Nonlinear time-domain system identification (SI) algorithm is proposed to assess damage in a shear building by synchronously estimating time-varying stiffness and damping parameters using measured acceleration data. Mass properties have been assumed as the a priori known information. Viscous damping was utilized for the current research. To chase possible nonlinear dynamic behavior under severe vibration, an incremental governing equation of vibrational motion has been utilized. Stiffness and damping parameters are estimated at each time step by minimizing the response error between measured and computed acceleration increments at the measured degrees-of-freedom. To solve a nonlinear constrained optimization problem for optimal structural parameters, sensitivities of acceleration increment were formulated with respect to stiffness and damping parameters, respectively. Incremental state vectors of vibrational motion were computed numerically by Newmark-${\beta}$ method. No model is pre-defined in the proposed algorithm for recovering the nonlinear response. A time-window scheme together with Monte Carlo iterations was utilized to estimate parameters with noise polluted sparse measured acceleration. A moving average scheme was applied to estimate the time-varying trend of structural parameters in all the examples. To examine the proposed SI algorithm, simulation studies were carried out intensively with sample shear buildings under earthquake excitations. In addition, the algorithm was applied to assess damage with laboratory test data obtained from free vibration on a three-story shear building model.
Based on translation models, both Gaussian and non-Gaussian wind fields are generated using spectral representation method for investigating the influence of non-Gaussian characteristics and directivity effect of wind load on fatigue damage of wind turbine. Using the blade aerodynamic model and multi-body dynamics, dynamic responses are calculated. Using linear damage accumulation theory and linear crack propagation theory, crack initiation life and crack propagation life are discussed with consideration of the joint probability density distribution of the wind direction and mean wind speed in detail. The result shows that non-Gaussian characteristics of wind load have less influence on fatigue life of wind turbine in the area with smaller annual mean wind speeds. Whereas, the influence becomes significant with the increase of the annual mean wind speed. When the annual mean wind speeds are 7 m/s and 9 m/s at hub height of 90 m, the crack initiation lives under softening non-Gaussian wind decrease by 10% compared with Gaussian wind fields or at higher hub height. The study indicates that the consideration of the influence of softening non-Gaussian characteristics of wind inflows can significantly decrease the fatigue life, and, if neglected, it can result in non-conservative fatigue life estimates for the areas with higher annual mean wind speeds.
The presented paper considers infill masonry walls' influence on the seismic reliability of precast concrete frames. The recent Bojnord earthquake on May 13th, 2017 in Iran (MW 5.4) illustrated that the infill masonry walls play a crucial role in the damage extent and life safety issues of inhabitants in the precast concrete buildings. The incremental dynamic analysis (IDA) approach was used to determine the fragility curves of the represented damaged precast frame. Then, by integrating site hazard and structural fragilities, the seismic reliability of the represented precast frame was evaluated in different damage limit states. Additionally, the static pushover analysis (SPA) approach was used to assess the seismic performance assessment of the precast frame. Bare and infilled frames were modeled as 2D frames employing the OpenSees software platform. The multi-strut macro-model method was employed for infill masonry simulation. Also, a relatively efficient and straightforward nonlinear model was used to simulate the nonlinear behavior of the precast beam-column joint. The outputs show that consideration of the masonry infilled wall effect in all spans of the structural frame leads to a decrease in the possibility of exceedance of specified damage limit states in the structures. In addition, variation of hazard curves for buildings with and without consideration of infilled walls leads to a decrease in the reliability of the building's frames with masonry infilled walls. Furthermore, the lack of infill walls in the first story significantly affects the precast concrete frame's seismic reliability and performance.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.17
no.1
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pp.124-132
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2013
Damage location and extent could be detected by the inverse analysis on dynamic response of the damaged structure. In general, detection of damage location is possible by the observation of the mode shape difference between undamaged and damaged structure and assessment of stiffness reduction is possible by the observation of the natural frequency difference of them. The study on damage detection by the dynamic response in civil structures is reported enough and in practical use, but in building structures it is reported seldom due to several problems. The purpose of this study is to present the damage detection method on shear building structures by mode shape. The damage location index using 1st mode shape is observed theoretically to find out damage location. The damage detection method is applied to numerical analysis model such as MATLAB and MIDAS GENw for the verification. Finally the shaking table test on 3 story shear building is performed for the examination of the damage detection method. In shaking table results, as the story stiffness decrease by 25% the 1st mode frequency increase by 12%, and the damage location index represents minus at damaged story.
Nam, Hyun Suk;Kim, Ji Soo;Kim, Jin Weon;Kim, Yun Jae
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.40
no.2
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pp.167-173
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2016
This paper proposes ductile failure simulation under high strain rate conditions using finite element (FE) analyses. In order to simulate a cracked component under a high strain rate condition, this paper applies the stress-modified fracture strain model combined with the Johnson/Cook model. The stress-modified fracture strain model determines the incremental damage in terms of stress triaxiality (${\sigma}_m/{\sigma}_e$) and fracture strain (${\varepsilon}_f$) for a dimple fracture using the tensile test results. To validate the stress-modified fracture strain model under dynamic loading conditions, the parameters are calibrated using the tensile test results under various strain rates and the fracture toughness test results under quasi-static conditions. The calibrated damage model predicts the CT test results under a high strain rate. The simulated results were then compared with the experimental data.
The paper presents experimental and numerical studies carried out on low-rise RC frames, typically found in developing countries. Shake table tests were conducted on 1:3 reduced scaled two-story RC frames that included a code conforming SMRF model and another non-compliant model. The later was similar to the code conforming model, except, it was prepared in concrete having strength 33% lower than the design specified, which is commonly found in the region. The models were tested on shake table, through multiple excitations, using acceleration time history of 1994 Northridge earthquake, which was linearly scaled for multi-levels excitations in order to study the structures' damage mechanism and measure the structural response. A representative numerical model was prepared in finite element based program SeismoStruct, simulating the observed local damage mechanisms (bar-slip and joint shear hinging), for seismic analysis of RC frames having weaker beam-column joints. A suite of spectrum compatible acceleration records was obtained from PEER for incremental dynamic analysis of considered RC frames. The seismic performance of considered RC frames was quantified in terms of seismic response parameters (seismic response modification, overstrength and displacement amplification factors), for critical comparison.
The blade failures are identified as the leading cause of unplanned outages for steam turbine. Most investigations of the failures are limited to material tests, chemical analysis of deposits, and possibly examination of material specimens. But to correct a blading problem requires more than positive identification of the mechanisms involved. An analytic procedure capable of predicting stress and dynamic characteristics of turbine blades is presented to increase steam turbine availability by decreasing blade failures. Finite element method is used to model and predict natural frequencies, steady and dynamic stresses of turbine blades. The procedure is illustrated by the case study. This procedure is used to guide, and support the plant manager's decision to avoid a costly, unplanned outage
Hong Seong-Wook;Patrangenaru Vlad;Singhose William;Sprigle Stephen
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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v.7
no.3
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pp.66-71
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2006
Some wheelchair users with neuromuscular disorders experience involuntary extensor thrusts, which may cause injuries via impact with the wheelchair, cause the user to slide out of the wheelchair seat, and damage the wheelchair. Knowledge of the human-generated forces during an extensor thrust is of great importance in devising safer, more comfortable wheelchairs. This paper presents an efficient method for identifying human-generated forces during an extensor thrust. We used an inverse dynamic approach with a three-link human body model and a system for measuring human body motion. We developed an experimental system that determines the angular motion of each human body segment and the force at the footrest, which was used to overcome the mathematical indeterminacy of the problem. The proposed method was validated experimentally, illustrating the force-identification process during an extensor thrust.
The conventional single-degree-of-freedom (SDOF) system is appropriate for dynamic response analysis of paneltype structures without an opening. However, the typical building structures usually have four-sided fixed walls having an opening. Therefore, it may induce a considerable error when dynamic responses are estimated based on the conventional SDOF system, since the SDOF system cannot consider the effect of an opening during the SDOF analysis. For this reason, this study proposes a new SDOF system to consider the effect of an opening by adjusting its load-mass factor. The load-mass factor can be modified based on the assumption that the behaviors of the four-sided fixed wall with an opening is very similar to the behaviors of the same size wall without an opening, when the uniformly distributed blast loaded area is identical. In order to confirm a feasibility of the proposed SDOF system, a series of numerical simulations were carried out for the four-sided fixed reinforced concrete (RC) wall under a blast load. The dynamic responses estimated from the proposed SDOF system and the conventional SDOF system were compared with the dynamic responses evaluated from the finite element (FE) analysis. Especially, for the maximum dynamic responses except for 50% opening case, the proposed SDOF system had about 1.1% to 25.7% normalized errors while the conventional SDOF system had about 4.1% to 49.1% normalized errors.
Khatir, S.;Khatir, T.;Boutchicha, D.;Le Thanh, C.;Tran-Ngoc, H.;Bui, T.Q.;Capozucca, R.;Abdel-Wahab, M.
Smart Structures and Systems
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v.25
no.5
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pp.605-617
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2020
The existence of damages in structures causes changes in the physical properties by reducing the modal parameters. In this paper, we develop a two-stages approach based on normalized Modal Strain Energy Damage Indicator (nMSEDI) for quick applications to predict the location of damage. A two-dimensional IsoGeometric Analysis (2D-IGA), Machine Learning Algorithm (MLA) and optimization techniques are combined to create a new tool. In the first stage, we introduce a modified damage identification technique based on frequencies using nMSEDI to locate the potential of damaged elements. In the second stage, after eliminating the healthy elements, the damage index values from nMSEDI are considered as input in the damage quantification algorithm. The hybrid of Teaching-Learning-Based Optimization (TLBO) with Artificial Neural Network (ANN) and Particle Swarm Optimization (PSO) are used along with nMSEDI. The objective of TLBO is to estimate the parameters of PSO-ANN to find a good training based on actual damage and estimated damage. The IGA model is updated using experimental results based on stiffness and mass matrix using the difference between calculated and measured frequencies as objective function. The feasibility and efficiency of nMSEDI-PSO-ANN after finding the best parameters by TLBO are demonstrated through the comparison with nMSEDI-IGA for different scenarios. The result of the analyses indicates that the proposed approach can be used to determine correctly the severity of damage in beam structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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