass of the first symmetric torsional mode of bridge deck; (ii) the layout of the auxiliary piers in the side-spans has a limited effect on changing the modal frequencies, mode shapes and effective masses of global vibration modes; (iii) the employment of the longitudinal constraints significantly increases the modal frequencies of the vertical bending modes and lateral bending modes of bridge deck and have significant effects on changing the mode shapes of vertical bending modes and lateral bending modes of bridge deck. Moreover, the effective mass of the first anti-symmetric vertical bending of bridge deck in the longitudinal direction of the fully floating system is significantly larger than that of the partially constrained system and fully constrained system. The results obtained indicate that the structural system measures of the multi-span cable-stayed bridge have a great effect on the dynamic properties, which deserves special attention for seismic design and wind-resistant design of the multi-span cable-stayed bridge.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.15
no.2
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pp.209-218
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2002
The Vector Random Decrement technique has been developed as an efficient method for transforming ambient responses into free decays of linear structures. It is shown that the VRD functions nay contain as much information about the modes as the really measured free decay responses. In this paper, the theory of the VRD technique is extended by applying the concept of the mode shape ratio into the Ibrahim Time Domain modal parameter identification algorithm. The VRD function is not shifted in the correction procedures for constant time shifts of the proposed VRD technique. Thus, a number of points equal to the largest of the time shifts used in the vector triggering condition are not deleted. In the VRD functions, any influence of the input to the system is averaged out. The proposed technique is compared with the traditional VRD technique by assessment of the modal parameters. The applicability of the VRD technique has been justified through a simulation study and a study of the response of a laboratory beam model subject to ambient loads.
Dynamic characteristics of a structure, i.e., natural frequency and mode shape, have been widely using as an input data in the area of structural integrity or health monitoring which combined with the damage evaluation and structural system identification techniques. It is very difficult, however, to get those information by the conventional modal analysis method from large structures, such as the offshore structure or the long-span bridge, since the source of vibration is not available. In this paper, a method to obtain the frequencies and the mode shapes of a large span truss structure using only acceleration responses is studied. The calculation procedures to obtain acceleration responses and frequency response functions are provided utilizing a numerical model of the truss, and the process to extract natural frequencies and mode shapes from the modal analysis is cleary explained. The extracted mode shapes by proposed method are compared with those from eigenvalue analysis for the estimation of accuracy. The validity of the mode shapes is also demonstrated using an existing damage detection technique for the truss structure by simulated damage cases.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2005.05a
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pp.128-131
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2005
Structural Dynamics Modification (SDM) is a very effective technique to improve structure's dynamic characteristics by adding or removing auxiliary structures. changing material properties and shape of structure. Among those of SDM technique, the method to change shape of structure has been mostly relied on engineer's experience and trial-and-error process which are very time consuming. In order to develop a systematic method to change structure shape, surface grooving technique is studied and successfully applied to HDD cover model. To check the effectiveness of this surface grooving technique, the grooved HDD cover design was manufactured using rapid prototyping and experimentally tested to prove the effectiveness of the grooving method as one of SDM techniques. And the modal strain energy and eigenvalue sensitivity method for choosing the initial starting point are compared.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2005.11a
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pp.834-837
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2005
Structural Dynamics Modification (SDM) is a very effective technique to improve structure's dynamic characteristics by adding or removing auxiliary structures, changing material properties and shape of structure. Among those of SDM technique, the method to change shape of structure has been mostly relied on engineer's experience and trial-and-error process which are very time consuming. In order to develop a systematic method to change structure shape, surface grooving technique is studied and successfully applied to HDD cover model. At first, to check the effect of mesh size, surface grooving technique was tested to the fine HDD cover FEmodel. And fur the more efficient method, the algorithm is modified. Removing the low-valued modal strain energy element among the target domain, computational effort can be greatly reduced and the result of simulation is similar with the other simulation result.
Typical size distribution of emission particulates is bi-modal in shape with particles in the fine mode (< 2.0 $\mu\textrm{m}$) and the coarse mode. An experimental study of pressure drop across the industrial gas cleaning filters has been conducted using particle mixture of fine alumina and coarse Arizona dusts with a rotating aerosol disperser to generate the bi-modal test aerosol. Pressure drop increased linearly with increasing mass loading. The pressure drop was found to be strongly dependent upon the mass ratio of fine to coarse particles. The smaller the mass ratio of fine to coarse particles and the higher face velocity are, the faster pressure drop rises. The fine particles and the greater inertia of the particle moving fast would cause a denser cake formation on the filter surface, resulting in a greater specific resistance to the gas flow.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.10
no.3
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pp.227-236
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2002
We have performed two kinds of experimental modal analyses fur a radial tire for passenger car under free-suspension. One is the modal analysis to obtain three-dimensional modes of tire using accelerometers and the other is the one to identify cavity resonance frequency using a pressure sensor. From the first analysis, we have obtained the three-dimensional natural modes, which makes it possible to grasp the features of the modes and to classify the vibrational modes into symmetric, non-symmetric, and antisymmetric modes in a simple way by using the experimental results. From the first and the second experimental analyses we have identified the cavity resonance frequency and its three-dimensional mode shape.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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