This paper describes a smart structural system, which uses smart materials for real-time monitoring and active control of bolted-joints in steel structures. The goal of this research is to reduce the possibility of failure and the cost of maintenance of steel structures such as bridges, electricity pylons, steel lattice towers and so on. The concept of the smart structural system combines impedance based health monitoring techniques with a shape memory alloy (SMA) washer to restore the tension of the loosened bolt. The impedance-based structural health monitoring (SHM) techniques were used to detect loosened bolts in bolted-joints. By comparing electrical impedance signatures measured from a potentially damage structure with baseline data obtained from the pristine structure, the bolt loosening damage could be detected. An outlier analysis, using generalized extreme value (GEV) distribution, providing optimal decision boundaries, has been carried out for more systematic damage detection. Once the loosening damage was detected in the bolted joint, the external heater, which was bonded to the SMA washer, actuated the washer. Then, the heated SMA washer expanded axially and adjusted the bolt tension to restore the lost torque. Additionally, temperature variation due to the heater was compensated by applying the effective frequency shift (EFS) algorithm to improve the performance of the diagnostic results. An experimental study was conducted by integrating the piezoelectric material based structural health monitoring and the SMA-based active control function on a bolted joint, after which the performance of the smart 'self-monitoring and self-healing bolted joint system' was demonstrated.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.16
no.2
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pp.183-195
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2003
In this study, the method of the finite element modeling for free vibration control of beam-type smart structures with bonded plate-type piezoelectric sensors and actuators is proposed. Constitutive equations for the direct piezoelectric effect and converse piezoelectric effect of piezoelectric materials are considered. By using the variational principle, the equations of motion for the smart beam finite element are derived. The proposed 2-node beam finite element is an isoparametric element based on Timoshenko beam theory. Therefore, by analyzing beam-type smart structures with smart beam finite elements, it is possible to simulate the control of the structural behavior by applying voltages to piezoelectric actuators and monitoring of the structural behavior by sensing voltages of piezoelectric sensors. By using the smart beam finite element and constant-gain feed back control scheme, the formulation of the free nitration control for the beam structures with bonded plate-tyPe Piezoelectric sensors and actuators is proposed.
In this paper the authors address the problem of comparing two different smart damping techniques using the numerical modelling of the electro-mechanical impedance for plate structures partially treated with active constrained layer damping treatments. The paper summarizes the modelling procedures including a finite element formulation capable of accounting for the observed behaviour. The example used is a smart cantilever plate structure containing a viscoelastic material (VEM) layer sandwiched between a piezoelectric constrained layer and the host vibrating plate. Comparisons are made between active constrained layer and active damping only and based on the resonance frequency amplitudes of the electrical admittance numerically evaluated at the surface of the piezoelectric model of the vibrating structure.
Recently, 4D printing technology has received considerable attention in various industries and research fields including soft robotics, tissue engineering, electronics. In 4D printing process, 3D printed object transforms itself into programmed structure by the input of external energy. Thus, this process requires not only smart materials, capable of changing their properties or features in response to external stimuli such as electricity, temperature, light, etc., but also smart structures, multi-material 3D printing, simulation and so on. In this review, the concept, technical elements and potential of 4d printing are presented.
The paper intends to summarize some guidelines for future smart structure system application in military aircraft. This preview of system integration is based upon a review on approximately one and a half decades of application oriented aerospace related smart structures research. Achievements in the area of structural health monitoring, adaptive shape, adaptive load bearing devices and active vibration control have been reached, potentials have been identified, several feasibility studies have been performed and some smart technologies have been already implemented. However the realization of anticipated visions and previously initial timescales announced have been rather too optimistic. The current development shall be based on a more realistic basis including more emphasis on fundamental aircraft strength, stiffness, static and dynamic load and stability requirements of aircraft and interdisciplinary integration requirements and improvements of integrated actors, actuator systems and control systems including micro controllers.
Recently the interest in the safety assessment of civil infrastructures has increased. As bridge structures become large-scale, it is necessary to monitor and maintain the safety of large bridges, which requires smart systems that can make long-term monitoring a reality . Civil engineers have applied monitoring systems to several bridges, such as the New Haeng-Ju Bridge and Riverside Urban Highway Bridge, but these applications have some problems with the sensors for long-term measurement, setup techniques for the bridge monitoring system and the assessment of measured data. In the present study, an optical fiber sensor smart system was tested and confirmed in laboratory tests on the concrete members. By Attaching optical fiber sensors to the structural parts of the Sung-San Bridge, the bridge load test was measured. These smart concrete structure systems can be applied to bridges and the load capacity of the bridge can assessed.
Diaz Lantada, A.;Lafont Morgado, P.;Munoz-Guijosa, J.M.;Munoz Sanz, J.L.;Echavarri Otero, J.;Chacon Tanarro, E.;De la Guerra Ochoa, E.
Smart Structures and Systems
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v.14
no.4
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pp.517-539
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2014
The combined use of smart materials, complementing each others' characteristics and resulting in devices with optimised features, is providing new solutions in many industries. The use of ingenious combinations of smart materials has led to improvements in actuation speed and force, signal-to-noise ratio, sensor precision and unique capabilities such as self-sensing self-healing systems and energy autonomy. This may all give rise to a revival for numerous families of smart materials, for which application proposals had already reached a stationary situation. It may also provide the boost needed for the definitive industrial success of many others. This study focuses on reviewing the proposals, preliminary studies and success cases related to combining smart materials to obtain multifunctional, improved systems. It also examines the most outstanding applications and fields for the combined use of these smart materials. We will also discuss related study areas which warrant further research for the development of novel approaches for demanding applications.
The presence of water inside concrete structures is an essential condition for the deterioration of the structures. The free water in the concrete pores and micro-cracks is the culprit for the durability related problems, such as alkali-aggregate reaction, carbonation, freeze-thaw damage, and corrosion of steel reinforcement. To ensure the integrity and safe operation of the concrete structures, it is very important to monitor water seepage inside the concrete. This paper presents the experimental investigation of water seepage monitoring in a concrete slab using piezoelectric-based smart aggregates. In the experimental setup, an $800mm{\times}800mm{\times}100mm$ concrete slab was fabricated with 15 SAs distributed inside the slab. The water seepage process was monitored through interrogating the SA pairs. In each SA pair, one SA was used as actuator to emit harmonic sine wave, and the other was used as sensor to receive the transmitted stress wave. The amplitudes of the received signals were able to indicate the water seepage process inside the concrete slab.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.16
no.1
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pp.43-51
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2016
A novel vibration control method for vibration reduction of a spacial structure subjected to earthquake excitation was proposed in this study. Generally, spatial structures have various vibration modes involving high-order modes and their natural frequencies are closely spaced. Therefore, in order to control these modes, a spatially distributed MTMDs (Multiple TMDs) method is proposed previously. MR (Magnetorheological) damper were used to enhance the control performance of the MTMDs. Accordingly, MSTMDs (Multiple Smart TMDs) were proposed in this study. An arch structure was used as an example structure because it has primary characteristics of spatial structures and it is a comparatively simple structure. MSTMDs were applied to the example arch structure and the seismic control performance were evaluated based on the numerical simulation. Fuzzy logic control algorithm (FLC) was used to generate command voltages sent for MSTMSs and the FLC was optimized by genetic algorithm. Based on the analytical results, it has been shown that the MSTMDs effectively decreased the dynamic responses of the arch structure subjected to earthquake loads.
Rahmani, Omid;Deyhim, Soroush;Hosseini, S. Amir Hossein
Steel and Composite Structures
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v.27
no.3
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pp.371-388
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2018
In this paper, a new model based on nonlocal high order theory is proposed to study the size effect on the bending of nano-sandwich beams with a compliance core. In this model, in contrast to most of the available sandwich theories, no prior assumptions are made with respect to the displacement field in the core. Herein the displacement and the stress fields of the core are obtained through an elasticity solution. Equations of motion and boundary conditions for nano-sandwich beam are derived by using Hamilton's principle and an analytical solution is presented for simply supported nano-sandwich beam. The results are validated with previous studies in the literature. These results can be utilized in the study of nano-sensors and nano-actuators. The effect of nonlocal parameter, Young's modulus of the core and aspect ratio on the deflection of the nano-sandwich beam is investigated. It is concluded that by including the small-scale effects, the deflection of the skins is increased and by increasing the nonlocal parameter, the influence of small-scale effects on the deflections is increased.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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