Traditional damage detection methods for nonlinear structures are often based on simplified models, such as the mass-spring-damper and shear-building models, which are insufficient for predicting the vibration responses of a real structure. Conventional global nonlinear finite element model updating methods are computationally intensive and time consuming. Thus, they cannot be applied to practical structures. A decentralized approach for identifying the nonlinear material parameters is proposed in this study. With this technique, a structure is divided into several small zones on the basis of its structural configuration. The unknown material parameters and measured vibration responses are then divided into several subsets accordingly. The structural parameters of each subset are then updated using the vibration responses of the subset with the Newton-successive-over-relaxation (SOR) method. A reinforced concrete and steel frame structure subjected to earthquake loading is used to verify the effectiveness and accuracy of the proposed method. The parameters in the material constitutive model, such as compressive strength, initial tangent stiffness and yielding stress, are identified accurately and efficiently compared with the global nonlinear model updating approach.
Mo, Ye;Wang, Zuo-Cai;Chen, Genda;Ding, Ya-Jie;Ge, Bi
Smart Structures and Systems
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제29권5호
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pp.729-746
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2022
In this paper, a nonlinear structural model updating methodology based on the Deep Belief Network (DBN) is proposed. Firstly, the instantaneous parameters of the vibration responses are obtained by the discrete analytical mode decomposition (DAMD) method and the Hilbert transform (HT). The instantaneous parameters are regarded as the independent variables, and the nonlinear model parameters are considered as the dependent variables. Then the DBN is utilized for approximating the nonlinear mapping relationship between them. At last, the instantaneous parameters of the measured vibration responses are fed into the well-trained DBN. Owing to the strong learning and generalization abilities of the DBN, the updated nonlinear model parameters can be directly estimated. Two nonlinear shear-type structure models under two types of excitation and various noise levels are adopted as numerical simulations to validate the effectiveness of the proposed approach. The nonlinear properties of the structure model are simulated via the hysteretic parameters of a Bouc-Wen model and a Giuffré-Menegotto-Pinto model, respectively. Besides, the proposed approach is verified by a three-story shear-type frame with a piezoelectric friction damper (PFD). Simulated and experimental results suggest that the nonlinear model updating approach has high computational efficiency and precision.
Gunaydin, Murat;Adanur, Suleyman;Altunisik, Ahmet C.
Earthquakes and Structures
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제15권3호
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pp.335-350
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2018
This paper presents numerical modelling, modal testing, finite element model updating, linear and nonlinear earthquake behavior of a reinforced concrete building model. A 1/2 geometrically scale, two-storey, reinforced concrete frame model with raft base were constructed, tested and analyzed. Modal testing on the model using ambient vibrations is performed to illustrate the dynamic characteristics experimentally. Finite element model of the structure is developed by ANSYS software and dynamic characteristics such as natural frequencies, mode shapes and damping ratios are calculated numerically. The enhanced frequency domain decomposition method and the stochastic subspace identification method are used for identifying dynamic characteristics experimentally and such values are used to update the finite element models. Different parameters of the model are calibrated using manual tuning process to minimize the differences between the numerically calculated and experimentally measured dynamic characteristics. The maximum difference between the measured and numerically calculated frequencies is reduced from 28.47% to 4.75% with the model updating. To determine the effects of the finite element model updating on the earthquake behavior, linear and nonlinear earthquake analyses are performed using 1992 Erzincan earthquake record, before and after model updating. After model updating, the maximum differences in the displacements and stresses were obtained as 29% and 25% for the linear earthquake analysis and 28% and 47% for the nonlinear earthquake analysis compared with that obtained from initial earthquake results before model updating. These differences state that finite element model updating provides a significant influence on linear and especially nonlinear earthquake behavior of buildings.
Magnetorheological (MR) damper is a type of controllable device widely used in vibration mitigation. This device is highly nonlinear, and exhibits strongly hysteretic behavior that is dependent on both the motion imposed on the device and the strength of the surrounding electromagnetic field. An accurate model for understanding and predicting the nonlinear damping force of the MR damper is crucial for its control applications. The MR damper models are often identified off-line by conducting regression analysis using data collected under constant voltage. In this study, a MR damper model is integrated with a model for the power supply unit (PSU) to consider the dynamic behavior of the PSU, and then a real-time nonlinear model updating technique is proposed to accurately identify this integrated MR damper model with the efficiency that cannot be offered by off-line methods. The unscented Kalman filter is implemented as the updating algorithm on a cyber-physical model updating platform. Using this platform, the experimental study is conducted to identify MR damper models in real-time, under in-service conditions with time-varying current levels. For comparison purposes, both off-line and real-time updating methods are applied in the experimental study. The results demonstrate that all the updated models can provide good identification accuracy, but the error comparison shows the real-time updated models yield smaller relative errors than the off-line updated model. In addition, the real-time state estimates obtained during the model updating can be used as feedback for potential nonlinear control design for MR dampers.
Model uncertainty is a key factor that could influence the accuracy and reliability of numerical model-based analysis. It is necessary to acquire an appropriate updating approach which could search and determine the realistic model parameter values from measurements. In this paper, the Bayesian model updating theory combined with the transitional Markov chain Monte Carlo (TMCMC) method and K-means cluster analysis is utilized in the updating of the structural model parameters. Kriging and polynomial chaos expansion (PCE) are employed to generate surrogate models to reduce the computational burden in TMCMC. The selected updating approaches are applied to three structural examples with different complexity, including a two-storey frame, a ten-storey frame, and the national stadium model. These models stand for the low-dimensional linear model, the high-dimensional linear model, and the nonlinear model, respectively. The performances of updating in these three models are assessed in terms of the prediction uncertainty, numerical efforts, and prior information. This study also investigates the updating scenarios using the analytical approach and surrogate models. The uncertainty quantification in the Bayesian approach is further discussed to verify the validity and accuracy of the surrogate models. Finally, the advantages and limitations of the surrogate model-based updating approaches are discussed for different structural complexity. The possibility of utilizing the boosting algorithm as an ensemble learning method for improving the surrogate models is also presented.
Gunaydin, Murat;Erturk, Esin;Genc, Ali Fuat;Okur, Fatih Yesevi;Altunisik, Ahmet Can;Tavsan, Cengiz
Earthquakes and Structures
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제22권1호
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pp.65-82
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2022
This paper presents a structural performance assessment of a historical masonry clock tower both using numerical and experimental process. The numerical assessment includes developing of finite element model with considering different types of soil-structure interaction systems, identifying the numerical dynamic characteristics, finite element model updating procedure, nonlinear time-history analysis and evaluation of seismic performance level. The experimental study involves determining experimental dynamic characteristics using operational modal analysis test method. Through the numerical and experimental processes, the current structural behavior of the masonry clock tower was evaluated. The first five experimental natural frequencies were obtained within 1.479-9.991 Hz. Maximum difference between numerical and experimental natural frequencies, obtained as 20.26%, was reduced to 4.90% by means of the use of updating procedure. According to the results of the nonlinear time-history analysis, maximum displacement was calculated as 0.213 m. The maximum and minimum principal stresses were calculated as 0.20 MPa and 1.40 MPa. In terms of displacement control, the clock tower showed only controlled damage level during the applied earthquake record.
This paper presents an efficient method for updating the structural finite element model. Model updating is performed through minimizing the difference between the recorded acceleration of a real damaged structure and a hypothetical damaged one. This is performed by updating physical parameters (module of elasticity in this study) in each step using iterative process of modified nonlinear conjugate gradient (M-NCG) and modified Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno algorithm (M-BFGS) separately. These algorithms are based on sensitivity analysis and provide a solution for nonlinear damage detection problem. Three illustrative test examples are considered to assess the performance of the proposed method. Finally, it is demonstrated that the proposed method is satisfactory for detecting the location and ratio of structural damage in presence of noise.
The unscented Kalman filter (UKF) has been developed for nonlinear model parametric identification, and it assumes that the model parameters are symmetrically distributed about their mean values without any constrains. However, the parameters in many applications are confined within certain ranges to make sense physically. In this paper, a constrained unscented Kalman filter (CUKF) algorithm is proposed to improve accuracy of numerical substructure modeling in hybrid testing. During hybrid testing, the numerical models of numerical substructures which are assumed identical to the physical substructures are updated online with the CUKF approach based on the measurement data from physical substructures. The CUKF method adopts sigma points (i.e., sample points) projecting strategy, with which the positions and weights of sigma points violating constraints are modified. The effectiveness of the proposed hybrid testing method is verified by pure numerical simulation and real-time as well as slower hybrid tests with nonlinear specimens. The results show that the new method has better accuracy compared to conventional hybrid testing with fixed numerical model and hybrid testing based on model updating with UKF.
This paper assesses the influences of modeling assumptions and uncertainties on the performance of the non-linear finite element (FE) model updating procedure and model clustering method. The results of a shaking table test on a four-story steel moment-resisting frame are employed for both calibrations and clustering of the FE models. In the first part, simple to detailed non-linear FE models of the test frame is calibrated to minimize the difference between the various data features of the models and the structure. To investigate the effect of the specified data feature, four of which include the acceleration, displacement, hysteretic energy, and instantaneous features of responses, have been considered. In the last part of the work, a model-based clustering approach to group models of a four-story frame with similar behavior is introduced to detect abnormal ones. The approach is a composition of property derivation, outlier removal based on k-Nearest neighbors, and a K-means clustering approach using specified data features. The clustering results showed correlations among similar models. Moreover, it also helped to detect the best strategy for modeling different structural components.
기존의 유한요소모델개선기법들은 측정에 의한 모달 데이터와 해석적으로 계산된 시스템 행렬로 구성된 수학적인 목적함수를 사용하거나 업데이팅 변수에 관한 모달 특성의 미분함수를 사용하여야만 한다. 따라서 교량구조물과 같은 복잡한 구조물에의 적용이 어렵고 역해석에 있어 해의 안정성 문제가 발생할 수 있다. 또한 개선된 모델이 물리적인 의미를 지니지 못할 수도 있다. 본 논문에서는 유전자알고리즘과 Welder-Mead의 심플렉스기법을 사용한 하이브리드 최적화 유한요소모델개선기법을 제안하였다. 하이브리드 최적화 기법의 성능을 검증하기 위해 3개의 국부최소값과 1개의 전체최소값을 갖는 Goldstein-Price 함수를 사용하여 비선형문제에 대한 적용성을 검토하였다. 또한 최적화목적함수의 영향을 검토하기 위해 10개의 자유도를 갖는 스프링-질량 모델을 사용하여 변수연구를 수행하였다. 최종적으로 수치해석을 통해서 질량과 강성을 동시에 개선하기 위한 최적화 목적함수를 제시하고, 제안된 하이브리드 최적화 기법이 유한요소모델개선을 위해 매우 효과적인 방법임을 입증하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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