(ambient) vibration test: a practical tool for civil ... cbm day print.pdf · nakhornpoovarodom...

Nakhorn Poovarodom

Faculty of Engineering, Thammasat University

(Ambient) Vibration Test: A Practical Tool for Civil Engineering Problems

Introduction Theoretical Background Examples

Ambient vibration tests Identification of dynamic properties of buildings Identification of tension force in cable structures

Monitoring of vibration intensity Vibration criteria for occupants Vibration criteria for building structures Vibration criteria for sensitive equipment

Control of vibration Concept & demonstration Performance tests of TMDs for a steel stack

Faculty of EngineeringThammasat University

Contents of presentation

Structural Dynamics

Modal Analysis

Experimental Modal Analysis

Ambient Vibration Test


The classical vibration theory for linear systems that explains the existence of mode of vibrations and their parameters; Natural frequency/Natural period

Mode shape

Damping


Modal Analysis Theory

Natural Frequency and Natural Period

Natural Frequency Natural Periodmkf

21

f

T 1

Rigid Structures

High frequency or Short periodFlexible Structures

Low frequency of Long period

StiffnessMass

Basic Structural Dynamicsคาบธรรมชาต/ิความถี่ธรรมชาติและการสั่นพอง


Harmonically Forced Vibration

Dynamic Magnification Factor

Response StaticResponse Dynamic

D

tp sin0

D มีคามาก เมือ่

• จังหวะของแรงกระทําตรงกับ

จังหวะตามธรรมชาตขิอง

โครงสราง

• Damping ต่าํTransfer Function Faculty of Engineering

Thammasat University

Multi Degree of Freedom System , MDOF

T1 = 1.22 s. T2 = 0.44 s. T3 = 0.33 s.3-Story Building

Mode 1 Mode 2 Mode 3

(a) (b) (c) (d)

k = 100m = 1.0

m = 0.5

m = 1.0k = 100

k = 100

Mode 1 Mode 2 Mode 3

Vibration Modes of BeamVibration Modes of Beam

11stst ModeModeLow frequencyLow frequency

44thth ModeModeHigher frequencyHigher frequency


Damping (การลดพลังงานการสั่นไหว)

-1

-0.5

0

0.5

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Time

Am

plitu

de

No dampingDamping 0.5%Damping 3%

Applications of Applications of Modal AnalysisModal Analysis Correlate FE model with experiments

ปรับแกแบบจาํลองการคํานวณจากผลการทดสอบ

Study effects of structural modification ศึกษาผลของการปรับปรุงโครงสราง

Sensitivity analysis วิเคราะหพารามิเตอรหลัก

Force identification หาแรงที่กระทําตอระบบ

Response prediction ทํานายผลตอบสนอง

Structural damage detection ตรวจหาความเสียหาย

Design of vibration control scheme ออกแบบระบบลดการสั่นสะเทือน

Structural Health Monitoring การตรวจสอบสภาพความสมบูรณของโครงสราง

Aerospace Engineering

Mechanical Engineering

Electrical Engineering

Civil Engineering


How to Understand Dynamic Properties of How to Understand Dynamic Properties of StructuresStructures

Dynamic Properties

(Modal Parameters)

(a) Natural frequency

(b) Damping ratio

(c) Mode shape

Experimental Modal Analysis (Modal Testing) :

“The process of characterizing the dynamic behavior of a structure in terms of its modes of vibration using experimental data”

Techniques

(a) Analytical/ Numerical

(b) Experiments

(c) Combination of (a) and (b)

Simple Experimental Modal Analysis

Structure

Exciter

SensorAnalyzer


Experimental Vibration Tests

Forced vibration tests Measure response of structure due to controlled force

Free vibration tests Measure response of structure with initial condition

(by impulsive load)

Ambient vibration tests Measure response of structure under its natural motion


Ambient Vibration = Microtremors (?)

Microtremors (microsisms) = The constant vibrations of Earth’s surface

Very small amplitude (10‐4 to 10‐6 mm)

Caused by daily human activities and natural phenomena

Ambient Vibration TestAdvantages

No specific excitation source is required

Service condition test is applicable

Disadvantages

Poor signal‐to‐noise ratios, Only few lower modes can be identified

Sophisticated method for analysis

Highly sensitive equipments are necessary

Excitations should be random

Ambient Vibration Test

Evolution of dynamic tests

(Wenzel and Pichler 2005)

Fundamental Assumptions

Assumption for Modal Analysis

The structure is assumed to be linear

The structure is time invariant

The structure obeys Maxwell’s reciprocal law

The structure is observable

Additional assumption for AVT

The excitation is a broadband stochastic processmodeled by stationary white noise process

Experimental Modal Analysis Methods

Classify by the domain in which the modal parameter estimation model is formulated

Time domain Impulse‐response function

Frequency domain Frequency‐response function

Time‐Frequency presentation Wavelet, Hilbert Houng Transform

Random Force u(t)Natural Disturbances

Response of Structure to Random ExcitationsStructure

Random Response X(t)

fn f

SX (f)

f

SF (f)

fn f

22 or )( DfH

)( )( )( 2 fSfHfS XF

Transfer FunctionPSD of Force PSD of Response


Fourier Transform

Example of AVT ApplicationsTo understand dynamic characteristics of structure

‐ Identification of dynamic parameters‐ Identification of structural properties

Dynamic Properties of Buildings by Ambient Vibration Measurements


การตรวจวัดดวยวิธี Ambient Vibration Measurement

Equipments

Battery

SENSORData Acquisition System

GPS

วิธีการตรวจวัด

ตรวจวัดการสั่นไหวแบบ Ambient vibration ที่ชั้นบนสุดของอาคาร

ดวยเครื่องมือที่มีความละเอียดสูงเพื่อหาคาความถี่ธรรมชาติ และ

ความหนวง

ตรวจวัดการสั่นไหวที่ชั้นบนสุดของอาคารที่มีการจดัเรยีงหัววัด

หลายรูปแบบ เพื่อหารูปแบบการเคลื่อนทีท่ี่ชั้นบนสุด

ตรวจวัดการสั่นไหวที่ชั้นตางๆตลอดแนวดิ่งของอาคารเพื่อหาการ

เคลื่อนตัวสัมพัทธและ รูปรางการสั่นไหว (Mode shape)


Arrangement of Sensors on Building Roof

Response-Time History

0 50 100 150

-1

0

1x 10-4

X 1

0 50 100 150

-5

0

5

x 10-5

X 2

0 50 100 150

-5

0

5

10x 10-5

Y 1

0 50 100 150-1

0

1x 10-4

Y 2

Time(sec)

0 1 2 3 4 5 6 7 80

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3Fo

urie

r am

plitu

de [X

k]

Frequency (Hz)

Section 1Section 2Section 3Section 4Section 5Section 6Section 7Section 8Section 9Section 10Average plot

Fourier Magnitude Spectra

First Mode

Second Mode Third Mode

NS EWFirst Mode

10.79

0.640.5

0.280.12

0.05

-0.03

-0.19-0.3

-0.4-0.47

-0.53-0.54-0.58-0.57-0.57-0.51

-0.44-0.35

-0.3

-0.15

-0.08-0.05

-0.02 -0.020369

121518212427303336394245485154

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

1.000.860.850.81

0.760.730.70

0.640.62

0.560.520.49

0.420.40

0.350.32

0.22

0.11

0.080.04

0.17

0.28

0.030.03

0.000.010

369

121518212427303336394245485154

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

1.000.880.89

0.820.780.74

0.660.660.62

0.570.53

0.490.47

0.410.37

0.32

0.23

0.11

0.050.05

0.020.02

0.020.02

0.27

0.17

0369

121518212427303336394245485154

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

10.76

0.630.47

0.270.13

0.01-0.14-0.26

-0.36-0.48

-0.52-0.54

-0.62-0.59-0.58-0.54-0.51

-0.39-0.3

-0.19

-0.1-0.06-0.01-0.020

369

121518212427303336394245485154

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

Vibration Mode Shapes

NS EWSecond Mode

NS EWThird Mode

1

0.11

0.040.04

0.140.25

0.380.47

0.560.540.53

0.440.29

0.17-0.06-0.21

-0.37-0.52

-0.59-0.64

0.620.3

0.03-0.37-0.5

-0.56

0369

121518212427303336394245485154

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

1

0.12

-0.71-0.6

-0.42 0.080.3

0.62

-0.71-0.66

-0.52-0.36

-0.22-0.03 0.21

0.420.6

0.690.71

0.65

0.550.41

0.230.12

0.030.040

369

121518212427303336394245485154

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

N

E

C-3 C-2 C-1

C-1

C-2

C-3

Top Floor Vibration

Synchronized human motion


Vibration Shaker: Concept2 Masses are moving at the same rate but opposite direction

Plan View

Dynamic Identification ofTension Force in Cable Structures

Identification of Cable Tension

mT

lf

2

mode vibration1

1

st

1

mT

lf

2

mode vibration2

2

nd

2

mT

lf

2

mode vibration3

3

nd

3

Monitoring of vibration intensityVibration criteria for occupantsVibration criteria for building structuresVibration criteria for sensitive equipment

Vibration Criteria In Buildings

ระดับการสั่นสะเทือนที่ยอมใหในอาคาร

Vibration criteria for occupants

(ระดับการสั่นสะเทือนที่ยอมใหสําหรับผูใชอาคาร)

Vibration Criteria for Building Structures

(ระดับการสั่นสะเทือนที่ยอมใหสําหรับโครงสรางอาคาร)

Vibration Criteria for Sensitive Equipment

(ระดับการสั่นสะเทือนที่ยอมใหสําหรับเครื่องมือพิเศษ)


Vibration criteria for occupants

(ระดับการสั่นสะเทือนที่ยอมใหสําหรับผูใชอาคาร)

เกณฑระดับการสั่นไหว

Vibration Criteria for Building Structures

(ระดับการสั่นสะเทือนที่ยอมใหสําหรับโครงสรางอาคาร)

Modify structure by additional bracing

Bracing type 1 Bracing type 2

Vibration Criteria for Sensitive Equipment

(ระดับการสั่นสะเทือนที่ยอมใหสําหรับเครือ่งมือพิเศษ)

Control of vibrationConcept & demonstrationPerformance tests of TMDs for a steel stack

การควบคุมการสั่นสะเทือนของโครงสราง(Vibration Control of Structure)

วิธกีารควบคมุการสั่นสะเทือนของโครงสราง

ลดขนาดแรงที่มากระทํากับโครงสราง

เพิ่มความแข็งแรงใหแกโครงสราง

เปลี่ยนแปลงความถี่ธรรมชาติของโครงสราง

เพิม่ความหนวงใหแกโครงสราง


Damping Control of StructureDamping Control of Structure

Damping Control with damping material

Discrete Damping devices

Dynamic Damper Tuned Mass Damper TMD

Tuned Liquid Damper TLD


Structure + TMDStructure with additional damping

Tuned Mass Damper (TMD)


Vibration Control by Tuned Liquid Damper (TLD)


การวิเคราะหลักษณะการสั่นสะเทือนของระบบ ชวยใหเขาใจธรรมชาติและปญหาของการสัน่สะเทือนได

คุณสมบัติเชิงพลศาสตรของโครงสรางใชชวยในการทํานายพฤติกรรมการ

สั่นสะเทือน และการบํารงุรักษา การตรวจวัดและวิเคราะหระดบัการสั่นสะเทือนชวยใหทราบถึงลักษณะ

ปญหาที่ถูกตอง และออกแบบวิธีแกไขอยางเหมาะสม

สรุปประเด็นสําคัญ

(ambient) vibration test: a practical tool for civil ... cbm day print.pdf · nakhornpoovarodom...

Documents