Chase, J. Geoffrey;Barroso, Luciana R.;Hunt, Stephen
Structural Engineering and Mechanics
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제18권3호
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pp.287-301
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2004
Structural acceleration regulation is a means of managing structural response energy and enhancing the performance of civil structures undergoing large seismic events. A quadratic output regulator that minimizes a measure including the total structural acceleration energy is developed and tested on a realistic non-linear, semi-active structural control case study. Suites of large scaled earthquakes are used to statistically quantify the impact of this type of control in terms of changes in the statistical distribution of controlled structural response. This approach includes the impulses due to control inputs and is shown to be more effective than a typical displacement focused control approach, by providing equivalent or better performance in terms of displacement and hysteretic energy reductions, while also significantly reducing peak story accelerations and the associated damage and occupant injury. For earthquake engineers faced with the dilemma of balancing displacement and acceleration demands this control approach can significantly reduce that concern, reducing structural damage and improving occupant safety.
In this paper, the ASCE 7 equivalent static approach for seismic design of non-structural elements is critically evaluated based on the measured floor acceleration data, theory of structural dynamics, and linear/nonlinear dynamic analysis of three-dimensional building models. The analysis of this study on the up-to-date database of the instrumented buildings in California clearly reveals that the measured database does not well corroborate the magnitude and the profile of the floor acceleration as proposed by ASCE 7. The basic flaws in the equivalent static approach are illustrated using elementary structural dynamics. Based on the linear and nonlinear dynamic analyses of three-dimensional case study buildings, it is shown that the magnitude and distribution of the PFA (peak floor acceleration) can significantly be affected by the supporting structural characteristics such as fundamental period, higher modes, structural nonlinearity, and torsional irregularity. In general, the equivalent static approach yields more conservative acceleration demand as building period becomes longer, and the PFA distribution in long-period buildings tend to become constant along the building height due to the higher mode effect. Structural nonlinearity was generally shown to reduce floor acceleration because of its period-lengthening effect. Torsional floor amplification as high as 250% was observed in the building model of significant torsional irregularity, indicating the need for inclusion of the torsional amplification to the equivalent static approach when building torsion is severe. All these results lead to the conclusion that, if permitted, dynamic methods which can account for supporting structural characteristics, should be preferred for rational seismic design of non-structural elements.
The acceleration information is significant for the structural health monitoring, which is the basic measurement to identify structural dynamic characteristics and structural vibration. The efficiency of the accelerometer is subsequently important for the structural health monitoring. In this paper, the distance measure matrix and the support level matrix are constructed firstly and the synthesized support level and the fusion method are given subsequently. Furthermore, the synthesized support level can be served as the determination for diagnosis on accelerometers, while the consensus data fusion method can be used to recover the acceleration information in frequency domain. The acceleration acquisition measurements from the accelerometers located on the real structure National Aquatics Center are used to be the basic simulation data here. By calculating two groups of accelerometers, the validation and stability of diagnosis and recovering on acceleration based on the data fusion are proofed in the paper.
The classical Kalman filter (KF) can provide effective state estimation for structural identification and vibration control, but it is applicable only when external inputs are measured. So far, some studies of Kalman filter with unknown inputs (KF-UI) have been proposed. However, previous KF-UI approaches based solely on acceleration measurements are inherently unstable which leads to poor tracking and fictitious drifts in the identified structural displacements and unknown inputs in the presence of measurement noises. Moreover, it is necessary to have the measurements of acceleration responses at the locations where unknown inputs applied, i.e., with collocated acceleration measurements in these approaches. In this paper, it aims to extend the classical KF approach to circumvent the above limitations for general real time estimation of structural state and unknown inputs without using collocated acceleration measurements. Based on the scheme of the classical KF, an improved Kalman filter with unknown excitations (KF-UI) and without collocated acceleration measurements is derived. Then, data fusion of acceleration and displacement or strain measurements is used to prevent the drifts in the identified structural state and unknown inputs in real time. Such algorithm is not available in the literature. Some numerical examples are used to demonstrate the effectiveness of the proposed approach.
The seismic damage of non-structural components, such as communication facilities, causes direct economic losses as well as indirect losses which result from social chaos occurring with downtime of communication and financial management network systems. The current Korean seismic code, KBC2009, prescribes the design criteria and requirements of non-structural components based on their elastic response. However, it is difficult for KBC to reflect the dynamic characteristics of structures where non-structural components exist. In this study, both linear and nonlinear time history analyses of structures with various analysis parameters were carried out and floor acceleration spectra obtained from analyses were compared with both ground acceleration spectra used for input records of the analyses and the design floor acceleration spectrum proposed by National Radio Research Agency. Also, this study investigates to find out the influence of structural dynamic characteristics on the floor acceleration spectra. The analysis results show that the acceleration amplification is observed due to the resonance phenomenon and such amplification increases with the increase of building heights and with the decrease of structure's energy dissipation capacities.
In current seismic design codes, various elastic design acceleration spectra are defined considering different seismological and soil characteristics and are widely used tool for calculation of seismic loads acting on structures. Response spectrum analyses directly use the elastic design acceleration spectra whereas time history analyses use acceleration records of earthquakes whose acceleration spectra fit the design spectra of seismic codes. Due to the fact that obtaining coherent structural response quantities with the seismic design code considerations is a desired circumstance in dynamic analyses, the response spectra of earthquake records used in time history analyses had better fit to the design acceleration spectra of seismic codes. This paper evaluates structural response distributions of multi-story reinforced concrete frames obtained from nonlinear time history analyses which are performed by using the scaled earthquake records compatible with various elastic design spectra. Time domain scaling procedure is used while processing the response spectrum of real accelerograms to fit the design acceleration spectra. The elastic acceleration design spectra of Turkish Seismic Design Code 2007, Uniform Building Code 1997 and Eurocode 8 are considered as target spectra in the scaling procedure. Soil classes in different seismic codes are appropriately matched up with each other according to $V_{S30}$ values. The maximum roof displacements and the total base shears of considered frame structures are determined from nonlinear time history analyses using the scaled earthquake records and the results are presented by graphs and tables. Coherent structural response quantities reflecting the influence of elastic design spectra of various seismic codes are obtained.
In order to search more efficient structural control algorithm, several closed-loop algorithm are developed. Among those, feedback control algorithm using parameters as displacement velocity, and acceleration has been studied. In this paper, especially the characteristics of accleration feedback is studied as more efficient control algorithm than any others. Furthermore the fact that ATMD with acceleration feedback system further reduce the variance of structural displacement rather than with displacement or velocity feedback system will be examined and proved.
Kim, Jeong-Tae;Park, Jae-Hyung;Koo, Ki-Young;Lee, Jong-Jae
Smart Structures and Systems
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제4권5호
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pp.583-603
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2008
In this study, a real-time damage detection method using output-only acceleration signals and artificial neural networks (ANN) is developed to monitor the occurrence of damage and the location of damage in structures. A theoretical approach of an ANN algorithm that uses acceleration signals to detect changes in structural parameters in real-time is newly designed. Cross-covariance functions of two acceleration responses measured before and after damage at two different sensor locations are selected as the features representing the structural conditions. By means of the acceleration features, multiple neural networks are trained for a series of potential loading patterns and damage scenarios of the target structure for which its actual loading history and structural conditions are unknown. The feasibility of the proposed method is evaluated using a numerical beam model under the effect of model uncertainty due to the variability of impulse excitation patterns used for training neural networks. The practicality of the method is also evaluated from laboratory-model tests on free-free beams for which acceleration responses were measured for several damage cases.
The dynamic performance of railway bridges under high-speed trains draws the attention of bridge engineers. The vibration issue for long-span bridges under high-speed trains is still not well understood due to lack of validations through structural health monitoring (SHM) data. This paper investigates the correlation between bridge acceleration and train speed based on structural dynamics theory and SHM system from three foci. Firstly, the calculated formula of acceleration response under a series of moving load is deduced for the situation that train length is near the length of the bridge span, the correlation between train speed and acceleration amplitude is analyzed. Secondly, the correlation scatterplots of the speed-acceleration is presented and discussed based on the transverse and vertical acceleration response data of Dashengguan Yangtze River Bridge SHM system. Thirdly, the warning indexes of the bridge performance for correlation scatterplots of speed-acceleration are established. The main conclusions are: (1) The resonance between trains and the bridge is unlikely to happen for long-span bridge, but a multimodal correlation curve between train speed and acceleration amplitude exists after the resonance speed; (2) Based on SHM data, multimodal correlation scatterplots of speed-acceleration exist and they have similar trends with the calculated formula; (3) An envelope line of polylines can be used as early warning indicators of the changes of bridge performance due to the changes of slope of envelope line and peak speed of amplitude. This work also gives several suggestions which lay a foundation for the better design, maintenance and long-term monitoring of a long-span high-speed bridge.
Ravizza, Gabriele;Ferrari, Rosalba;Rizzi, Egidio;Chatzi, Eleni N.
Smart Structures and Systems
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제22권5호
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pp.631-641
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2018
This paper outlines a computational procedure for the effective merging of diverse sensor measurements, displacement and acceleration signals in particular, in order to successfully monitor and simulate the current health condition of civil structures under dynamic loadings. In particular, it investigates a Kalman Filter implementation for the Heterogeneous Data Fusion of displacement and acceleration response signals of a structural system toward dynamic identification purposes. The procedure is perspectively aimed at enhancing extensive remote displacement measurements (commonly affected by high noise), by possibly integrating them with a few standard acceleration measurements (considered instead as noise-free or corrupted by slight noise only). Within the data fusion analysis, a Kalman Filter algorithm is implemented and its effectiveness in improving noise-corrupted displacement measurements is investigated. The performance of the filter is assessed based on the RMS error between the original (noise-free, numerically-determined) displacement signal and the Kalman Filter displacement estimate, and on the structural modal parameters (natural frequencies) that can be extracted from displacement signals, refined through the combined use of displacement and acceleration recordings, through inverse analysis algorithms for output-only modal dynamics identification, based on displacements.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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