Using Instrumented Vehicles To Detect Damage in Bridges

Bridge structures are subject to continuous degradation due to the environment, ageing and excess loading. Monitoring of bridges is a key part of any maintenance strategy as it can give early warning if a bridge is becoming unsafe. This paper will theoretically assess the ability of a vehicle fitted with accelerometers on its axles to detect changes in damping of bridges, which may be the result of damage. Two vehicle models are used in this investigation. The first is a two degree-of-freedom quarter-car and the second is a four degree-of-freedom halfcar. The bridge is modelled as a simply supported beam and the interaction between the vehicle and the bridge is a coupled dynamic interaction algorithm. Both smooth and rough road profiles are used in the simulation and results indicate that changes in bridge damping can be detected by the vehicle models for a range of vehicle velocities and bridge spans.

Using Instrumented Vehicles to Detect Damage in Bridges

This paper describes a ‘drive-by’ method of bridge inspection using an instrumented vehicle. Accelerometers on the vehicle are proposed as a means of detecting damage on the bridge in the time it takes for the vehicle to cross the bridge at full highway speed. For a perfectly smooth road profile, the method is shown to be feasible. Changes in bridge damping, which is an indicator of damage, are clearly visible in the acceleration signal of a quarter-car vehicle on a smooth road surface modelled using MatLab. When road profile is considered, the influence of changes in bridge damping on the vehicle acceleration signal is much less clear. However, when a half-car model is used on a road with a rough profile, it is again possible to detect changes in bridge damping, provided the vehicle has two identical axles.

Extracting statistically dominant modes of a steel truss bridge from vehicle-induced vibrations

This study is intended to investigate the validity of the stability diagram (SD) aided multivariate autoregressive (MAR) analysis for identifying modal parameters of a real truss bridge. The MAR models are adopted to fit the time series of the dynamic accelerations recorded from a number of observation points on the bridge; then the modal parameters are extracted from the MAR model coefficient matrix. The SD is adopted to determine statistically dominant modes. In plotting the SD, a number of stability criteria are further adopted for filtering out those modes with unstable modal parameters. By the present method, the first five modal frequencies and mode shapes are identified with very high precision, while the damping ratios are identified with high precision for the 1st mode but with poorer precision for higher modes. Moreover, the ability of the SD in selecting structural modes without getting involved in any model-order optimization problem is highlighted through a comparison study.

Identification of Small Signal Oscillation Mode Parameters from Simulated and Actual PMU Ringdown Data

This paper presents the practical use of Prony Analysis to identify small signal oscillation mode parameters from simulated and actual phasor measurement unit (PMU) ringdown data. A well-known two-area four-machine power system was considered as a study case while the latest PMU ringdown data were collected from a double circuit 275 kV main interconnector on the Irish power system. The eigenvalue analysis and power spectral density were also conducted for the purpose of comparison. The capability of Prony Analysis to identify the mode parameters from three different types of simulated PMU ringdown data has been shown successfully. Furthermore, the results indicate that the Irish power system has dominant frequency modes at different frequencies. However, each mode has good system damping.

Investigation of tanpura string vibrations using a two-dimensional time-domain model incorporating coupling and bridge friction

Tanpura string vibrations have been investigated previously using numerical models based on energy conserving schemes derived from a Hamiltonian description in one-dimensional form. Such time-domain models have the property that, for the lossless case, the numerical Hamiltonian (representing total energy of the system) can be proven to be constant from one time step
to the next, irrespective of any of the system parameters; in practice the Hamiltonian can be shown to be conserved within machine precision. Models of this kind can reproduce a jvari effect, which results from the bridge-string interaction. However the one-dimensional formulation has recently been shown to fail to replicate the jvaris strong dependence on the thread placement. As a first step towards simulations which accurately emulate this sensitivity to the thread placement, a twodimensional model is proposed, incorporating coupling of controllable level between the two string polarisations at the string termination opposite from the barrier. In addition, a friction force acting when the string slides across the bridge in horizontal direction is introduced, thus effecting a further damping mechanism. In this preliminary study, the string is terminated at the position of the thread. As in the one-dimensional model, an implicit scheme has to be used to solve the system, employing Newton's method to calculate the updated positions and momentums of each string segment. The two-dimensional model is proven to be energy conserving when the loss parameters are set to zero, irrespective of the coupling constant. Both frequency-dependent and independent losses are then added to the string, so that the model can be compared to analogous instruments. The influence of coupling and the bridge friction are investigated.

Electron-impact excitation of W 44+ and W 45+

Plans to employ tungsten in the divertor region of the International Thermonuclear Experimental Reactor require radiative and collisional data for modelling x-ray emissions of highly ionized stages of tungsten. In an earlier paper, we reported on the results of fully relativistic R -matrix calculations for W 46+ that included the effects of radiation damping on the resonance contributions. In this paper, we present the results of similar fully relativistic, radiatively damped R -matrix calculations for W 44+ and W 45+ . Radiation damping is found to be small for W 45+ , but is appreciable for many of the excitations from the ground and metastable levels of W 44+ . Rates from the present calculations will be combined with those from the calculations for W 46+ and employed for collisional-radiative modelling for these ions.

Relativistic radiatively damped R -matrix calculations of the electron-impact excitation of helium-like iron and krypton

Electron-impact excitation data for He-like ions are of significant importance for diagnostic applications to both laboratory and astrophysical plasmas. Here we report on the first fully relativistic R -matrix calculations with radiation damping for the He-like ions Fe 24+ and Kr 34+ . Effective collision strengths for these two ions have been determined with and without damping over a wide temperature range for all transitions between the 49 levels through n = 5. We find that damping has a pronounced effect on the effective collision strengths for excitation to some of the low-lying levels, but its effect on excitation to the vast majority of levels is small. At the energy of a resonance peak, we also investigate the effect of radiation damping on the angular distribution of scattered electrons. Finally, we compare our results for Fe 24+ with an earlier intermediate coupling frame transformation R -matrix calculation with radiation damping by Whiteford et al ( J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 34 3179) and find good agreement, especially for excitation to the lower levels.

Relativistic radiatively damped R-matrix calculation of the electron-impact excitation of W46+

The current design plans for the International Thermonuclear\nExperimental Reactor ( ITER) call for tungsten to be employed for\ncertain plasma facing components in the divertor region. Thus, accurate\natomic collision data are needed for emission modelling of tungsten.\nElectron-impact excitation and radiative rates are of particular\nimportance for Ni-like W, since this ion emits some of the most intense\nspectral lines of all ionization stages. We report on a fully\nrelativistic 115-level R-matrix calculations of W46+, which includes the\neffects of radiation damping. Although radiation damping is very\nimportant in most highly ionized species, its effects are reduced in\nthis case because of the closed-shell Ni-like ground state. The rates\nfrom these relativistic atomic calculations will be employed for\ncollisional-radiative modelling of this ion.

Dirac R -matrix calculations of electron-impact excitation of neon-like krypton

We have employed the Dirac R -matrix method to determine electron-impact excitation cross sections and effective collision strengths in Ne-like Kr 26+ . Both the configuration-interaction expansion of the target and the close-coupling expansion employed in the scattering calculation included 139 levels up through n = 5. Many of the cross sections are found to exhibit very strong resonances, yet the effects of radiation damping on the resonance contributions are relatively small. Using these collisional data along with multi-configuration Dirac–Fock radiative rates, we have performed collisional-radiative modeling calculations to determine line-intensity ratios for various radiative transitions that have been employed for diagnostics of other Ne-like ions.

An overview of seismic hybrid testing of engineering structures

An overview of research on the development of the hybrid test method is presented. The maturity of the hybrid test method is mapped in order to provide context to individual research in the overall development of the test method. In the pseudo dynamic (PsD) test method, the equations of motion are solved using a time stepping numerical integration technique with the inertia and damping being numerically modelled whilst restoring force is physically measured over an extended timescale. Developments in continuous PsD testing led to the real-time hybrid test method and geographically distributed hybrid tests. A key aspect to the efficiency of hybrid testing is the substructuring technique where the critical structural subassemblies that are fundamental to the overall response of the structure are physically tested whilst the remainder of the structure whose response can be more easily predicted is numerically modelled. Much of the early research focused on developing the accuracy and efficiency of the test method, whereas more recently the method has matured to a level where the test method is applied purely as a dynamic testing technique. Developments in numerical integration methods, substructuring, experimental error reduction, delay compensation and speed of testing have led to a test method now in use as full-scale real-time dynamic testing method that is reliable, accurate, efficient and cost effective.

Localized structures in complex plasmas in the presence of a magnetic field

In this work, the general framework in which fits our investigation is that of modeling the dynamics of dust grains therein dusty plasma (complex plasma) in the presence of electromagnetic fields. The generalized discrete complex Ginzburg-Landau equation (DCGLE) is thus obtained to model discrete dynamical structure in dusty plasma with Epstein friction. In the collisionless limit, the equation reduces to the modified discrete nonlinear Schrödinger equation (MDNLSE). The modulational instability phenomenon is studied and we present the criterion of instability in both cases and it is shown that high values of damping extend the instability region. Equations thus obtained highlight the presence of soliton-like excitation in dusty plasma. We studied the generation of soliton in a dusty plasma taking in account the effects of interaction between dust grains and theirs neighbours. Numerical simulations are carried out to show the validity of analytical approach.

Biaxial seismic behaviour of reinforced concrete columns

A análise dos efeitos dos sismos mostra que a investigação em engenharia sísmica deve dar especial atenção à avaliação da vulnerabilidade das construções existentes, frequentemente desprovidas de adequada resistência sísmica tal como acontece em edifícios de betão armado (BA) de muitas cidades em países do sul da Europa, entre os quais Portugal. Sendo os pilares elementos estruturais fundamentais na resistência sísmica dos edifícios, deve ser dada especial atenção à sua resposta sob ações cíclicas. Acresce que o sismo é um tipo de ação cujos efeitos nos edifícios exige a consideração de duas componentes horizontais, o que tem exigências mais severas nos pilares comparativamente à ação unidirecional. Assim, esta tese centra-se na avaliação da resposta estrutural de pilares de betão armado sujeitos a ações cíclicas horizontais biaxiais, em três linhas principais. Em primeiro lugar desenvolveu-se uma campanha de ensaios para o estudo do comportamento cíclico uniaxial e biaxial de pilares de betão armado com esforço axial constante. Para tal foram construídas quatro séries de pilares retangulares de betão armado (24 no total) com diferentes características geométricas e quantidades de armadura longitudinal, tendo os pilares sido ensaiados para diferentes histórias de carga. Os resultados experimentais obtidos são analisados e discutidos dando particular atenção à evolução do dano, à degradação de rigidez e resistência com o aumento das exigências de deformação, à energia dissipada, ao amortecimento viscoso equivalente; por fim é proposto um índice de dano para pilares solicitados biaxialmente. De seguida foram aplicadas diferentes estratégias de modelação não-linear para a representação do comportamento biaxial dos pilares ensaiados, considerando não-linearidade distribuída ao longo dos elementos ou concentrada nas extremidades dos mesmos. Os resultados obtidos com as várias estratégias de modelação demonstraram representar adequadamente a resposta em termos das curvas envolventes força-deslocamento, mas foram encontradas algumas dificuldades na representação da degradação de resistência e na evolução da energia dissipada. Por fim, é proposto um modelo global para a representação do comportamento não-linear em flexão de elementos de betão armado sujeitos a ações biaxiais cíclicas. Este modelo tem por base um modelo uniaxial conhecido, combinado com uma função de interação desenvolvida com base no modelo de Bouc- Wen. Esta função de interação foi calibrada com recurso a técnicas de otimização e usando resultados de uma série de análises numéricas com um modelo refinado. É ainda demonstrada a capacidade do modelo simplificado em reproduzir os resultados experimentais de ensaios biaxiais de pilares.

Colaboração em didática: utopia, desencanto e possibilidade

O presente estudo ocupa-se de uma problemática em Didática – as relações entre a investigação científica e o desenvolvimento do campo – e assenta no pressuposto de que essas relações se constroem conjugando o pensamento e a atuação de investigadores, académicos, professores, e formadores de professores, numa ação conjunta conduzida com a participação comprometida das suas instituições profissionais e orientada para o desenvolvimento de todos os intervenientes, da sua área de atividade e, assim, do ensino/aprendizagem e dos alunos. Nesse sentido, o estudo foi concebido no intuito de criar condições propícias ao estreitamento das relações em foco, tendo em vista, simultaneamente, o aprofundamento do conhecimento sobre a problemática. Assumiu, pois, uma finalidade de intervenção no terreno e uma finalidade científica de avaliação da experiência proporcionada por essa intervenção, na expectativa do alargamento da compreensão do objeto de estudo. Na confluência dessas finalidades, a investigação desenvolveu-se como um estudo de caso norteado por duas proposições teóricas: - A colaboração entre académicos e professores, no âmbito de projetos de investigação em Didática, e o comprometimento das instituições profissionais de ambos com essas iniciativas colaborativas poderão favorecer o desenvolvimento do campo, dos atores que nele intervêm e das instituições implicadas. - A formação contínua de professores centrada na investigação em Didática poderá constituir espaço privilegiado para o desenvolvimento dessas dinâmicas de colaboração. No alinhamento destas proposições com a finalidade interventiva do estudo, diferentes atores em Didática foram desafiados a envolver-se numa iniciativa de investigação/formação colaborativa e daí resultou o caso analisado nesta investigação, o projeto ICA/DL (Investiga, Colabora e Atua em Didática de Línguas). Tal projeto, realizado no âmbito de uma parceria formalizada num Protocolo de Colaboração, envolveu uma equipa composta por cinco docentes do Departamento de Didática e Tecnologia Educativa (atual Departamento de Educação) da Universidade de Aveiro e por 4 professores da Escola Secundária Dr. João Carlos Celestino Gomes – Ílhavo e implicou ainda, institucionalmente, a universidade, a escola e o Centro de Formação das Escolas do Concelho de Ílhavo (atualmente, Centro de Formação de Associação de Escolas dos Concelhos de Ílhavo, Vagos e Oliveira do Bairro). As atividades do projeto iniciaram-se no final de 2003, com os primeiros encontros de negociação da parceria, e prolongaram-se até meados de 2007, altura em que a equipa reuniu pela última vez. O programa operacional central desenvolveu-se entre janeiro de 2004 e novembro de 2005 e concretizou-se num percurso de investigação e de formação em colaboração entre académicos e professores, concebido e implementado pela equipa e acreditado pelo Conselho Científico-Pedagógico da Formação Contínua. Tal programa centrou-se no estudo de um tópico em Didática de Línguas (a competência de aprendizagem plurilingue), na realização de intervenções de ensino/aprendizagem, no âmbito do mesmo tópico, junto dos alunos na escola e na avaliação da experiência com base em dados empíricos. A investigação que sobre o caso se conduziu, ao orientar-se, na prossecução da segunda finalidade estabelecida, para a compreensão da influência das dinâmicas colaborativas de investigação/formação sobre o desenvolvimento dos intervenientes (equipa, parceiros institucionais e alunos na escola), é também um estudo de impacte. A condução do processo empírico deu prioridade à produção de uma leitura integrada e complexa, capaz de evidenciar os impactes do projeto, interpretando-os com base na análise dos processos que terão condicionado a sua ocorrência. Nessa medida, a metodologia revestiu-se, intencionalmente, de uma natureza eminentemente interpretativa e qualitativa, socorrendo-se da triangulação de fontes, dados e procedimentos de análise. Contudo, o método integrou também procedimentos quantitativos, em particular, um exercício estatístico que, correlacionando totais de evidências verificadas e totais de evidências possíveis, procurou tornar mais precisa a avaliação da dimensão do impacte alcançado pelo projeto. Ensaiou-se, assim, uma abordagem metodológica em estudos de impacte em Educação, que propõe potenciar a compreensão de casos complexos, conjugando interpretação e objetivação/quantificação. A análise desvendou constrangimentos e obstáculos na vivência dos princípios conceptuais fundadores da noção de investigação/formação colaborativa que sustentou as proposições de partida e que fez emergir o ICA/DL. Tais dificuldades limitaram a assunção de responsabilidades partilhadas na condução processual da experiência, condicionaram dinâmicas supervisivas nem sempre colaborativas e facilitadoras e manifestaram-se em atitudes de compromisso por vezes frágil com o projeto. E terão afetado a concretização das expectativas iniciais de desenvolvimento de todos os participantes, determinando impactes de dimensão globalmente algo dececionante, assimetrias substantivas de influência da experiência levada a cabo no desenvolvimento profissional dos elementos da equipa e no desenvolvimento institucional e repercutindo-se em efeitos pouco expressivos no desenvolvimento dos alunos, no que toca a capacidades ativas de comunicação e de aprendizagem, enquadradas pelo tópico didático trabalhado no âmbito do projeto. Mas revelaram-se também sinais claros de que se avançou no sentido da concretização dos pressupostos colaborativos que sustentaram a iniciativa. Foi possível reunir académicos, professores e instituições educativas em torno da ideia de investigação/formação em colaboração e mobilizá-los como parceiros que se comprometeram na construção de um projeto assente nessa ideia. E percebeu-se que, apesar de pouco expressivo, houve impacte, pois há indicadores de que o projeto contribuiu positivamente para o desenvolvimento dos intervenientes. Na equipa, sinalizaram-se efeitos sobretudo nas práticas de ensino/aprendizagem das professoras e, no caso particular de uma delas, que teve uma participação mais envolvida em atividades de investigação, manifestaram-se impactes substancialmente mais notórios do que nos restantes elementos do grupo e que abrangeram diferentes dimensões da profissionalidade. As académicas, embora menos do que as professoras, também evidenciaram desenvolvimento, dominantemente, nos planos da investigação em Didática de Línguas e da formação de professores. E o ICA/DL parece ter proporcionado também impactes positivos junto das instituições implicadas, especialmente junto da universidade, designadamente, no que toca ao aprofundamento do pensamento sobre a problemática que sustentou a experiência e ao desenvolvimento de projetos de investigação. Por seu turno, os alunos, tendo revelado sinais modestos de reforço das suas capacidades de ação como interlocutores em situações de comunicação plurilingue e como aprendentes de línguas, deram mostras claras de terem tomado consciência de atitudes e de recursos que favorecem o desenvolvimento desses dois papéis. Para além disso, os responsáveis pela parceria, apesar dos obstáculos que limitaram o alcance dos seus propósitos, reafirmaram, na conclusão do projeto, a sua confiança nos princípios colaborativos que os uniram, antecipando a continuidade de uma experiência que entenderam como primeiro passo na concretização desses princípios. No balanço das fragilidades vividas e dos ganhos conquistados pelo ICA/DL, o estudo permite renovar a convicção inicial no poder transformador das práticas de investigação/formação colaborativa em Didática, e assim, na emergência de uma comunidade una de professores e de académicos, movida por um projeto comum de desenvolvimento da Educação. Nessa perspetiva, avançam-se sugestões que abrangem a investigação, o processo de ensino/aprendizagem nas escolas, a formação de professores, as políticas em Didática e a Supervisão.

Optimisation of viscoelastic treatments using genetic algorithms

Viscoelastic treatments are one of the most efficient treatments, as far as passive damping is concerned, particularly in the case of thin and light structures. In this type of treatment, part of the strain energy generated in the viscoelastic material is dissipated to the surroundings, in the form of heat. A layer of viscoelastic material is applied to a structure in an unconstrained or constrained configuration, the latter proving to be the most efficient arrangement. This is due to the fact that the relative movement of both the host and constraining layers cause the viscoelastic material to be subjected to a relatively high strain energy. There are studies, however, that claim that the partial application of the viscoelastic material is just as efficient, in terms of economic costs or any other form of treatment application costs. The application of patches of material in specific and selected areas of the structure, thus minimising the extension of damping material, results in an equally efficient treatment. Since the damping mechanism of a viscoelastic material is based on the dissipation of part of the strain energy, the efficiency of the partial treatment can be correlated to the modal strain energy of the structure. Even though the results obtained with this approach in various studies are considered very satisfactory, an optimisation procedure is deemed necessary. In order to obtain optimum solutions, however, time consuming numerical simulations are required. The optimisation process to use the minimum amount of viscoelastic material is based on an evolutionary geometry re-design and calculation of the modal damping, making this procedure computationally costly. To avert this disadvantage, this study uses adaptive layerwise finite elements and applies Genetic Algorithms in the optimisation process.

Utilisation of fibre reinforced polymer (FRP) composites in the confinement of concrete

This paper presents an experimental investigation carried out on concrete cylinders confined with fibre reinforced polymers (FRP), subjected to monotonic and cyclic loading. Carbon fibres (CFRP) were used as confining material for the concrete specimens. The failure mode, reinforcement ratio based on jacket thickness and type of loading are examined. The study shows that external confinement of concrete can enhance its strength and ductility as well as result in large energy absorption capacity. This has important safety implications, especially in regions with seismic activity.