A low-cost wireless sensor network (WSN) solution with highly expandable super and simple nodes was developed. The super node was designed as a sensing unit as well as a receiving terminal with low energy consumption. The simple node was designed to serve as a cheaper alternative for large-scale deployment. A 12-bit ADC inputs and DAC outputs were reserved for sensor boards to ease the sensing integration. Vibration and thermal field tests of the Chi-Lu Bridge were conducted to evaluate the WSN's performance. Integral acceleration, temperature and tilt sensing modules were constructed to simplify the task of long-term environmental monitoring on this bridge, while a star topology was used to avoid collisions and reduce power consumption. We showed that, given sufficient power and additional power amplifier, the WSN can successfully be active for more than 7 days and satisfy the half bridge 120-meter transmission requirement. The time and frequency responses of cables shocked by external force and temperature variations around cables in one day were recorded and analyzed. Finally, guidelines on power characterization of the WSN platform and selection of acceleration sensors for structural health monitoring applications were given.
In order to protect a structure over its full life cycle, a novel tuned mass damper (TMD), the so-called semi-active eddy current pendulum tuned mass damper (SAEC-PTMD), which can retune its frequency and damping ratio in real-time, is proposed in this study. The structural instantaneous frequency is identified through a Hilbert-Huang transformation (HHT), and the SAEC-PTMD pendulum is adjusted through an HHT-based control algorithm. The eddy current damping parameters are discussed, and the relationship between effective damping coefficients and air gaps is fitted through a polynomial function. The semi-active eddy current damping can be adjusted in real-time by adjusting the air gap based on the linear-quadratic-Gaussian (LQG)-based control algorithm. To verify the vibration control effect of the SAEC-PTMD, an idealized linear primary structure equipped with an SAEC-PTMD excited by harmonic excitations and near-fault pulse-like earthquake excitations is proposed as one of the two case studies. Under strong earthquakes, structures may go into the nonlinear state, while the Bouc-Wen model has a wild application in simulating the hysteretic characteristic. Therefore, in the other case study, a nonlinear primary structure based on the Bouc-Wen model is proposed. An optimal passive TMD is used for comparison and the detuning effect, which results from the cumulative damage to primary structures, is considered. The maximum and root-mean-square (RMS) values of structural acceleration and displacement time history response, structural acceleration, and displacement response spectra are used as evaluation indices. Power analyses for one earthquake excitation are presented as an example to further study the energy dissipation effect of an SAECPTMD. The results indicate that an SAEC-PTMD performs better than an optimized passive TMD, both before and after damage occurs to the primary structure.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.15
no.1
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pp.271-280
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2011
This study intends to analytically evaluate the vibration serviceability of the bridges for each long-span type having the same span length and road width using the Meister vibration sensation curve. With MIDAS, a structural analysis program, bridges were modeled using the girders as the frame element and slabs as the plate element. The transient analysis was performed using the moving loads of the design vehicles. This study presents the analytical process of reviewing the vibration serviceability during the design of long-span bridges. It involves the comparison of the vibration serviceability of different bridge types by applying the lagging-behind and acceleration amplitude from transient analysis to Meister curve. The result confirms that the process is appropriate.
Kim, Kyung Jong;Lee, Yong Hwan;Lee, Kyu Beom;Lee, Cheol Soon;Cho, Jin Yeon;Kim, Jeong Ho
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.45
no.5
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pp.376-385
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2017
In this paper, a method for the estimation of structural displacements using structure's mode shapes and accelerations is suggested to reduce the disadvantages of acceleration time integration method. Acceleration time integration method requires accurate information on initial conditions, and errors caused by noise can be accumulated during time integration. To avoid these problems, the method for the estimation of structural displacements based on mode superposition method is developed and two vibration experiments for cantilever beam are conducted to verify this method. Static displacements and dynamic displacements of beam structure are estimated using measured accelerations from experiments and mode shapes of cantilever beam, and they are compared with measured displacements using laser displacement sensor. From these results, the validity and usefulness of this method are verified.
The aim of the study is to show the results of complex shaking table experimental investigation focused on the response of two models of cylindrical steel tanks under mining tremors and moderate earthquakes, including the aspects of diagnosis of structural damage. Firstly, the impact and the sweep-sine tests have been carried out, so as to determine the dynamic properties of models filled with different levels of liquid. Then, the models have been subjected to seismic and paraseismic excitations. Finally, one fully filled structure has been tested after introducing two different types of damages, so as to verify the method of damage diagnosis. The results of the impact and the sweep-sine tests show that filling the models with liquid leads to substantial reduction in natural frequencies, due to gradually increasing overall mass. Moreover, the results of sweep-sine tests clearly indicate that the increase in the liquid level results in significant increase in the damping structural ratio, which is the effect of damping properties of liquid due to its sloshing. The results of seismic and paraseismic tests indicate that filling the tank with liquid leads initially to considerable reduction in values of acceleration (damping effect of liquid sloshing); however, beyond a certain level of water filling, this regularity is inverted and acceleration values increase (effect of increasing total mass of the structure). Moreover, comparison of the responses under mining tremors and moderate earthquakes indicate that the power amplification factor of the mining tremors may be larger than the seismic power amplification factor. Finally, the results of damage diagnosis of fully filled steel tank model indicate that the forms of the Fourier spectra, together with the frequency and power spectral density values, can be directly related to the specific type of structural damage. They show a decrease in the natural frequencies for the model with unscrewed support bolts (global type of damage), while cutting the welds (local type of damage) has resulted in significant increase in values of the power spectral density for higher vibration modes.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.23
no.3
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pp.65-74
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2019
This study presents the optimal isolation period according to the number of vertically expended stories in order to provide the basic data for the application of the seismic isolation system in the vertically expended remodeling of the aged apartment. As a result of the structural analysis, the isolation period should be at least twice the primary structure in three-story vertical expansion, three times in two-story expansion, and four times in one-story expansion for the effective application of the isolation system. On the basis of the result, the efficacy of an isolation system for the actual apartment structure, which is three-story vertically expended, was analytically verified. The maximal acceleration response on the top floor reduced by 70% and 65% of the non-isolated structure in the X and Y directions respectively. Additionally, the base shear force decreased by 30% in the both directions, compared to the non-isolated structure.
To obtain the seismic response of lead-cored rubber, shape memory alloy (SMA)-rubber isolation Plate-shell Integrated Concrete Liquid-Storage Structure (PSICLSS), based on a PSICLSS in a water treatment plant, built a scale experimental model, and a shaking table test was conducted. Discussed the seismic responses of rubber isolation, SMA-rubber isolation PSICLSS. Combined with numerical model analysis, the vibration characteristics of rubber isolation PSICLSS are studied. The results showed that the acceleration, liquid sloshing height, hydrodynamic pressure of rubber and SMA-rubber isolation PSICLSS are amplified when the frequency of seismic excitation is close to the main frequency of the isolation PSICLSS. The earthquake causes a significant leakage of liquid, at the same time, the external liquid sloshing height is significantly higher than internal liquid sloshing height. Numerical analysis showed that the low-frequency acceleration excitation causes a more significant dynamic response of PSICLSS. The sinusoidal excitation with first-order sloshing frequency of internal liquid causes a more significant sloshing height of the internal liquid, but has little effect on the structural principal stresses. The sinusoidal excitation with first-order sloshing frequency of external liquid causes the most enormous structural principal stress, and a more significant external liquid sloshing height. In particular, the principal stress of PSICLSSS with long isolation period will be significantly enlarged. Therefore, the stiffness of the isolation layer should be properly adjusted in the design of rubber and SMA-rubber isolation PSICLSS.
This paper describes some of the challenges for structural design of a mid-story seismic isolated high-rise building, which is located near Tokyo station, completed in 2015. The building is a mixed-use complex and encompasses three volumes: one substructure including basement and lower floors, and a pair of seismic isolated superstructures on the substructure. One is a 136.5m high Main Tower (office use), and the other is a 98.5 m high South Tower (hotel use). The seismic isolation systems are arranged in the $3^{rd}$ floor of the Main Tower and $5^{th}$ floor of the South Tower, so that we call this isolation system as the mid-story seismic isolation. The primary goal of the structural design of this building was to secure high seismic safety against the largest earthquake expected in Tokyo. We adopted optimal seismic isolation equipment simulated by dynamic analysis to minimize building damage. On the other hand, wind-induced vibration of a seismic isolated high-rise building tends to be excited. To reduce the vibration, the following strategies were adopted respectively. In the Main Tower with a large wind receiving area, we adopted a mechanism that locks oil dampers at the isolation level during strong wind. In the South Tower, two tuned mass dampers (TMDs) are installed at the top of the building to control the vibration. In addition, our paper will also report the building performance evaluated for wind and seismic observation after completion of the building. In 2016, an earthquake of seismic intensity 3 (JMA scale) occurred twice in Tokyo. The acceleration reduction rate of the seismic isolation level due to these earthquakes was approximately 30 to 60%. These are also verified by dynamic analysis using observed acceleration data. Also, in April 2016, a strong wind exceeding the speed of 25m/s occurred in Tokyo. On the basis of the record at the strong wind, we confirmed that the locking mechanism of oil damper worked as designed.
Site coefficient and amplification factor of current domestic Seismic Design Code based on American Seismic Code, have no consideration for the domestic ground condition in which the base rock is normally placed within 30m form the surface. By previous studies, the measured spectral acceleration of the result of dynamic centrifugal test and analysis was smaller than the design spectral acceleration for the period over 1.5 sec. Accordingly, in this study structural analysis and design using dynamic centrifugal test result for pile foundation were achieved, and the quantity of concrete and reinforcement of wall frame was compared with each other. Comparison results of cost using KBC the design spectral acceleration of SC, SD site and SDS, the quantity of reinforcement using SDS for SD site was 17~23% smaller than using the design code SD site.
This paper presents some shaking table tests conducted on a 1/4-scaled model with 5-story steel reinforced concrete (SRC) spatial frame with irregular section columns under a series of base excitations with gradually increasing acceleration peaks. The test frame was subjected to a sequence of seismic simulation tests including 10 white noise vibrations and 51 seismic simulations. Each seismic simulation was associated with a different level of seismic disaster. Dynamic characteristic, strain response, acceleration response, displacement response, base shear and hysteretic behavior were analyzed. The test results demonstrate that at the end of the loading process, the failure mechanism of SRC frame with irregular section columns is the beam-hinged failure mechanism, which satisfies the seismic code of "strong column-weak beam". With the increase of acceleration peaks, accumulated damage of the frame increases gradually, which induces that the intrinsic frequency decreases whereas the damping ratio increases, and the peaks of acceleration and displacement occur later. During the loading process, torsion deformation appears and the base shear grows fast firstly and then slowly. The hysteretic curves are symmetric and plump, which shows a good capacity of energy dissipation. In summary, SRC frame with irregular section columns can satisfy the seismic requirements of "no collapse under seldom earthquake", which indicates that this structural system is suitable for the construction in the high seismic intensity zone.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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