TY - JOUR A1 - Luong, Thi Mai Hoa A1 - Zabel, Volkmar A1 - Lorenz, Werner A1 - Rohrmann, Rolf G. T1 - Non-destructive Assessment of the Axial Stress State in Iron and Steel Truss Structures by Dynamic Measurements N2 - This paper is concerned with the inverse identification of the stress state in axially loaded slender members of iron and steel truss structures using measured dynamic data. A methodology is proposed based on the finite element model updating coupled with nature-inspired optimization techniques, in particular the particle swarm optimization. The numerical model of truss structures is calibrated using natural frequencies and mode shapes from vibration tests, as well as additional information of the axial forces in selected truss members based on the experimentally identified modal parameters. The results of the identification are the axial forces or corresponding stresses in truss structures and the joint rigidity in relation to pinned and rigid conditions. Attention is given to several examined aspects, including the effects of the axial tensile and compressive forces on the dynamic responses of trusses, mode pairing criteria, as well as modeling assumptions of joints and the use of a joint rigidity parameter. Considering the pairing of modes, it is performed by adapting an enhanced modal assurance criterion that allows the selection of desired clusters of degrees-of-freedom. Thus, information extracted from the measurements related to specific modes is utilized in a more beneficial way. For modeling of joints, the numerical model of a truss structure includes rotational springs of variable stiffness to represent semi-rigid connections. Moreover, a fixity factor is introduced for practical estimation of the joint flexibility. The effectiveness of the proposed methodology is demonstrated by case studies involving simulated and laboratory experimental data. KW - Lightweight truss structures KW - Stress state KW - Modal parameters KW - Finite element model updating KW - Nature-inspired optimization techniques KW - Eisenkonstruktion KW - Stahlkonstruktion KW - Tragwerk KW - Dynamische Belastung KW - Finite-Elemente-Methode Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-42910 SN - 1877-7058 ER - TY - THES A1 - Luong, Thi Mai Hoa T1 - Identification of the state of stress in iron and steel truss structures by vibration–based experimental investigations T1 - Bestimmung des Beanspruchungszustands in fachwerkartigen Eisen– und Stahltragwerken mit Hilfe schwingungsbasierter experimenteller Untersuchungen N2 - Safety evaluation of truss structures depends upon the determination of the axial forces and corresponding stresses in axially loaded members. Due to presence of damages, change in intended use, increase in service loads or accidental actions, structural assessment of existing truss structures is necessary. Precise identification of the stresses plays a crucial role for the preservation of historic truss structures. The assessment measures require non-destructiveness, minimum intervention and practical applicability. Motivated by the preservation of existing truss−type constructions composed of axially loaded slender members, the present work aims to develop a non-destructive methodology to identify the axial forces or corresponding stress states in iron and steel truss structures. The approach is based on vibration measurements and the finite element method combined with optimization techniques. After a state of the art review, numerical and experimental studies were carried out in the research work on different partial systems of truss-type structures. The examined aspects included the effects of structural loading on the dynamic performance of truss structures, modelling of joint connections, mode pairing criteria, selection of updating parameters and definition of an objective function, as well as the use of different optimization techniques. A methodology consisted of a two-stage model updating procedure using optimization techniques was proposed for the determination of multiple member axial forces and estimation of the joint flexibility of truss-type constructions. In the first stage optimization, the validation criterion is based on the experimentally identified global natural frequencies and mode shapes of the truss. Additionally, the axial forces in selected individual members of the truss are used. They are estimated from the natural frequencies and five amplitudes of the corresponding local mode shapes of the members using an analytically−based algorithm. Based on the results of the identified axial forces in the first stage, a second optimization procedure for the joint stiffness is performed. In this stage, the modal parameters of the global natural frequencies and mode shapes are used as validation criterion. From the results of the investigated systems, the identified axial forces by the proposed methodology agree well with the experimentally measured axial forces. Furthermore, recommendations are given in the work for a guideline of measuring concepts and assessment strategies applied to existing iron and steel truss-type structures. N2 - Die Bewertung der Tragfähigkeit von fachwerkartigen Stahlkonstruktionen ist wesentlich von den vorhandenen Stabnormalkräften und den daraus resultierenden Spannungen abhängig. Eine Zustands- und Tragfähigkeitsbewertung der bestehenden Konstruktion ist besonders dann erforderlich, wenn aufgrund von Nutzungsänderungen bzw. Umbaumaßnahmen höhere Lasten auf das Tragwerk aufgebracht werden sollen, oder sich Schäden an der Konstruktion bzw. dem Material zeigen. Für die Identifizierung des Spannungszustands der fachwerkartigen Eisen- und Stahlkonstruktionen ist ein zerstörungsfreies und praktikables Verfahren erforderlich, welches zudem nur minimal in die bestehende Struktur eingreift. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab ein zerstörungsfreies Verfahren zu entwickeln, welches in der Lage ist die Spannungszustände in fachwerkartigen Eisen- und Stahltragwerken zu identifizieren. Das Verfahren basiert auf Schwingungsmessungen und der Finite-Elemente Methode in Verbindung mit Optimierungsstrategien. Nach einer ausführlichen Recherche zum Stand der Technik wurden im Rahmen der Forschungsarbeit numerische und experimentelle Untersuchungen an fachwerkartigen Tragstrukturen durchgeführt. In den Untersuchungen wurden mehrere Aspekte betrachtet. Neben dem Einfluss der äußeren Belastung auf das dynamische Verhalten der Konstruktion werden in dem Analyseverfahren die Modellierung der Knotenverbindungen, die Zuordnung der Eigenschwingformen, die Auswahl und Festlegung von Kalibrierungsparametern, die Definition von Zielfunktionen, sowie die verschiedenen Optimierungsmethoden untersucht. Für die Bestimmung der Stabnormalkräfte in fachwerkartigen Tragwerken und zur Abschätzung der Rotationsfedersteifigkeit in den Knotenverbindungen wird ein zweistufiges Modellkalibrierungsverfahren vorgeschlagen. Im ersten Schritt werden als Validierungskriterium die experimentell ermittelten globalen Eigenfrequenzen und Eigenformen der fachwerkartigen Tragstrukturen verwendet. Ergänzend können die Stabnormalkräfte in ausgewählten Zuggliedern aus Einzelstabuntersuchungen heranzugezogen werden. Basierend auf den Ergebnissen der identifizierten Stabnormalkräfte kann ein zweiter Optimierungsprozess zur Bestimmung der Rotationsfedersteifigkeit in den Knotenverbindungen durchgeführt werden. Hierzu werden ausschließlich die modalen Parameter der globalen Eigenfrequenzen und -formen der gesamten fachwerkartigen Konstruktionen herangezogen. Die Ergebnisse der experimentell getesteten Tragsysteme weisen für verschieden hohe Beanspruchungen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den im Versuch aufgebrachten und den mit Hilfe des entwickelten Verfahrens identifizierten Stabnormalkräften auf. Des Weiteren wurde in der Arbeit eine Leitlinie für die Erstellung von Messkonzepten erarbeitet. Ferner gibt die Arbeit Hilfestellungen bei der Entwicklung von Bemessungsstrategien für die in-situ Untersuchung und Spannungsbeurteilung von fachwerkartigen Eisen- und Stahlkonstruktionen. KW - State of stress KW - Truss structures KW - Vibration measurements KW - Finite element model updating KW - Optimization techniques KW - Finite-Elemente-Modellkalibrierung KW - Optimierungsmethoden KW - Fachwerk KW - Stahl KW - Tragfähigkeit KW - Normalkraft KW - Finite-Elemente-Methode KW - Fachwerkbau KW - Tragwerk KW - Kalibrieren KW - Beanspruchungszustand KW - Fachwerkartige Stahltragwerke KW - Schwingungsmessungen Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-44142 SN - 1610-7381 ER -