The Ting Kau Bridge in Hong Kong is a cable-stayed bridge comprising two main spans and two side spans. The bridge deck is supported by three towers, an end pier and an abutment. Each of the three towers consists of a single reinforced concrete mast which reduces its section in steps, and it is strengthened by transverse cables and struts in the transverse vertical plane. The bridge deck is supported by four inclined planes of cables emanating from anchorages at the tower tops. In view of the threat from typhoons, the dynamic behaviour of long-span cable-supported bridges in the region is always an important consideration in their design. This paper is devoted to the ambient vibration measurements of the bridge for evaluation of dynamic characteristics including the natural frequencies and mode shapes. It also describes the modelling of the bridge. A few finite element models are developed and calibrated to match with the field data and the results of subsequent structural health monitoring of the bridge.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.14
no.1
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pp.77-85
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2001
본 연구에서는 차량하중에 의한 상시진동기록을 이용한 교량의 손상추정기법을 연구하였다. 즉, 차량진행 중 측정된 신호로부터 구조물의 모드특성을 구하고, 이를 이용하여 손상위치 및 손상정도를 추정하는 알고리즘을 제안하였다. 제안기법의 검증을 위하여 차량하중을 재하할 수 있는 모형교량을 제작하여 손상실험을 수행하였다. 차량진행 중 교량의 수직가속도를 계측하였으며, 측정된 가속도시계열로부터 random decrement(RD) 기법을 사용하여 자유진동신호를 구한 후, 이로부터 구조물의 모드특성을 추정하였다. 추정된 모드특성을 기초로 신경망기법을 적용하여 손상위치 및 손상정도를 추정하였으며, 추정된 결과는 실제 손상과 비교적 잘 일치하였다.
Mode shape expansion is useful in structural dynamic studies such as vibration based structural health monitoring; however most existing expansion methods can not consider the modelling errors in the finite element model and the measurement uncertainty in the modal properties identified from vibration data. This paper presents a reliable approach for expanding mode shapes with consideration of both the errors in analytical model and noise in measured modal data. The proposed approach takes the perturbed force as an unknown vector that contains the discrepancies in structural parameters between the analytical model and tested structure. A regularisation algorithm based on the Tikhonov solution incorporating the L-curve criterion is adopted to reduce the influence of measurement uncertainties and to produce smooth and optimised expansion estimates in the least squares sense. The Canton Tower benchmark problem established by the Hong Kong Polytechnic University is then utilised to demonstrate the applicability of the proposed expansion approach to the actual structure. The results from the benchmark problem studies show that the proposed approach can provide reliable predictions of mode shape expansion using only limited information on the operational modal data identified from the recorded ambient vibration measurements.
It is very common to find an empirical formulation in an earthquake design code to calculate fundamental vibration period of a structural system. Fundamental vibration period or frequency is a key parameter to provide adequate information pertinent to dynamic characteristics and performance assessment of a structure. This parameter enables to assess seismic demand of a structure. It is possible to find an empirical formulation related to reinforced concrete structures, masonry towers and slender masonry structures. Calculated natural vibration frequencies suggested by empirical formulation in the literatures has not suits in a high accuracy to the case of rest of the historical masonry bridges due to different construction techniques and wide variety of material properties. For the listed reasons, estimation of fundamental frequency gets harder. This paper aims to present an empirical formulation through Mean Square Error study to find ambient vibration frequency of historical masonry bridges by using a non-linear regression model. For this purpose, a series of data collected from literature especially focused on the finite element models of historical masonry bridges modelled in a full scale to get first global natural frequency, unit weight and elasticity modulus of used dominant material based on homogenization approach, length, height and width of the masonry bridge and main span length were considered to predict natural vibration frequency. An empirical formulation is proposed with 81% accuracy. Also, this study draw attention that this accuracy decreases to 35%, if the modulus of elasticity and unit weight are ignored.
In this article, the dynamic parameters (frequencies, mode shapes, damping ratios) of the scaled concrete structure and the dynamic parameters (frequencies, mode shapes, damping ratios) of the entire outer surface of titanium dioxide, 80 micron in thickness are compared using operational modal analysis method. Ambient excitation was provided from micro tremor ambient vibration data on ground level. Enhanced Frequency Domain Decomposition (EFDD) was used for the output only modal identification. From this study, a good correlation between mode shapes was found. Titanium dioxide applied to the entire outer surface of the scaled concrete structure has an average of 11.78% difference in frequency values and 10.15% in damping ratios, proving that nanomaterials can be used to increase rigidity in structures, in other words, for reinforcement. Another important result determined in the study was the observation of the adherence of titanium dioxide and similar nanomaterials mentioned in the introduction to concrete structure surfaces was at the highest level.
The dynamic properties (frequencies, mode shapes, damping ratios) of the scaled WPC warehouse are compared using the operational modal analysis approach to the dynamic parameters (frequencies, mode shapes, damping ratios) of the full outer surface of titanium dioxide, 70 micron in thickness. Micro tremor ambient vibration data on ground level was used to provide ambient excitation. For the output-only modal identification, Enhanced Frequency Domain Decomposition (EFDD) was used. This study discovered a strong correlation between mode shapes. Titanium dioxide applied to the entire outer surface of the scaled WPC warehouse results in an average 14.05 percent difference in frequency values and 7.61 percent difference in damping ratios, demonstrating that nanomaterials can be used to increase rigidity in structures, or for reinforcement. Another significant finding in the study was the highest level of adherence of titanium dioxide and similar nanomaterials mentioned in the introduction to WPC structure surfaces.
In research conducted on a southwestern Korean offshore meteorological tower, acceleration datasets were gathered over half a year with time-history sensors. To enhance data credibility, a parallel measurement system was used for verification. A model of the tower was configured using beam elements, and with modifications accounting for added stiffness from auxiliary structures. Ground interactions were considered as calibrated springs based on soil layer properties. The tower's dynamic attributes and mass sensitivity were discerned using eigenvalue analysis. The structural natural frequency was consistent, with variations primarily due to new equipment adding approximately 1400 kgs. With free vibration damping assumptions, a damping ratio of roughly 1 % was derived.
We installed temporary strong motion seismometers at the ground surface, 1 m, 2 m, and 9 m at an existing seismic station that houses permanent seismometers installed at 20 m and 100 m, to investigate the influence of installation depth on the recorded ambient and anthropogenic noise level and the characteristics of earthquake signals. Analysis of the ambient noise shows that anthropogenic noise dominates where vibration period T < 1 s at the studied site, whereas wind speed appears to be strongly correlated with the noise level at T > 1 s. Frequency-wavenumber analysis of 2D seismometer array suggests that ambient noise in short periods are predominantly body waves, rather than surface waves. The level of ambient noise was low at 9 m and 20 m, but strong amplification of noise level at T < 0.1 s was observed at the shallow seismometers. Both the active-source test result and the recorded earthquake data demonstrated that the signal level is decreased with the increase of depth. Our result also shows that recorded motions at the ground and 1 m are strongly amplified at 20 Hz (T = 0.05 s), likely due to the resonance of the 3 m thick soil layer. This study demonstrates that analysis of ambient and active-source vibration may help find optimal installation depth of strong motion seismometers. We expect that further research considering various noise environments and geological conditions will be helpful in establishing a guideline for optimal installation of strong motion seismometers.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.8
no.1
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pp.165-174
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2004
This research develops a technique which uses energy dissipation ratio in order to monitor the structural health on real time basis. For real-time monitoring, we employ the NExT and the ERA which enable us to obtain real-time data. Energy dissipation ratio is calculated from those data only with the damping and natural frequency of the structure, and from the calculated values we develop an algorithm (Energy dissipation method) which decides the damage degree of structure. The Energy dissipation method developed in this research is proved to be valid by comparison with other methods like the eigenparameter method and the MAC. Especially this method enables us to save measuring time and data which are the most important in real-time monitoring, and its use of the ambient vibration also makes it easy to monitor the whole structure and its damage points.
The first seismically isolated structure in Taiwan was completed in early 1999. Seven new bridges of the Second National Freeway located at Bai-Ho area, a region which is considered to be of high seismic risk, have been designed and constructed with lead-rubber seismic isolation bearings. Since this is the first application of seismic isolation method to the practical construction in Taiwan, field tests were conducted for one of the seven bridges to evaluate the assumptions and uncertainties in the design and construction. The test program is composed of ambient vibration tests, forced vibration tests, and free vibration tests. For the free vibration tests, a special test setup composed of four 1000 kN hydraulic jacks and a quick-release mechanism was designed to perform the function of push-and-quick release. Valuable results have been obtained based on the correlation between measured and analytical data so that the analytical model can be calibrated. Based on the analytical correlation, it is concluded that the dynamic characteristics and free vibration behavior of the isolated bridge can be well captured when the nonlinear properties of the bearings are properly considered in the modeling.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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