Ali, Adnan F.;Fattah, Mohammed Y.;Ahmed, Balqees A.
Earthquakes and Structures
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v.14
no.4
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pp.323-336
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2018
Machine foundations with impact loads are common powerful sources of industrial vibrations. These foundations are generally transferring vertical dynamic loads to the soil and generate ground vibrations which may harmfully affect the surrounding structures or buildings. Dynamic effects range from severe trouble of working conditions for some sensitive instruments or devices to visible structural damage. This work includes an experimental study on the behavior of dry dense sand under the action of a single impulsive load. The objective of this research is to predict the dry sand response under impact loads. Emphasis will be made on attenuation of waves induced by impact loads through the soil. The research also includes studying the effect of footing embedment, and footing area on the soil behavior and its dynamic response. Different falling masses from different heights were conducted using the falling weight deflectometer (FWD) to provide the single pulse energy. The responses of different soils were evaluated at different locations (vertically below the impact plate and horizontally away from it). These responses include; displacements, velocities, and accelerations that are developed due to the impact acting at top and different depths within the soil using the falling weight deflectometer (FWD) and accelerometers (ARH-500A Waterproof, and Low capacity Acceleration Transducer) that are embedded in the soil in addition to soil pressure gauges. It was concluded that increasing the footing embedment depth results in increase in the amplitude of the force-time history by about 10-30% due to increase in the degree of confinement. This is accompanied by a decrease in the displacement response of the soil by about 40-50% due to increase in the overburden pressure when the embedment depth increased which leads to increasing the stiffness of sandy soil. There is also increase in the natural frequency of the soil-foundation system by about 20-45%. For surface foundation, the foundation is free to oscillate in vertical, horizontal and rocking modes. But, when embedding a footing, the surrounding soil restricts oscillation due to confinement which leads to increasing the natural frequency. Moreover, the soil density increases with depth because of compaction, which makes the soil behave as a solid medium. Increasing the footing embedment depth results in an increase in the damping ratio by about 50-150% due to the increase of soil density as D/B increases, hence the soil tends to behave as a solid medium which activates both viscous and strain damping.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.18
no.1
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pp.174-182
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2014
To monitor the wind-induced responses of buildings, conventional real-time kinematic (RTK) methods based on two global positioning system (GPS) receivers (e.g., a reference and a rover) are widely applied. However, these methods can encounter problems such as difficulty in securing and maintaining a space for a reference station. With the recently developed virtual reference station (VRS)-RTK approach, the position of a structure can be measured using only a rover receiver. In this study, to evaluate the applicability of VRS-RTK methods in monitoring the lateral structural responses of frame structures, we performed free vibration tests on a one-story frame model (the first natural frequency of 1 Hz) and a three-story frame model (the first natural frequency of 0.85 Hz). To assess the reliability of the displacement and acceleration responses measured by the GPS, we performed a concurrent measurement using laser displacement sensors and an accelerometer. The accelerometer results were consistent with the GPS measurements in terms of the time history and frequency content. Furthermore, to derive an appropriate sampling rate for the continuous monitoring of buildings, the errors in the displacement responses were evaluated at different GPS sampling rates (5, 10, 20 Hz). The results indicate that as the sampling rate increased, the errors in the displacement responses decreased. In addition, in the three-story model, all modal components (first, second, and third modes) could be recorded at a sampling rate of 20 Hz.
Altunisik, Ahmet Can;Bayraktar, Alemdar;Ozdemir, Hasan
Smart Structures and Systems
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v.10
no.2
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pp.131-154
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2012
In this paper, it is aimed to determine the seismic behaviour of highway bridges by nondestructive testing using ambient vibration measurements. Eynel Highway Bridge which has arch type structural system with a total length of 216 m and located in the Ayvaclk county of Samsun, Turkey is selected as an application. The bridge connects the villages which are separated with Suat U$\breve{g}$urlu Dam Lake. A three dimensional finite element model is first established for a highway bridge using project drawings and an analytical modal analysis is then performed to generate natural frequencies and mode shapes in the three orthogonal directions. The ambient vibration measurements are carried out on the bridge deck under natural excitation such as traffic, human walking and wind loads using Operational Modal Analysis. Sensitive seismic accelerometers are used to collect signals obtained from the experimental tests. To obtain experimental dynamic characteristics, two output-only system identification techniques are employed namely, Enhanced Frequency Domain Decomposition technique in the frequency domain and Stochastic Subspace Identification technique in time domain. Analytical and experimental dynamic characteristic are compared with each other and finite element model of the bridge is updated by changing of boundary conditions to reduce the differences between the results. It is demonstrated that the ambient vibration measurements are enough to identify the most significant modes of highway bridges. After finite element model updating, maximum differences between the natural frequencies are reduced averagely from 23% to 3%. The updated finite element model reflects the dynamic characteristics of the bridge better, and it can be used to predict the dynamic response under complex external forces. It is also helpful for further damage identification and health condition monitoring. Analytical model of the bridge before and after model updating is analyzed using 1992 Erzincan earthquake record to determine the seismic behaviour. It can be seen from the analysis results that displacements increase by the height of bridge columns and along to middle point of the deck and main arches. Bending moments have an increasing trend along to first and last 50 m and have a decreasing trend long to the middle of the main arches.
The previous studies reflected the significant effect of neutral-axis position and coupling of in-plane and out-of-plane displacements on behavior of functionally graded (FG) nanobeams. In thin FG beam, this coupling can be eliminated by a proper choice of the reference axis. In shear deformable FG nanobeam, not only this coupling can't be eliminated but also the position of neutral-axis is dependent on through-thickness distribution of shear strain. For the first time, in this paper it is avoided to guess a shear strain shape function and the exact shape function and consequently the exact position of neutral axis for arbitrary gradation of higher order nanobeam are obtained. This paper presents new methodology based on differential transform and collocation methods to solve coupled partial differential equations of motion without any simplifications. Using exact position of neutral axis and higher order beam kinematics as well as satisfying equilibrium equations and traction-free conditions without shear correction factor requirement yields to better results in comparison to the previously published results in literature. The classical rule of mixture and Mori-Tanaka homogenization scheme are considered. The Eringen's nonlocal continuum theory is applied to capture the small scale effects. For the first time, the dependency of exact position of neutral axis on length to thickness ratio is investigated. The effects of small scale, length to thickness ratio, Poisson's ratio, inhomogeneity of materials and various end conditions on vibration and buckling of local and nonlocal FG beams are investigated. Moreover, the effect of axial load on natural frequencies of the first modes is examined. After degeneration of the governing equations, the exact new formulas for homogeneous nanobeams are computed.
Wind measurements were made on the Canton Tower at a height of 461 m above ground during the Typhoon Vincente, the wind-induced accelerations and displacements of the tower were recorded as well. Comparisons of measured wind parameters at upper level of atmospheric boundary layer with those adopted in wind tunnel testing were presented. The measured turbulence intensity can be smaller than the design value, indicating that the wind tunnel testing may underestimate the crosswind structural responses for certain lock-in velocity range of vortex shedding. Analyses of peak factors and power spectral density for acceleration response shows that the crosswind responses are a combination of gust-induced buffeting and vortex-induced vibrations in the certain range of wind directions. The identified modal frequencies and mode shapes from acceleration data are found to be in good agreement with existing experimental results and the prediction from the finite element model. The damping ratios increase with amplitude of vibration or equivalently wind velocity which may be attributed to aerodynamic damping. In addition, the natural frequencies determined from the measured displacement are very close to those determined from the acceleration data for the first two modes. Finally, the relation between displacement responses and wind speed/direction was investigated.
Dynamic parameters such as natural frequencies can provide global stiffness information of a structure, and thus be utilized in monitoring structural integrity of large structures such as a containment. To identify the dynamic parameters without interrupting normal operation, a modal analysis method based on ambient vibration measurements should be applied. In this study, dynamic parameters of the containment of Wolsong Unit 2 are identified using ambient vibration measurement data. The feasibility of the study is verified using a numerical model for the containment. From the modal analysis, dynamic parameters of the containment with acceptable correlation to analytical modes can be estimated.
Finite element model updating is very effective procedure to determine the uncertainty parameters in structural model and minimize the differences between experimentally and numerically identified dynamic characteristics. This procedure can be practiced with manual and automatic model updating procedures. The manual model updating involves manual changes of geometry and analyses parameters by trial and error, guided by engineering judgement. Besides, the automated updating is performed by constructing a series of loops based on optimization procedures. This paper addresses the ambient vibration based finite element model updating of long span reinforced concrete highway bridges using manual model updating procedure. Birecik Highway Bridge located on the $81^{st}km$ of Şanliurfa-Gaziantep state highway over Firat River in Turkey is selected as a case study. The structural carrier system of the bridge consists of two main parts: Arch and Beam Compartments. In this part of the paper, the arch compartment is investigated. Three dimensional finite element model of the arch compartment of the bridge is constructed using SAP2000 software to determine the dynamic characteristics, numerically. Operational Modal Analysis method is used to extract dynamic characteristics using Enhanced Frequency Domain Decomposition method. Numerically and experimentally identified dynamic characteristics are compared with each other and finite element model of the arch compartment of the bridge is updated manually by changing some uncertain parameters such as section properties, damages, boundary conditions and material properties to reduce the difference between the results. It is demonstrated that the ambient vibration measurements are enough to identify the most significant modes of long span highway bridges. Maximum differences between the natural frequencies are reduced averagely from %49.1 to %0.6 by model updating. Also, a good harmony is found between mode shapes after finite element model updating.
Evaluating nonlinear response of a MDOF system under dynamic stochastic loads such as seismic excitation usually requires excessive computational efforts. To alleviate this computational difficulty, an approximation is developed in which the MDOF inelastic system is replaced by a simple nonlinear equivalent system(ENS).Me ENS retains the most important properties of the original system such as dynamic characteristics of the first two modes and the global yielding behavior of the MDOF system. The system response is described by the maximum global(building) and local(interstory) drifts. The equivalency is achieved by two response scaling factors, a global response scaling factor R/sub G/, and a local response scaling factor R/sub L/, applied to the responses of the ENS to match those of the original MDOF system. These response scaling factors are obtained as functions of ductility and mass participation factors of the first two modes of structures by extensive regression analyses based on results of responses of the MDOF system and the ENS to actual ground accelerations recorded in past earthquakes. To develop the ENS with two response scaling factors, Special Moment Resisting Steel Frames are considered. Then, these response scaling factors are applied to the response of ENS to obtain the nonlinear response of MDOF system.
The Canton Tower is a high-rise slender structure with a height of 610 m. A structural health monitoring system has been instrumented on the structure, by which data is continuously monitored. This paper presents an investigation on the identified modal properties of the Canton Tower using ambient vibration data collected during a whole day (24 hours). A recently developed Fast Bayesian FFT method is utilized for operational modal analysis on the basis of the measured acceleration data. The approach views modal identification as an inference problem where probability is used as a measure for the relative plausibility of outcomes given a model of the structure and measured data. Focusing on the first several modes, the modal properties of this supertall slender structure are identified on non-overlapping time windows during the whole day under normal wind speed. With the identified modal parameters and the associated posterior uncertainty, the distribution of the modal parameters in the future is predicted and assessed. By defining the modal root-mean-square value in terms of the power spectral density of modal force identified, the identified natural frequencies and damping ratios versus the vibration amplitude are investigated with the associated posterior uncertainty considered. Meanwhile, the correlations between modal parameters and temperature, modal parameters and wind speed are studied. For comparison purpose, the frequency domain decomposition (FDD) method is also utilized to identify the modal parameters. The identified results obtained by the Bayesian method, the FDD method and a finite element model are compared and discussed.
An ab initio molecular orbital method has been applied to investigation of molecular properties and equilibrium geometries for hexahydroxybenzene triscarbonate (C9O9) and its analogous cyclic compounds (C9S9, C9O6S3, C9O3S6). In these works, the optimized geometry of each compound has been obtained at HF and MP2 levels. These results have shown that the optimized geometries of these compounds prefer D3h planar structure to C3v bowl structure. Calculations of harmonic vibrational frequencies have been also carried out at HF/3-21G* level to analyze normal modes of these compounds. Bonding characters of these compounds are studied by Mulliken and natural populations obtained at HF/6-31G* level. We have also studied the structures and the populations of C6O6 and C6S6 at HF and MP2 levels which are obtained by pyrolyses of C9O9 and analogous compounds. In addition, the single point calculations have been performed to predict the approximate energy barrier for pyrolysis of each compound.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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