The classical Kalman filter (KF) provides a practical and efficient state estimation approach for structural identification and vibration control. However, the classical KF approach is applicable only when external inputs are assumed known. Over the years, some approaches based on Kalman filter with unknown inputs (KF-UI) have been presented. However, these approaches based solely on acceleration measurements are inherently unstable which leads poor tracking and so-called drifts in the estimated unknown inputs and structural displacement in the presence of measurement noises. Either on-line regularization schemes or post signal processing is required to treat the drifts in the identification results, which prohibits the real-time identification of joint structural state and unknown inputs. In this paper, it is aimed to extend the classical KF approach to circumvent the above limitation for real time joint estimation of structural states and the unknown inputs. Based on the scheme of the classical KF, analytical recursive solutions of an improved Kalman filter with unknown excitations (KF-UI) are derived and presented. Moreover, data fusion of partially measured displacement and acceleration responses is used to prevent in real time the so-called drifts in the estimated structural state vector and unknown external inputs. The effectiveness and performance of the proposed approach are demonstrated by some numerical examples.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.20
no.3
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pp.229-237
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2007
In this study, an artificial neural network (ANN)-based damage detection algorithm using acceleration signals is developed for real-time alarming locations of damage in beam-type structures. A new ANN-algorithm using output-only acceleration responses is designed tot damage detection in real time. The cross-covariance of two acceleration-signals measured at two different locations is selected as the feature representing the structural condition. Neural networks are trained lot potential loading Patterns and damage scenarios of the target structure for which its actual loadings are unknown. The feasibility and practicality of the proposed method are evaluated from laboratory-model tests on free-free beams for which accelerations were measured before and after several damage cases.
This paper presents an integrated wind-induced dynamic analysis and computer-based design optimization technique for minimizing the structural cost of general tall buildings subject to static and dynamic serviceability design criteria. Once the wind-induced dynamic response of a tall building structure is accurately determined and the optimal serviceability design problem is explicitly formulated, a rigorously derived Optimality Criteria (OC) method is to be developed to achieve the optimal distribution of element stiffness of the structural system satisfying the wind-induced drift and acceleration design constraints. The effectiveness and practicality of the optimal design technique are illustrated by a full-scale 60-story building with complex 3D mode shapes. Both peak resultant acceleration criteria and frequency dependent modal acceleration criteria are considered and their influences on the optimization results are highlighted. Results have shown that the use of various acceleration criteria has different implications in the habitability evaluations and subsequently different optimal design solutions. The computer based optimization technique provides a powerful tool for the lateral drift and occupant comfort design of tall building structures.
Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction
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v.35
no.11
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pp.129-136
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2019
Non-structural elements are vulnerable to earthquake ground motion. In this study, an experimental study for the electrical non-structural element was performed using tri-axial shaking table tests. A 100kVA UPS(Uninterruptible Power Supply system) was used as the test specimen. The test specimen was anchored to the concrete slab using the conventional installation detail. The input acceleration were generated in accordance with ICC-ES AC156 code. Scale factors of the input acceleration with respect to the required response spectrum defined in ICC-ES AC156 were from 25% to 600%. Based on the test results, damage and dynamic characteristics of UPS were evaluated and analyzed including natural frequency, damping ratio, acceleration time history response, dynamic amplification factor and relative displacement.
Computational Structural Engineering : An International Journal
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v.1
no.1
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pp.11-20
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2001
The paper describes the conceptual design, structural modelling and wind load analysis of tall buildings. The lateral stiffness of the building can be obtained economically through the interaction of core walls with peripheral frame tube and/or bundle of frame tubes and integrated design of the basement. The main structural components should be properly distributed such that the building will deflect mainly in the direction of the applied force without inducing significant response in other directions and twist. The cost effectiveness can be further enhanced through close consultation between architects and engineers at an early stage of conceptual design. Simplified structural modelling of the building and its response in three principal directions due to wind load are included. Effects of the two main structural components on the performances of a 70-story reinforced concrete building in terms of peak drift and maximum acceleration under wind load are discussed.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.22
no.6
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pp.114-122
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2018
This study presents the emergency assessment method about seismic safety of cable-supported bridges using seismic acceleration sensors installed on the primary structural elements of them. The structural models of bridges are updated iteratively to make their dynamic characteristics to be similar to those of real bridges based on the comparison of their natural frequencies with those of real bridges estimated from acceleration data measured at ordinary times by the seismic acceleration sensor. The displacement at the location of each seismic acceleration sensor is derived by seismic analysis using design earthquake, and the peak value of them is determined as the disaster management criteria in advance. The displacement time history is calculated by the double integration of the acceleration time history which is recorded at each seismic acceleration sensor and filtered by high cut(low pass) and low cut(high pass) filters. Finally, the seismic safety is evaluated by the comparison of the peak value in calculated displacement time history with the disaster management criteria determined in advance. The applicability of proposed methodology is verified by performing the seismic safety assessment of 12 cable-supported bridges using the acceleration data recorded during Gyeongju earthquake.
In recent years the monitoring of structural behavior through acquisition of vibrational data has become common practice. In addition, recent advances in sensor development have made the collection of diverse dynamic information feasible. Other than the commonly collected acceleration information, Global Position System (GPS) receivers and non-contact, optical techniques have also allowed for the synchronous collection of highly accurate displacement data. The fusion of this heterogeneous information is crucial for the successful monitoring and control of structural systems especially when aiming at real-time estimation. This task is not a straightforward one as measurements are inevitably corrupted with some percentage of noise, often leading to imprecise estimation. Quite commonly, the presence of noise in acceleration signals results in drifting estimates of displacement states, as a result of numerical integration. In this study, a new approach based on a time domain identification method, namely the Unscented Kalman Filter (UKF), is proposed for correcting the "drift effect" in displacement or rotation estimates in an online manner, i.e., on the fly as data is attained. The method relies on the introduction of artificial white noise (WN) observations into the filter equations, which is shown to achieve an online correction of the drift issue, thus yielding highly accurate motion data. The proposed approach is demonstrated for two cases; firstly, the illustrative example of a single degree of freedom linear oscillator is examined, where availability of acceleration measurements is exclusively assumed. Secondly, a field inspired implementation is presented for the torsional identification of a tall tower structure, where acceleration measurements are obtained at a high sampling rate and non-collocated GPS displacement measurements are assumed available at a lower sampling rate. A multi-rate Kalman Filter is incorporated into the analysis in order to successfully fuse data sampled at different rates.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.13
no.3
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pp.59-67
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1993
The variations of the natural frequencies and the peak response acceleration at the top of prestressed concrete reactor building due to random variability and/or model uncertainty of structural parameters are studied. The results may be used as essential input parameters in seismic probabilistic risk assessment or seismic margin assessment of the reactor building. The sensitivity test of each structural parameter is first performed to determine the most influential parameter upon the natural frequency of structure model. Then Monte Carlo simulation technique is applied to evaluate the effect of parameter variation on the natural frequencies and the peak response acceleration. The acceleration time history is obtained by direct integration scheme. As the study results, it is found that the fundamental natural frequency and the peak response acceleration at the top of the building are most strongly affected by Young's modulus among the structural parameters, in which the value of mean plus one standard deviation obtained by probabilistic approach deviates up to about (+)12% from the result of deterministic method. Considering the uncertainty of flexural rigidity, the structural responses vary in range of (-)4%~(+)14%.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.8
no.6
s.40
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pp.73-80
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2004
A nonlinear time-domain system identification algorithm using measured acceleration data is developed for structural damage assessment. To take account of nonlinear behavior of structural systems, an output error between measured and computed acceleration increments has been defined and a constrained nonlinear optimization problem is solved for optimal structural parameters. The algorithm estimates time-varying properties of stiffness and damping parameters. Nonlinear response of restoring force of a structural system is recovered by using the estimated time-varying structural properties and computed displacement by Newmark-$\beta$ method. In the recovery, no pre-defined model for inelastic behavior has been assumed. In developing the algorithm, noise and incomplete measurement in space and state have been considered. To examine the developed algorithm, numerical simulation and laboratory experimental studies on a three-story shear building have been carried out.
In this paper, Simple Adaptive Control (SAC) is used to enhance the seismic response of nonlinear tall buildings based on acceleration feedback. Semi-active MR dampers are employed as control actuator due to their reliability and well-known dynamic models. Acceleration feedback is used because of availability, cost-efficiency and reliable measurements of acceleration sensors. However, using acceleration feedback in the control loop causes the structure not to apparently meet some requirements of the SAC algorithm. In addition to defining an appropriate SAC reference model and using inherently stable MR dampers, a modification in the original structure of the SAC is proposed in order to improve its adaptability to the situation in which the plant does not satisfy the algorithm's stability requirements. To investigate the performance of the developed control system, a numerical study is conducted on the benchmark 20-story nonlinear building and the responses of the SAC-controlled structure are compared to an $H_2/LQG$ clipped-optimal controller under the effect of different seismic excitations. As indicated by the results, SAC controller effectively reduces the story drifts and hence the seismically-induced damage throughout the structural members despite its simplicity, independence of structural parameters and while using fewer number of dampers in contrast with the $H_2/LQG$ clipped-optimal controller.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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