This paper begins by analyzing cable vibrations due to external excitations and their effects on the overall dynamic behavior of cable-stayed bridges. It is concluded that if the natural frequency of a cable approaches any natural frequency of the bridge, the cable loses its rigidity and functionality. The results of this analysis explain the phenomenon that occurred on the Dubrovnik Bridge in Croatia during a storm and measures for its retrofit. A field test was conducted before the bridge was opened to traffic. It was concluded: "The Bridge excited unpleasant transverse superstructure vibration with the frequency of approximately 0.470 Hz. Hence, it seems possible that a pair of stays vibrating in phase may excite deck vibrations". Soon after this Bridge opened, a storm dumped heavy damp snow in the area, causing the six longest cable stay pairs of the main span to undergo large-amplitude vibrations, and the superstructure underwent considerable displacements in combined torsion-sway and bending modes. This necessitated rehabilitation measures for the Bridge including devices to suppress the large-amplitude vibrations of cables. The rehabilitation and monitoring of the Bridge are also presented here.
The humid thermal vibration characteristics of a nonhomogeneous thermopiezoelectric nonlocal plate of polygonal shape are addressed in the purview of generalized nonlocal thermoelasticity. The plate is initially stressed, and the three-dimensional linear elasticity equations are taken to form motion equations. The problem is solved using the Fourier expansion collocation method along the irregular boundary conditions. The numerical results of physical variables have been discussed for the triangle, square, pentagon, and hexagon shapes of the plates and are given as dispersion curves. The amplitude of non-dimensional frequencies is tabulated for the longitudinal and flexural symmetric modes of the thermopiezoelectric plate via moisture and thermal constants. Also, a comparison of numerical results is made with existing literature, and good agreement is reached.
The single-column pier girder bridge, due to its low engineering cost, small footprint, and aesthetic appearance, is extensively employed in urban viaducts and interchange ramps. However, its structural design makes it susceptible to eccentric loads, flexural-torsional coupling effects, and centrifugal forces, among others. To evaluate its anti-overturning performance reasonably, it is crucial to determine the reaction force of the support for the single-column pier girder bridge. However, due to the interaction between vehicle and bridge and the complexity of vibration modes, it poses a significant challenge to analyze the theory or finite element method of single-column pier girder bridges. The unit load bearing reaction coefficient method is proposed in this study to facilitate the static analysis. Numerous parameter analyses have been conducted to account for the dynamic amplification effect. The results of these analyses reveal that the dynamic amplification factor is independent of road surface roughness but is influenced by factors such as the position of the support. Based on parameter analysis, the formula of the dynamic amplification factor is derived by fitting.
Altunisik, Ahmet Can;Bayraktar, Alemdar;Ozdemir, Hasan
Smart Structures and Systems
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v.10
no.2
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pp.131-154
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2012
In this paper, it is aimed to determine the seismic behaviour of highway bridges by nondestructive testing using ambient vibration measurements. Eynel Highway Bridge which has arch type structural system with a total length of 216 m and located in the Ayvaclk county of Samsun, Turkey is selected as an application. The bridge connects the villages which are separated with Suat U$\breve{g}$urlu Dam Lake. A three dimensional finite element model is first established for a highway bridge using project drawings and an analytical modal analysis is then performed to generate natural frequencies and mode shapes in the three orthogonal directions. The ambient vibration measurements are carried out on the bridge deck under natural excitation such as traffic, human walking and wind loads using Operational Modal Analysis. Sensitive seismic accelerometers are used to collect signals obtained from the experimental tests. To obtain experimental dynamic characteristics, two output-only system identification techniques are employed namely, Enhanced Frequency Domain Decomposition technique in the frequency domain and Stochastic Subspace Identification technique in time domain. Analytical and experimental dynamic characteristic are compared with each other and finite element model of the bridge is updated by changing of boundary conditions to reduce the differences between the results. It is demonstrated that the ambient vibration measurements are enough to identify the most significant modes of highway bridges. After finite element model updating, maximum differences between the natural frequencies are reduced averagely from 23% to 3%. The updated finite element model reflects the dynamic characteristics of the bridge better, and it can be used to predict the dynamic response under complex external forces. It is also helpful for further damage identification and health condition monitoring. Analytical model of the bridge before and after model updating is analyzed using 1992 Erzincan earthquake record to determine the seismic behaviour. It can be seen from the analysis results that displacements increase by the height of bridge columns and along to middle point of the deck and main arches. Bending moments have an increasing trend along to first and last 50 m and have a decreasing trend long to the middle of the main arches.
A good understanding of normal modal variability of civil structures due to varying environmental conditions such as temperature and wind is important for reliable performance of vibration-based damage detection methods. This paper addresses the quantification of wind-induced modal variability of a cable-stayed bridge making use of one-year monitoring data. In order to discriminate the wind-induced modal variability from the temperature-induced modal variability, the one-year monitoring data are divided into two sets: the first set includes the data obtained under weak wind conditions (hourly-average wind speed less than 2 m/s) during all four seasons, and the second set includes the data obtained under both weak and strong (typhoon) wind conditions during the summer only. The measured modal frequencies and temperatures of the bridge obtained from the first set of data are used to formulate temperature-frequency correlation models by means of artificial neural network technique. Before the second set of data is utilized to quantify the wind-induced modal variability, the effect of temperature on the measured modal frequencies is first eliminated by normalizing these modal frequencies to a reference temperature with the use of the temperature-frequency correlation models. Then the wind-induced modal variability is quantitatively evaluated by correlating the normalized modal frequencies for each mode with the wind speed measurement data. It is revealed that in contrast to the dependence of modal frequencies on temperature, there is no explicit correlation between the modal frequencies and wind intensity. For most of the measured modes, the modal frequencies exhibit a slightly increasing trend with the increase of wind speed in statistical sense. The relative variation of the modal frequencies arising from wind effect (with the maximum hourly-average wind speed up to 17.6 m/s) is estimated to range from 1.61% to 7.87% for the measured 8 modes of the bridge, being notably less than the modal variability caused by temperature effect.
Piezoelectric composites have been widely used in broadband acoustic transducers because of their lower acoustic impedance and higher electro-mechanical coupling factor. However, their complex structure has placed many limitations on the design of various transducers. This paper suggests the methodology to substitute the 1-3 piezocomposites by a single-phased material that has properties equivalent to those of the piezocomposites. The resonant method and finite element analysis (FEA) are used to derive the equivalent properties that can accurately depict resonant properties at various vibration modes of the piezocomposites. Validity of the suggested method is confirmed by comparing frequency characteristics of fabricated 1-3 piezocomposite specimens and FEA models. Further, accuracy of the derived material constants is checked by applying the equivalent properties to FEA models of the single phase material for various resonant modes.
Chung, Yoonjae;Yang, Seung Soo;Yu, Minjae;Kim, Young H.
The Journal of the Acoustical Society of Korea
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v.37
no.4
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pp.174-180
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2018
In this study, the propagation characteristics of Lamb waves in anisotropic silicon wafers of (100) and (111) direction were investigated by PVDF (Polyvinylidene Fluoride) line-focused transducer. The modified V(f,z) method was used because the Lamb waves are dispersive. For confirming the anisotropy, a line-focused transducer was used and the silicon wafer was rotated 180 degrees at intervals of 1 degree. As a result, $A_0$ and $S_0$ modes were observed. The speed of $S_0$ mode according to propagation direction showed anisotropy which is associated with the crystal structure, and the speed of $A_0$ mode was isotropic. The result is consistent with the crystal structure of silicon and the mechanism of vibration of each Lamb wave modes.
Shear walls are a typical member under a complex stress state and have complicated mechanical properties and failure modes. The separated-elements model Genetic Evolutionary Structural Optimization (GESO), which is a combination of an elastic-plastic stress method and an optimization method, has been introduced in the literature for designing such members. Although the separated-elements model GESO method is well recognized due to its stability, feasibility, and economy, its adequacy has not been experimentally verified. This paper seeks to validate the adequacy of the separated-elements model GESO method against experimental data and demonstrate its feasibility and advantages over the traditional elastic stress method. Two types of reinforced concrete shear wall specimens, which had the location of an opening in the middle bottom and the center region, respectively, were utilized for this study. For each type, two specimens were designed using the separated-elements model GESO method and elastic stress method, respectively. All specimens were subjected to a constant vertical load and an incremental lateral load until failure. Test results indicated that the ultimate bearing capacity, failure modes, and main crack types of the shear walls designed using the two methods were similar, but the ductility indexes including the stiffness degradation, deformability, reinforcement yielding, and crack development of the specimens designed using the separated-elements model GESO method were superior to those using the elastic stress method. Additionally, the shear walls designed using the separated-elements model GESO method, had a reinforcement layout which could closely resist the actual critical stress, and thus a reduced amount of steel bars were required for such shear walls.
The dynamic instability of doubly curved panels, subjected to non-uniform tensile in-plane harmonic edge loading $P(t)=P_s+P_d\;{\cos}{\Omega}t$ is investigated. The present work deals with the problem of the occurrence of combination resonances in contrast to simple resonances in parametrically excited doubly curved panels. Analytical expressions for the instability regions are obtained at ${\Omega}={\omega}_m+{\omega}_n$, (${\Omega}$ is the excitation frequency and ${\omega}_m$ and ${\omega}_n$ are the natural frequencies of the system) by using the method of multiple scales. It is shown that, besides the principal instability region at ${\Omega}=2{\omega}_1$, where ${\omega}_1$ is the fundamental frequency, other cases of ${\Omega}={\omega}_m+{\omega}_n$, related to other modes, can be of major importance and yield a significantly enlarged instability region. The effects of edge loading, curvature, damping and the static load factor on dynamic instability behavior of simply supported doubly curved panels are studied. The results show that under localized edge loading, combination resonance zones are as important as simple resonance zones. The effects of damping show that there is a finite critical value of the dynamic load factor for each instability region below which the curved panels cannot become dynamically unstable. This example of simultaneous excitation of two modes, each oscillating steadily at its own natural frequency, may be of considerable interest in vibration testing of actual structures.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.19
no.5
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pp.30-37
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2015
The estimation of system damping parameter of the response signal with lower natural frequency and higher damping parameter from free vibration is affected by the wavelet center frequency. This study discusses these considerations in the context of the wavelet's multi-resolution character and includes guidelines for selection of wavelet center frequency. The experiment with H-Beam and numerical examples with respect to three cases (i)single mode, (ii)separated modes and (iii)close modes demonstrate the validity of method to improve the accuracy of the estimated damping parameter. The localization of the corresponding scale for the total scales is determined by the natural frequency of the analysing mode and is affected by the wavelet center frequency. Thus, the reliability for the accuracy of the estimated damping parameter can be improved by the corresponding scale of the natural frequency for the analysing mode is localized at the half of the total scales.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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