[论文解读] In Situ Experiment and Modelling of RC-Structure Using Ambient Vibration and Timoshenko Beam

Clotaire Michel, Stéphane Hans+2 more|ArXiv.org|Sep 26, 2007

Structural Health Monitoring Techniques参考文献 3被引用 4

一句话总结

本研究提出了一种简化的铁摩辛柯梁模型，以利用现场环境振动测量数据表征钢筋混凝土（RC）结构的动态行为。通过对格勒诺布尔三座结构同质建筑的18通道数据应用频域分解（FDD），作者建立了梁参数与自振频率之间的双射关系，从而能够基于实验模态形状和高阶模态频率对模型进行精确校准与验证，结果表现出高度一致性。

ABSTRACT

Recently, several experiments were reported using ambient vibration surveys in buildings to estimate the modal parameters of buildings. Their modal properties are full of relevant information concerning its dynamic behaviour in its elastic domain. The main scope of this paper is to determine relevant, though simple, beam modelling whose validity could be easily checked with experimental data. In this study, we recorded ambient vibrations in 3 buildings in Grenoble selected because of their vertical structural homogeneity. First, a set of recordings was done using a 18 channels digital acquisition system (CityShark) connected to six 3C Lennartz 5s sensors. We used the Frequency Domain Decomposition (FDD) technique to extract the modal parameters of these buildings. Second, it is shown in the following that the experimental quasi-elastic behaviour of such structure can be reduced to the behaviour of a vertical continuous Timoshenko beam. A parametric study of this beam shows that a bijective relation exists between the beam parameters and its eigenfrequencies distribution. Consequently, the Timoshenko beam parameters can be estimated from the experimental sequence of eigenfrequencies. Having the beam parameters calibrated by the in situ data, the reliability of the modelling is checked by complementary comparisons. For this purpose, the mode shapes and eigenfrequencies of higher modes are calculated and compared to the experimental data. A good agreement is also obtained. In addition, the beam model integrates in a very synthetic way the essential parameters of the dynamic behaviour.

研究动机与目标

• 开发一种简化但可靠的梁模型，以表征钢筋混凝土建筑的动态行为。
• 利用结构同质建筑的现场环境振动测量数据校准梁参数。
• 通过将预测的自振频率与模态形状与实验数据对比，验证模型的准确性。
• 建立梁参数与自振频率分布之间的双射关系，以实现模型识别。
• 展示模型在保持极简复杂度的同时，有效捕捉高阶模态动态特性的能力。

提出的方法

• 采用18通道数字采集系统（CityShark）及六台3C Lennartz 5s传感器，开展现场环境振动测量。
• 应用频域分解（FDD）从环境振动数据中提取模态参数，如自振频率与模态形状。
• 构建用于表征RC结构准弹性动态行为的竖向连续铁摩辛柯梁模型。
• 对铁摩辛柯梁进行参数化研究，建立梁参数与自振频率分布之间的双射映射。
• 利用实验测得的自振频率序列校准梁参数，以确保模型保真度。
• 通过对比预测的高阶模态自振频率与模态形状和实测数据，验证校准后的模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于环境振动数据，铁摩辛柯梁模型能否准确表征钢筋混凝土建筑的动态行为？
• RQ2 铁摩辛柯梁参数与RC结构自振频率分布之间是否存在唯一且双射的关系？
• RQ3 校准后的铁摩辛柯梁模型在多大程度上能预测与实验测量结果一致的高阶模态形状与频率？
• RQ4 如何仅从现场环境振动数据可靠估计模型参数？
• RQ5 简化梁模型能否在极简复杂度下有效捕捉钢筋混凝土建筑的关键动态特性？

主要发现

• 建立了铁摩辛柯梁参数与自振频率分布之间的双射关系，使得仅凭实验数据即可实现参数的唯一识别。
• 校准后的铁摩辛柯梁模型在自振频率与模态形状（包括高阶模态）方面与实验数据高度一致。
• 该模型仅通过环境振动测量与FDD处理，即成功表征了三座RC建筑的准弹性动态行为。
• 参数化研究证实，梁参数可从测得的自振频率序列中可靠估计。
• 通过对比预测与实测模态形状的验证，证实了模型的准确性与鲁棒性。
• 本研究表明，仅用最少数据，简单的铁摩辛柯梁模型即可高保真地表征复杂的RC结构。