This paper investigates the prediction of the dynamic strain response using acceleration response only. Two methods are proposed for the strain prediction; one is based on beam theory and the other is calculated by the frequency response function between acceleration and strain. First, it is estimated the dynamics of the simple notched beam, including the non-linearity, through the uni-axial vibration testing. Then, the dynamic strain response is predicted under two different methods using acceleration response. The validation of proposed methods is conducted by the comparison between measured strain and predicted values. The comparison reveals that the proposed method based on the FRF between acceleration and strain is more reliable one than that stemmed from beam theory and the maximum relative error is less than 8 %.
Bagherahmadi, Seyed Ahdiye;Seyedpoor, Seyed Mohammad
Structural Engineering and Mechanics
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제67권4호
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pp.327-336
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2018
In this study, an efficient damage index is proposed to identify multiple damage cases in structural systems using the concepts of frequency response function (FRF) matrix and strain energy of a structure. The index is defined based on the change of strain energy of an element due to damage. For obtaining the strain energy stored in elements, the columnar coefficients of the FRF matrix is used. The new indicator is named here as frequency response function strain energy based index (FRFSEBI). In order to assess the performance of the proposed index for structural damage detection, some benchmark structures having a number of damage scenarios are considered. Numerical results demonstrate that the proposed index even with considering noise can accurately identify the actual location and approximate severity of the damage. In order to demonstrate the high efficiency of the proposed damage index, its performance is also compared with that of the flexibility strain energy based index (FSEBI) provided in the literature.
It is well known that the properties of the soil deposits, especially the damping, depend on both frequency and strain amplitude. Therefore it is important to consider both dependencies to calculate the soil response against earthquakes in order to estimate input motions to buildings. However, it has been difficult to calculate the seismic response of the soil considering both dependencies directly. The author has studied the time domain evaluation of the frequency dependent dynamic stiffness, and proposed a simple hysteretic damping model that satisfies the causality condition. In this paper, this model was applied to nonlinear analyses considering the effects of the strain amplitude dependency of the soil. The basic characteristics of the proposed method were studied using a two layered soil model. The response behavior was compared with the conventional model e.g. the Ramberg-Osgood model and the SHAKE model. The characteristics of the proposed model were studied with regard to the effects of element divisions and the frequency dependency that is a key feature of the model. The efficiency of the model was confirmed by these studies.
1차원 지반응답해석은 지반에 의한 지진동의 증폭현상을 모사하는 데 널리 사용되고 있다. 가장 널리 사용되고 있는 등가선형 지반응답해석기법은 유효변형률에 상응하는 전단탄성계수와 감쇠비를 전 주파수 영역에 일률적으로 적용하며, 진동주파수에 대한 지반 응답의 영향을 고려하지 않는다. 지반의 비선형 거동을 주파수영역에서 보다 정확하게 모사하기 위하여 진동주파수와 지반거동의 상관관계를 주파수-변형률 곡선으로써 모의하는 등가선형해석기법이 개발되었으며, 이 방법은 기존의 등가선형해석기법에 비하여 정확성을 향상시킨다고 알려져 있다. 이제까지 다양한 형상의 주파수변형률 곡선이 제안되었으며, 이들은 한결같이 해석의 정확성을 증가시킨다고 주장된 바 있다. 본 연구에서는 기존의 연구에서 제안되었건 두 개의 주파수-변형률 관계 완화곡선과 본 연구에서 새롭게 제안된 세 개의 곡선을 이용하여 주파수 의존성을 고려한 등가선형해석기법의 정확성을 검증하였다. 검증에는 세 개의 부지에서 기록된 6개의 지진파가 사용되었다. 해석결과, 완화곡선은 지반응답에 지배적인 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 주파수 의존성을 고려한 해석은 정확성을 향상시킬수 있는 것으로 나타났다. 하지만, 모든 사례에서 가장 정확하게 응답을 예측하는 완화곡선은 없는 것으로 나타났으며, 해석사례별로 최적의 완화곡선이 다른 것으로 나타났다. 따라서, FDEL 해석 수행 시, 다양한 완화곡선을 사용해야 할 것으로 판단되며 등가선형해석과 병행해서 수행되어야 한다고 판단된다.
A strain modal testing method has been applied to a cantilever beam to investigate the characteristics of the method. By applying the method to an analytical and an experimental system, it was shown that accurate modal parameters can be estimated from strain frequency response functions using a current modal parameter extraction algorithm. The modal parameters estimated by the method are more accurate than those by the conventional method which uses accelerometers when the tested system is of light weight. The method can be used to predict strain responses and excitation forces for given excitation forces and responses, respectively. Cracks on a structure can be detected by measuring strian FRFs and comparing them with the original ones.
In the present research, an attempt is made to obtain a semi analytical solution for both nonlinear natural frequency and forced vibration of embedded functionally graded double layered nanoplates with all edges simply supported based on nonlocal strain gradient elasticity theory. The interaction of van der Waals forces between adjacent layers is included. For modeling surrounding elastic medium, the nonlinear Winkler-Pasternak foundation model is employed. The governing partial differential equations have been derived based on the Mindlin plate theory utilizing the von Karman strain-displacement relations. Subsequently, using the Galerkin method, the governing equations sets are reduced to nonlinear ordinary differential equations. The semi analytical solution of the nonlinear natural frequencies using the homotopy analysis method and the exact solution of the nonlinear forced vibration through the Harmonic Balance method are then established. The results show that the length scale parameters give nonlinearity of the hardening type in frequency response curve and the increase in material length scale parameter causes to increase in maximum response amplitude, whereas the increase in nonlocal parameter causes to decrease in maximum response amplitude. Increasing the material length scale parameter increases the width of unstable region in the frequency response curve.
In comparison with conventional shape memory actuated structures, antagonistic shape memory alloy (SMA) actuators permits a fully reversible two-way response and higher response frequency. However, excessive internal stress could adversely reduce the stroke of the actuators under repeated use. The two-way shape memory effect might further decrease the range of the recovered strain under actuation of an antagonistic SMA actuator unless additional components (e.g., spring and stopper) are added to regain the overall actuation capability. In this paper, the performance of all four possible types of SMA actuation schemes is investigated in detail with emphasis on five key properties: recovered strain, cyclic degradation, response frequency, self-sensing control accuracy, and controllable maximum output. The testing parameters are chosen based on the maximization of recovered strain. Three types of these actuators are antagonistic SMA actuators, which drive with two active SMA wires in two directions. The antagonistic SMA actuator with an additional pair of springs exhibits wider displacement range, more stable performance under reuse, and faster response, although accurate control cannot be maintained under force interference. With two additional stoppers to prevent the over stretch of the spring, the results showed that the proposed structure could achieve significant improvement on all five properties. It can be concluded that, the last type actuator scheme with additional spring and stopper provide much better applicability than the other three in most conditions. The results of the performance analysis of all four SMA actuators could provide a solid basis for the practical design of SMA actuators.
Kim, Sang Yeob;Lee, Jong-Sub;Tutumluer, Erol;Byun, Yong-Hoon
Geomechanics and Engineering
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제28권1호
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pp.25-33
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2022
The energy transferred on drill rods by dynamic impact mainly determines the penetration depth for in-situ tests. In this study, the dynamic response and transferred energy of drill rods are determined from the frequency of the stress waves. AW-type drill rods of lengths 1 to 3 m are prepared, and strain gauges and an accelerometer are installed at the head and tip of the connected rods. The drill rods are hung on strings, allowing free vibration, and then impacted by a pendulum hammer with fixed potential energy. Increasing the rod length L increases the wave roundtrip time (2L/c, where c is the wave velocity), and hence the transferred energy at the rod head. At the rod tip, the first velocity peak is higher than the first force peak because a large and tensile stress wave is reflected, and the transferred energy converges to zero. The resonant frequency increases with rod length in the waveforms measured by the strain gauges, and fluctuates in the waveforms measured by the accelerometer. In addition, the dynamic response and transferred energy are perturbed when the cutoff frequency is lower than 2 kHz. This study implies that the resonant frequency should be considered for the interpretation of transferred energy on drill rods.
A strain modal testing method has been applied to a cantilever beam to investigate the characteristics of the method. By applying the method to an analytical and an experimental system, it was shown that accurate modal parameters can be estimated from the FRFs using a current modal parameter extraction algorithm. The modal parameters estimated by the method are more accurate than those by the conventional method which uses accelerometers when the tested system is of light weight. The strain response for a given excitation force and the force which causes the response can be predicted using the measured strain FRFS.
Engineered mixtures composed of rigid sand particles and soft rubber particles are tested to investigate their behavior with strain level. Mixtures are prepared with different volumetric sand fractions (sf) to identify response using small strain resonant column, intermediate strain oedometer, and large strain direct shear tests. The small strain shear modulus and damping ratio are determined with volumetric sand fractions. The asymmetric frequency response curve increases with decreasing sand fraction. Linear responses of shear strain and damping ratio with shear strain are observed at the mixture of sf=0.2. Vertical strain increases with decreasing sand fraction. Mixtures with $04.{\leq}sf{\leq}0.6$ show the transitional stress-deformation behavior from rubber-like to sand-like behavior. The friction angle increases with the sand fraction and no apparent peak strength is observed in mixture without sf=1.0.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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