Minimizing construction cost and reducing seismic damage are two conflicting objectives in the design of any new structure. In the present work, we try to develop a framework in order to solve the optimum performance-based design problem considering the construction cost and the seismic damage of steel moment-frame structures. The Park-Ang damage index is selected as the seismic damage measure because it is one of the most realistic measures of structural damage. The non-dominated sorting genetic algorithm (NSGA-II) is employed as the optimization algorithm to search the Pareto optimal solutions. To improve the time efficiency of the proposed framework, three simplifying strategies are adopted: first, simplified nonlinear modeling investigating minimum level of structural modeling sophistication; second, fitness approximation decreasing the number of fitness function evaluations; third, wavelet decomposition of earthquake record decreasing the number of acceleration points involved in time-history loading. The constraints of the optimization problem are considered in accordance with Federal Emergency Management Agency's (FEMA) recommended seismic design specifications. The results from numerical application of the proposed framework demonstrate the efficiency of the framework in solving the present multi-objective optimization problem.
Taylor, Stuart G.;Farinholt, Kevin M.;Park, Gyuhae;Todd, Michael D.;Farrar, Charles R.
Smart Structures and Systems
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v.6
no.5_6
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pp.661-673
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2010
This paper presents recent developments in an extremely compact, wireless impedance sensor node (the WID3, $\underline{W}$ireless $\underline{I}$mpedance $\underline{D}$evice) for use in high-frequency impedance-based structural health monitoring (SHM), sensor diagnostics and validation, and low-frequency (< ~1 kHz) vibration data acquisition. The WID3 is equipped with an impedance chip that can resolve measurements up to 100 kHz, a frequency range ideal for many SHM applications. An integrated set of multiplexers allows the end user to monitor seven piezoelectric sensors from a single sensor node. The WID3 combines on-board processing using a microcontroller, data storage using flash memory, wireless communications capabilities, and a series of internal and external triggering options into a single package to realize a truly comprehensive, self-contained wireless active-sensor node for SHM applications. Furthermore, we recently extended the capability of this device by implementing low-frequency analog-to-digital and digital-to-analog converters so that the same device can measure structural vibration data. The compact sensor node collects relatively low-frequency acceleration measurements to estimate natural frequencies and operational deflection shapes, as well as relatively high-frequency impedance measurements to detect structural damage. Experimental results with application to SHM, sensor diagnostics and low-frequency vibration data acquisition are presented.
Kim, Junhee;Swartz, R. Andrew;Lynch, Jerome P.;Lee, Jong-Jae;Lee, Chang-Geun
Smart Structures and Systems
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v.6
no.5_6
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pp.505-524
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2010
Wireless structural monitoring systems consist of networks of wireless sensors installed to record the loading environment and corresponding response of large-scale civil structures. Wireless monitoring systems are desirable because they eliminate the need for costly and labor intensive installation of coaxial wiring in a structure. However, another advantageous characteristic of wireless sensors is their installation modularity. For example, wireless sensors can be easily and rapidly removed and reinstalled in new locations on a structure if the need arises. In this study, the reconfiguration of a rapid-to-deploy wireless structural monitoring system is proposed for monitoring short- and medium-span highway bridges. Narada wireless sensor nodes using power amplified radios are adopted to achieve long communication ranges. A network of twenty Narada wireless sensors is installed on the Yeondae Bridge (Korea) to measure the global response of the bridge to controlled truck loadings. To attain acceleration measurements in a large number of locations on the bridge, the wireless monitoring system is installed three times, with each installation concentrating sensors in one localized area of the bridge. Analysis of measurement data after installation of the three monitoring system configurations leads to reliable estimation of the bridge modal properties, including mode shapes.
Traffic-induced vibrations (TIVs) possess the potential to induce structural damage in both historical and critical edifices. Recent investigations have underscored the adverse impact of TIVs within buildings, manifesting as a deleterious influence on the quality of life and operational efficiency of occupants. Consequently, these studies have dichotomized TIVs into two primary limit categories: the threshold for vibrations capable of causing structural damage and the limit values associated with human comfort. In this current research endeavor, an exhaustive analysis of peak ground acceleration (PGA), peak ground velocity (PGV), peak ground displacement (PGD), and the frequency spectrum of ground motions originating from diverse traffic sources has been conducted. Furthermore, the detrimental repercussions of these vibrations on structures, gauged through the assessment of the peak particle velocity (PPV) parameter, have been systematically evaluated. The findings of this study elucidate that TIVs within the examined structures do not attain magnitudes conducive to structural compromise; however, the levels surpassing human comfort limits are evident, attributable to specific sources and distances. Moreover, this investigation sheds light on the absence of comprehensive criteria and guidelines pertaining to the assessment of TIVs in structures within the Turkish Building Seismic Design Code 2018. It seeks to raise awareness among building constructors about the critical importance of addressing this issue, emphasizing the imperative for guidelines in mitigating the impact of TIVs on both structural integrity and human well-being.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.15
no.2
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pp.170-178
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2011
In this paper, a research was performed to develop a wireless measurement system for bridge monitoring using MEMS sensor and bluetooth wireless communication module. First, in order to prove the suitability of MEMS sensor for the bridge measurement, its ranges of measuring acceleration and of frequency response were experimented. Also, the quality of wireless communication was tested by an experiment on long-distance communication for the knowledge of maximum communication distance, and also by an experiment on the data transmit-receive capability both inside and outside of a steel box bridge. Later, placing the wireless acceleration sensor system that had been developed in our lab on a bridge in public service, we acquired vibration data from the bridge under traffic load and analyzed its dynamic characteristics in realtime. For the analysis of the data, NExT & ERA algorithm were employed. The result of analysis was compared to the FE analysis of the same bridge, and the comparison made it possible to evaluate the performance of wireless acceleration sensor system. As a result, it was proven that the wireless acceleration sensor system developed with the use of MEMS sensor and bluetooth wireless communication module could be effectively applied to the measurement of structure whose vibration feature was low frequency like a bridge.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.33
no.2
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pp.121-128
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2020
The purpose of this study is to investigate the distribution patterns of displacement and acceleration fields in a nonlinear soil ground based on the interaction of high-speed train, wheel, rail, and ground. For this purpose, a high-speed train in motion was modeled as the actual wheel, and the vertical contact of wheel and rail and the lateral contact, caused by meandering motion, were simulated; this simulation was based on the moving mass analysis. The soil ground part was given the nonlinear behavior of the upper ground part by using the modified the Drucker-Prager model, and the changes in displacement and acceleration were compared with the behavior of the elastic and inelastic grounds. Using this analysis, the displacement and acceleration ranges close to the actual ground behavior were addressed. Additionally, the von-Mises stress and equivalent plastic strain at the ground were examined. Further, the equivalent plastic and total volumetric strains at each failure surface were examined. The variation in stresses, such as vertical stress, transverse pressure, and longitudinal restraint pressure of wheel-rail contact, with the time history was investigated using moving mass. In the case of nonlinear ground model, the displacement difference obtained based on the train travel is not large when compared to that of the elastic ground model, while the acceleration is caused to generate a large decrease.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.26
no.6
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pp.148-156
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2022
Although most domestic concrete structures are simultaneously exposed to freeze-thaw and chloride environments, concrete durability in the field is evaluated by each single action, and the evaluation of chloride-caused damage of concrete requires additional indoor experimental analysis of chloride contents by coring samples from structures in the field. However, in Korea, policies to strengthen facility maintenance, such as 「Special Act on the Safety Control and Maintenance of Establishments」 and 「Framework Act on Sustainable Infrastructure Management」, have been established and implemented since 2018 and facilities subject to safety inspection management by the government and local governments increases, the effective simplification technology for the inspection and diagnosis of concrete structure is needed. Therefore, this study attempted to evaluate the possibility of determining the acceleration chloride penetration of freeze-thaw damaged concrete by using the surface rebound value. For this purpose, concrete specimens already having freeze-thaw damage by exposure to the freeze-thaw acceleration environment were immersed in chloride water. After that, the acceleration relationship of chloride penetration according to freeze-thaw damage was analyzed using the amount of chloride contents in concrete.
Compared to the ambient vibration test mainly identifying the structural modal parameters, such as frequency, damping and mode shapes, the impact testing, which benefits from measuring both impacting forces and structural responses, has the merit to identify not only the structural modal parameters but also more detailed structural parameters, in particular flexibility. However, in traditional impact tests, an impacting hammer or artificial excitation device is employed, which restricts the efficiency of tests on various bridge structures. To resolve this problem, we propose a new method whereby a moving vehicle is taken as a continuous exciter and develop a corresponding flexibility identification theory, in which the continuous wheel forces induced by the moving vehicle is considered as structural input and the acceleration response of the bridge as the output, thus a structural flexibility matrix can be identified and then structural deflections of the bridge under arbitrary static loads can be predicted. The proposed method is more convenient, time-saving and cost-effective compared with traditional impact tests. However, because the proposed test produces a spatially continuous force while classical impact forces are spatially discrete, a new flexibility identification theory is required, and a novel structural identification method involving with equivalent load distribution, the enhanced Frequency Response Function (eFRFs) construction and modal scaling factor identification is proposed to make use of the continuous excitation force to identify the basic modal parameters as well as the structural flexibility. Laboratory and numerical examples are given, which validate the effectiveness of the proposed method. Furthermore, parametric analysis including road roughness, vehicle speed, vehicle weight, vehicle's stiffness and damping are conducted and the results obtained demonstrate that the developed method has strong robustness except that the relative error increases with the increase of measurement noise.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.12
no.9
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pp.694-701
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2002
In this paper, through the study on locations of structural transducers for active control of the radiated sound from the vibrating plate, the active structural acoustic control (ASAC) system is proposed. And, for the evaluation of the proposed location, the experiment of the active structural acoustic control is implemented using the multi-channel filtered-x LMS algorithm and an additional filter (Acoustic Prediction Filter) to estimate the radiated sound using the acceleration signals of the plate. The structural transducers are piezoceramic actuator (PZT) and accelerometer. PZT is used as an actuator to reduce the vibration and the radiated sound. To maximize the control performance, each PZT actuator is located at the position that has the largest control sensitivity of the plate bending moment in the direction of x and y coordinates and the optimal PZT location is validated experimentally. Also, to find the acoustic prediction filter accurately, two accelerometers are located at the positions that have the largest radiation efficiencies of the plate, and the proposed locations are validated by simulation using the Rayleigh integral. The multi-channel filtered-x LMS algorithm is introduced to control a complex 2-D structural vibration mode. Finding the locations of structural transducers for active structural acoustic control of the radiated sound, the active structural acoustic control (ASAC) system can be presented and validated by experiments using a real time control system.
Physical experiment through MBL has been used in many schools for a long time since students can check the experiment results immediately and conduct the experiment easily. However, conducting the experiment, not knowing the principle of the device or simply concentrating on the derived data has been raised as the problem of MBL experiment. To supplement this problem, this study measured the acceleration of gravity with the picket fence method, which is often used in MBL experiment, utilizing Arduino, calculated the error rate through a comparison to the actual acceleration of gravity and discussed the educational application of the experiment to measure it. As a result of the experiment, the error rate between the acceleration of gravity calculated by the experiment and the actual acceleration of gravity was about 1%, so it turned out that relatively accurate measurements were possible. Also, the sample mean of the experimental value was included in the confidence interval of 95%, so it could be concluded that it was a significant experiment. In addition, this study showed the possibility of the educational application of the experiment to measure it through the following: It can supplement the structural disadvantages of MBL; it can consider the interaction between Physics and Math; it is possible to converge with information course in STEAM education; and it is inexpensive to be equipped with the equipment. Hopefully, the physical experiment utilizing Arduino will further be revitalized in science gifted education based on this study.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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