In modal analysis, the mode shape reflects the vibration characteristics of the structure, and thus it is widely performed for finite element model updating and structural health monitoring. Generally, the acceleration-based mode shape is suitable to express the characteristics of structures for the translational vibration; however, it is difficult to represent the rotational mode at boundary conditions. A tilt sensor and gyroscope capable of measuring rotational mode are used to analyze the overall behavior of the structure, but extracting its mode shape is the major challenge under the small vibration always. Herein, we conducted a feasibility study on a multi-mode shape estimating approach utilizing a single physical quantity signal. The basic concept of the proposed method is to receive multi-metric dynamic responses from two sensors and obtain mode shapes through bridge loading test with relatively large deformation. In addition, the linear transformation matrix for estimating two mode shapes is derived, and the mode shape based on the gyro sensor data is obtained by acceleration response using ambient vibration. Because the structure's behavior with respect to translational and rotational mode can be confirmed, the proposed method can obtain the total response of the structure considering boundary conditions. To verify the feasibility of the proposed method, we pre-measured dynamic data acquired from five accelerometers and five gyro sensors in a lab-scale test considering bridge structures, and obtained a linear transformation matrix for estimating the multi-mode shapes. In addition, the mode shapes for two physical quantities could be extracted by using only the acceleration data. Finally, the mode shapes estimated by the proposed method were compared with the mode shapes obtained from the two sensors. This study confirmed the applicability of the multi-mode shape estimation approach for accurate damage assessment using multi-dimensional mode shapes of bridge structures, and can be used to evaluate the behavior of structures under ambient vibration.
Rezaiguia, A.;Fisli, Y.;Ellagoune, S.;Laefer, D.F.;Ouelaa, N.
Structural Engineering and Mechanics
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v.43
no.1
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pp.71-87
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2012
This paper extends a single equation, semi-analytical approach for three-span bridges to multi-span ones for the rapid and precise determination of natural frequencies and natural mode shapes of an orthotropic, multi-span plate. This method can be used to study the dynamic interaction between bridges and vehicles. It is based on the modal superposition method taking into account intermodal coupling to determine natural frequencies and mode shapes of a bridge deck. In this paper, a four- and a five-span orthotropic roadway bridge deck are compared in the first 10 modes with a finite element method analysis using ANSYS software. This simplified implementation matches numerical modeling within 2% in all cases. This paper verifies that applicability of a single formula approach as a simpler alternative to finite element modeling.
This paper presents an efficient version of Hilbert-Huang transform for nonlinear non-stationary systems analyses. An ensemble empirical mode decomposition (EEMD) is introduced to alleviate the problem of mode mixing between intrinsic mode functions (IMFs) decomposed by EMD. Yet the problem has not been fully resolved when a signal of a similar scale resides in different IMF components. Instead of using a trial and error method to select the "best" outcome generated by EEMD, a hybrid algorithm based on EEMD and EMD is proposed for multi-mode signal processing. The developed approach comprises the steps from a bandpass filter design for regrouping modes of the IMFs obtained from EEMD, to the mode extraction using EMD, and to the assessment of each mode in the marginal spectrum. A simulated two-mode signal is tested to demonstrate the efficiency and robustness of the approach, showing average relative errors all equal to 1.46% for various noise levels added to the signal. The developed approach is also applied to a real bridge structure, showing more reliable results than the pure EMD. Discussions on the mode determination are offered to explain the connection between modegrouping form on the one hand, and mode-grouping performance on the other.
A new approach, Multi-Objective Design Exploration (MODE), is presented to address Multidisciplinary Design Optimization (MDO) problems by CFD-CSD coupling. MODE reveals the structure of the design space from the trade-off information and visualizes it as a panorama for Decision Maker. The present form of MODE consists of Kriging Model, Adaptive Range Multi Objective Genetic Algorithms, Analysis of Variance and Self-Organizing Map. The main emphasis of this approach is visual data mining. An MDO system using high fidelity simulation codes, Navier-Stokes solver and NASTRAN, has been developed and applied to a regional-jet wing design. Because the optimization system becomes very computationally expensive, only brief exploration of the design space has been performed. However, data mining result demonstrates that design knowledge can produce a good design even from the brief design exploration.
Accurately determining the natural frequencies and mode shapes of a structural floor is an essential step to assess the floor's human-induced vibration serviceability. In the theoretical analysis, the prestressed concrete floor can be idealized as a multi-span continuous anisotropic plate. This paper presents a new analytical approach to determine the natural frequencies and mode shapes of a multi-span continuous orthotropic plate. The suggested approach is based on the combined modal and perturbation method, which differs from other approaches as it decomposes the admissible functions defining the mode shapes by considering the intermodal coupling. The implementation of this technique is simple, requiring no tedious mathematical calculations. The perturbation solution is validated with the numerical results.
A hierarchical approach for fast bi-dimensional empirical mode decomposition (B-EMD) is proposed. The presented approach utilizes an efficient window size determination scheme that enables the multi-level computation of the order statistics filter (OSF). Our detailed experiments show that the proposed OSF computation approach allows a significantly faster computation of an EMD without degrading the decomposition accuracy.
Rahman, Mohammad Sabbir;Chang, Seongkyu;Kim, Dookie
Structural Engineering and Mechanics
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v.63
no.4
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pp.537-549
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2017
One of the main concerns of civil engineering researchers is developing or modifying an energy dissipation system that can effectively control structural vibrations, and keep the structural response within tolerable limits during unpredictable events like earthquakes, wind and any kind of thrust load. This article proposes a new type of mass damper system for controlling wideband earthquake vibrations, called Multiple Wall Dampers (MWD). The basic principle of the Tuned Mass Damper (TMD) was used to design the proposed wall damper system. This passive energy dissipation system does not require additional mass for the damping system because the boundary wall mass of the building was used as a damper mass. The multi-mode approach was applied to determine the location and design parameters of the dampers. The dampers were installed based on the maximum amplitude of modes. To optimize the damper parameters, the multi-objective optimization Response Surface Methodology was used, with frequency response and maximum displacement as the objective functions. The obtained structural responses under different earthquake forces demonstrated that the MWD is one of the most capable tools for reducing the responses of multi-storied buildings, and this system can be practically used for new and existing building structures.
Recent developments in underwater image recognition methods have received large attention by the ocean engineering researchers. In this paper, an improved bi-dimensional empirical mode decomposition (BEMD) approach is employed to decompose the given underwater image into intrinsic mode functions (IMFs) and residual. We developed a joint algorithm based on BEMD and Canny operator to extract multi-pixel edge features at multiple scales in IMFs sub-images. So the multiple pixel edge extraction is an advantage of our approach; the other contribution of this method is the realization of the bi-dimensional sifting process, which is realized utilizing regional-based operators to detect local extreme points and constructing radial basis function for curve surface interpolation. The performance of the multi-pixel edge extraction algorithm for processing underwater image is demonstrated in the contrast experiment with both the proposed method and the phase congruency edge detection.
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.60
no.2
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pp.431-434
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2011
In this paper, bandwidth enhanced design of dielectric resonator antenna fabricated in multi-layer substrate is introduced. The proposed dielectric resonator antenna is operating with fundamental TE101 mode and higher-order TM111 mode. Each resonance frequency is dependent on resonator dimensions. As increasing the height of radiating aperture, the higher-order TM111 mode resonance frequency approach the fundamental TE101 mode resonance frequency and the antenna bandwidth increase by double resonance. Three different aperture height size antennas that operated at 7GHz are fabricated in FR4 multi-layer substrate. Measured 10 dB matching bandwidth is 8 percent for single resonace antenna and 18 percent for double resonance antenna.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.13
no.8
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pp.4041-4059
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2019
Key establishment method based on channel reciprocity for time division duplex (TDD) system has earned a vital consideration in the majority of recent research. While most of the cellular systems rely on frequency division duplex (FDD) systems, especially the 5G network, which is not characterized by the channel reciprocity feature. This paper realizes the generation of a group secret key for multi-terminals communicated through a wireless network in FDD mode, by utilizing the nature of the physical layer for the wireless links between them. I consider a new group key generation approach, which using bitwise XOR with a modified pairwise secret key generation approach not based on the channel reciprocity feature. Precisely, this multi-node secret key agreement technique designed for three wireless network topologies: 1) the triangle topology, 2) the multi-terminal star topology, and 3) the multi-node chain topology. Three multi-node secret key agreement protocols suggest for these wireless communication topologies in FDD mode, respectively. I determine the upper bound for the generation rate of the secret key shared among multi-node, for the three multi-terminals topologies, and give numerical cases to expose the achievement of my offered technique.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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