This paper proposes a novel approach to model updating for a large-scale cable-stayed bridge based on ambient vibration tests coupled with a hybrid metaheuristic search algorithm. Vibration measurements are carried out under excitation sources of passing vehicles and wind. Based on the measured structural dynamic characteristics, a finite element (FE) model is updated. For long-span bridges, ambient vibration test (AVT) is the most effective vibration testing technique because ambient excitation is freely available, whereas a forced vibration test (FVT) requires considerable efforts to install actuators such as shakers to produce measurable responses. Particle swarm optimization (PSO) is a famous metaheuristic algorithm applied successfully in numerous fields over the last decades. However, PSO has big drawbacks that may decrease its efficiency in tackling the optimization problems. A possible drawback of PSO is premature convergence leading to low convergence level, particularly in complicated multi-peak search issues. On the other hand, PSO not only depends crucially on the quality of initial populations, but also it is impossible to improve the quality of new generations. If the positions of initial particles are far from the global best, it may be difficult to seek the best solution. To overcome the drawbacks of PSO, we propose a hybrid algorithm combining GA with an improved PSO (HGAIPSO). Two striking characteristics of HGAIPSO are briefly described as follows: (1) because of possessing crossover and mutation operators, GA is applied to generate the initial elite populations and (2) those populations are then employed to seek the best solution based on the global search capacity of IPSO that can tackle the problem of premature convergence of PSO. The results show that HGAIPSO not only identifies uncertain parameters of the considered bridge accurately, but also outperforms than PSO, improved PSO (IPSO), and a combination of GA and PSO (HGAPSO) in terms of convergence level and accuracy.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2001.11a
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pp.155-160
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2001
Actual engineering structure is frequently very complex, and parts of structure are designed independently by different engineers. Also each structure contains so many degree of freedom. For these reason, methods have been developed which permits the structure to be divided into components or substructures, with analysis being done on a small substructure in order to obtain a full structural system. In such case, because of different mesh size among finite element model (FEM) or different matching points among FEM models and experimentally obtained models, their interfacing points may be non-matching. Solving this non-matching problem is useful to other application such as structural dynamic modification or model updating. In this work, virtual node concept is introduced. Lagrange multipliers are used to enforce the interface compatibility constraint, and interface displacement is approximated by polynomial presentation. The governing equation of whole structure is derived using hybrid variational principle. The eigenvalue of whole structure are calculated using the determinant search method. The number of degree of freedom in the eigenvalue problem can be drastically reduced to just the number of interface degree of freedom. Some numerical simulation is performed to show usefulness of synthesis method.
Reinforced concrete buildings constitute the majority of the building stock of Turkey and much of them, do not comply the earthquake codes. Recently there is a great tendency for strengthening to heal their earthquake performance. The performance evaluations are usually executed by the numerical investigations performed in computer packages. However, the numerical models are often far from representing the real behaviour of the existing buildings. In this condition, experimental modal analysis fills a gap to correct the numerical models to be used in further analysis. On the other hand, there have been a few dynamic tests performed on the existing reinforced concrete buildings. Especially forced vibration survey is not preferred due to the inherent difficulties, high cost and probable risk of damage. This study applies both ambient and forced vibration surveys to investigate the dynamic properties of a six-story residential building in Istanbul. Mode shapes, modal frequencies and damping ration were determined. Later on numerical analysis with finite element method was performed. Based on the first three modes of the building, a model updating strategy was employed. The study enabled to compare the results of ambient and forced vibration surveys and check the accuracy of the numerical models used for the performance evaluation of the reinforced concrete buildings.
The effects of foundation scour depth and riverbed condition on the natural frequencies of a typical cross-river integral abutment bridge have been studied. The conventional operational modal analysis technique has been employed in order to extract the modal properties of the bridge and the results have been used in the Finite Element (FE) model updating procedure. Two tests have been carried out in two different levels of water and wet condition of the riverbed. In the first test, the riverbed was in dry condition for two subsequent years and the level of water was 10 meter lower than the natural riverbed. In the second test, the river was opened to water flow from the upstream dam and the level of water was 2 meter higher than the natural riverbed. The results of these two tests have also been used in order to find to what extend the presence of water flow in the river and saturation of the surrounding soil affect the bridge natural frequencies. Finally, the updated FE model of the bridge has been applied in a series of parametric analyses incorporating the effect of piles' relative scour depth on the bridge natural frequency of the first four vibration modes.
Miranda, Marcela P.;Tamayo, Jorge L.P.;Morsch, Inacio B.
Structural Engineering and Mechanics
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v.81
no.5
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pp.617-631
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2022
In this paper the viscoelastic responses of four experimental steel-concrete composite beams subjected to highly variable environmental conditions are investigated by means of a finite element (FE) model. Concrete specimens submitted to stepped stress changes are also evaluated to validate the current formulations. Here, two well-known approaches commonly used to solve the viscoelastic constitutive relationship for concrete are employed. The first approach directly solves the integral-type form of the constitutive equation at the macroscopic level, in which aging is included by updating material properties. The second approach is postulated from a rate-type law based on an age-independent Generalized Kelvin rheological model together with Solidification Theory, using a micromechanical based approach. Thus, conceptually both approaches include concrete hardening in two different manners. The aim of this work is to compare and analyze the numerical prediction in terms of long-term deflections of the studied specimens according to both approaches. To accomplish this goal, the performance of several well-known model codes for concrete creep and shrinkage such as ACI 209, CEB-MC90, CEB-MC99, B3, GL 2000 and FIB-2010 are evaluated by means of statistical bias indicators. It is shown that both approaches with minor differences acceptably match the long-term experimental deflection and are able to capture complex oscillatory responses due to variable temperature and relative humidity. Nevertheless, the use of an age-independent scheme as proposed by Solidification Theory may be computationally more advantageous.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.35
no.9
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pp.983-989
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2011
A numerical algorithm for predicting fretting wear was developed using the boundary element method (BEM). A contact analysis was performed numerically using the relation between the elastic displacement and uniformly distributed loading of a rectangular patch on a semi-infinite solid. Geometrical updating based on nodal wear depths was performed. The wear depths were computed using the Archard's equation for sliding wear. In order to investigate the efficiency of BEM for predicting fretting wear, a problem involving a two-dimensional cylinder on a flat contact was analyzed, comparing it with the simulation model proposed by McColl et al. that was based on the finite element method. The developed method was then applied to the analysis of a spherical contact and it was shown that the developed simulation technique could efficiently predict fretting wear. Moreover, the effect of a step cycle on the solution obtained by the developed method was investigated.
This paper presents the structural health monitoring (SHM) of Shanghai Tower. In order to provide useful information for safety evaluation and regular maintenance under construction and in-service condition, a comprehensive structural health monitoring (SHM) system is installed in Shanghai Tower, which is composed of a main monitoring station and eleven substations. Structural responses at different construction stages are measured using this SHM system and presented in this study. Meanwhile, a detailed finite element model (FEM) is created and comparison of results between SHM and FEM is carried out. Results indicate that the time-dependent property of concrete creep is of great importance to structural response and the measured data can be used in FEM updating to obtain more accurate FEM models at different construction stages. Therefore, installation of structural health monitoring system in super-tall buildings could be considered as an effective way to assure structural safety during the construction process.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2011.04a
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pp.27-31
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2011
차량의 대형화 및 고속화, 그리고 기존 교량의 노후화를 고려하였을 때, 교량의 건전성 평가는 매우 중요해지고 있다. 거동을 예측하는데 사용되는 유한요소 모델의 신뢰도는 이상적인 가정과 모델링 오차, 교량의 노후화 등에 의해 실제 거동을 반영하지 못하는 경우가 많다. 유한요소 모델의 신뢰도를 높이기 위해, 실제 교량의 거동을 계측하여, 이를 기반으로 물리적 의미를 가지는 변수들과 지점의 조건을 수정하는 모델의 개선이 주로 행해진다. 이러한 모델 개선은 최적화 기법을 통해 수행된다. 본 연구에서는 목적함수간 가중치에 의한 모델 개선 결과의 영향과 다중 목적 함수 최적화 기법을 통해, 가중치의 영향을 줄이고, 다양한 개선 모델들을 구하는데 적용하였다. 팔곡 3교의 실제 계측 데이터를 이용하여 단일 다중 목적 함수 기반의 모델 개선을 수행하였다. 단일 목적 함수의 경우, 정의되는 목적함수는 주로 고유진동수와 모드 형상에 관한 차이의 가중치 합으로 표현되어 지며, 이러한 가중치에 따라, 모델 개선의 결과에 영향을 가함을 확인하였다. 다중 목적 함수 기반의 모델 개선을 통해, 구해진 모델 개선 결과를 단일 목적 함수 기반 모델 개선의 결과들과 비교하였으며, 모델 개선에 대한 다중 목적 함수 최적화 적용을 분석하였다.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.8
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pp.1105-1111
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2010
The Korea Atomic Energy Research Institutes has been developing the SMART (System integrated Modular Advanced ReacTor), an environment-friendly nuclear reactor for the generation of electricity and to perform desalination. SMART reactors can be exposed to various external and internal loads caused by seismic and coolant flows. The CRDM(control rod drive mechanism), one of structures of the SMART, is a component which is adjusting inserting amount of a control rod, controlling output of reactor power and in an emergency situation, inserting a control rod to stop the reactor. The purpose of this research is performing the analysis of dynamic characteristic to ensure safety and integrity of structure of CRDM. This paper presents two FE-models, 3-D solid model and simplified Beam model of the CRDM in the coolant, and then compared the results of the dynamic characteristic about the two FE-models using a commercial Finite Element tool, ABAQUS CAE V6.8 and ANSYS V12. Beam 4 and beam 188 of simplified-model were also compared each other. And simplified model is updated for accuracy compare to 3-D solid.
Structural identification or St-Id is 'the parametric correlation of structural response characteristics predicted by a mathematical model with analogous characteristics derived from experimental measurements'. This paper describes a St-Id exercise on Humber Bridge that adopted a novel two-stage approach to first calibrate and then validate a mathematical model. This model was then used to predict effects of wind and temperature loads on global static deformation that would be practically impossible to observe. The first stage of the process was an ambient vibration survey in 2008 that used operational modal analysis to estimate a set of modes classified as vertical, torsional or lateral. In the more recent second stage a finite element model (FEM) was developed with an appropriate level of refinement to provide a corresponding set of modal properties. A series of manual adjustments to modal parameters such as cable tension and bearing stiffness resulted in a FEM that produced excellent correspondence for vertical and torsional modes, along with correspondence for the lower frequency lateral modes. In the third stage traffic, wind and temperature data along with deformation measurements from a sparse structural health monitoring system installed in 2011 were compared with equivalent predictions from the partially validated FEM. The match of static response between FEM and SHM data proved good enough for the FEM to be used to predict the un-measurable global deformed shape of the bridge due to vehicle and temperature effects but the FEM had limited capability to reproduce static effects of wind. In addition the FEM was used to show internal forces due to a heavy vehicle to to estimate the worst-case bearing movements under extreme combinations of wind, traffic and temperature loads. The paper shows that in this case, but with limitations, such a two-stage FEM calibration/validation process can be an effective tool for performance prognosis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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