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Effective Electromechanical Coupling Coefficients of Piezoelectric Adaptive Structures: Critical Evaluation and Optimization

TRINDADE, Marcelo A.; BENJEDDOU, Ayech
Fonte: TAYLOR & FRANCIS INC Publicador: TAYLOR & FRANCIS INC
Tipo: Artigo de Revista Científica
ENG
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47.394634%
This work presents a critical analysis of methodologies to evaluate the effective (or generalized) electromechanical coupling coefficient (EMCC) for structures with piezoelectric elements. First, a review of several existing methodologies to evaluate material and effective EMCC is presented. To illustrate the methodologies, a comparison is made between numerical, analytical and experimental results for two simple structures: a cantilever beam with bonded extension piezoelectric patches and a simply-supported sandwich beam with an embedded shear piezoceramic. An analysis of the electric charge cancelation effect on the effective EMCC observed in long piezoelectric patches is performed. It confirms the importance of reinforcing the electrodes equipotentiality condition in the finite element model. Its results indicate also that smaller (segmented) and independent piezoelectric patches could be more interesting for energy conversion efficiency. Then, parametric analyses and optimization are performed for a cantilever sandwich beam with several embedded shear piezoceramic patches. Results indicate that to fully benefit from the higher material coupling of shear piezoceramic patches, attention must be paid to the configuration design so that the shear strains in the patches are maximized. In particular...

Dynamic Design of Piezoelectric Laminated Sensors and Actuators using Topology Optimization

Nakasone, Paulo Henrique; Silva, Emilio Carlos Nelli
Fonte: SAGE PUBLICATIONS LTD Publicador: SAGE PUBLICATIONS LTD
Tipo: Artigo de Revista Científica
ENG
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47.16925%
Sensors and actuators based on piezoelectric plates have shown increasing demand in the field of smart structures, including the development of actuators for cooling and fluid-pumping applications and transducers for novel energy-harvesting devices. This project involves the development of a topology optimization formulation for dynamic design of piezoelectric laminated plates aiming at piezoelectric sensors, actuators and energy-harvesting applications. It distributes piezoelectric material over a metallic plate in order to achieve a desired dynamic behavior with specified resonance frequencies, modes, and enhanced electromechanical coupling factor (EMCC). The finite element employs a piezoelectric plate based on the MITC formulation, which is reliable, efficient and avoids the shear locking problem. The topology optimization formulation is based on the PEMAP-P model combined with the RAMP model, where the design variables are the pseudo-densities that describe the amount of piezoelectric material at each finite element and its polarization sign. The design problem formulated aims at designing simultaneously an eigenshape, i.e., maximizing and minimizing vibration amplitudes at certain points of the structure in a given eigenmode...

Fabricação de novas heteroestruturas a partir de estruturas SOI obtidas pela técnica 'smart-cut'.; New semiconductor heterostructures based on SOI structures obtained by "smart-cut" process.

Escobar Forhan, Neisy Amparo
Fonte: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP Publicador: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Tipo: Tese de Doutorado Formato: application/pdf
Publicado em 17/03/2006 PT
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37.89233%
Esta pesquisa engloba o estudo e desenvolvimento de novas heteroestruturas semicondutoras, tomando como base as estruturas SOI (Silicon-On-Insulator - silício sobre isolante) obtidas pela técnica Smart Cut, estudadas nestes últimos anos no Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). Esta técnica combina a solda direta para a união de lâminas e a implantação iônica (I/I) de íons leves para a separação de camadas especificadas. São essenciais na preparação destas estruturas SOI, processos de I/I, limpeza e ativação das superfícies das lâminas e recozimentos em fornos a temperaturas moderadas. Estudamos também, diferentes métodos para a obtenção de novas heteroestruturas, basicamente combinando as técnicas de fabricação da estrutura SOI e os métodos de formação do carbeto de silício (SiC), que chamaremos de heteroestruturas SiCOI (Silicon Carbide-On-Insulator). O método usado para a formação do SiC depende, em cada caso, das características desejadas para o filme que, ao mesmo tempo, estão relacionadas com a aplicação à qual estará destinado. Analisamos três métodos de obtenção do material SiC com características específicas diferentes. A metodologia proposta aborda as seguintes tarefas: Tarefa 1: Obtenção de estruturas SOI pelo método convencional utilizado em trabalhos anteriores e melhoramento das características superficiais da estrutura resultante. Tarefa 2: partindo de uma lâmina de Si previamente coberta por uma camada isolante...

Controle aeroelástico por lógica difusa de uma asa flexível não-linear com atuadores piezelétricos incorporados; Aeroelastic control by fuzzy logic of a nonlinear flexible wing with embedded piezoelectric actuators

Gruppioni, Édson Mulero
Fonte: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP Publicador: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Tipo: Tese de Doutorado Formato: application/pdf
Publicado em 29/07/2008 PT
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37.799028%
As estruturas aeronáuticas estão sujeitas a uma variedade de fenômenos aeroelásticos que podem comprometer o desempenho das aeronaves. Com o desenvolvimento de novos materiais, essas estruturas têm se tornado mais leves e flexíveis, e portanto mais sujeitas a problemas aeroelásticos, tais como flutter e buffeting. Pesquisadores têm trabalhado em soluções alternativas para resolver esses problemas aeroelásticos indesejáveis. Uma dessas soluções envolve o conceito de estruturas inteligentes, que são aquelas que apresentam atuadores e sensores incorporados, integrado com sistema de controle e processamento de sinal, possibilitando a adaptação do sistema estrutural a mudanças nas condições operacionais. Modelos matemáticos que incorporam elementos atuadores e sensores são de grande importância nas fases preliminares de análise de estruturas aeronáuticas inteligentes. Neste contexto, métodos de modelagem são necessários para capturar a ação da dinâmica estrutural e de carga aerodinâmica. O presente trabalho apresenta o estudo de um controlador difuso ativo para resposta aeroelástica de uma asa inteligente com atuadores piezelétricos incorporados. Características não-lineares da resposta aeroelástica são analisadas para condições críticas de flutter. É utilizado o método de elementos finitos para o modelo estrutural não-linear e o método de malha de vórtices para o modelo aerodinâmico não-estacionário.; Aeronautical structures are submitted to a variety of aeroelastic phenomena that may compromise its performance. With this development of new materials...

Metodologia para a alocação ótima discreta de sensores e atuadores piezoelétricos na simulação do controle de vibrações em estruturas de materiais compósitos laminados

Schulz, Sergio Luiz
Fonte: Universidade Federal do Rio Grande do Sul Publicador: Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Tipo: Tese de Doutorado Formato: application/pdf
POR
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47.36823%
O principal objetivo do controle de vibrações é a sua redução ou minimização, através da modificação automática da resposta estrutural. Em muitas situações isto é necessário para promover a estabilidade estrutural, e para alcançar o alto desempenho mecânico necessário em diversas áreas técnicas, tais como a engenharia aeroespacial, civil e mecânica, bem como a biotecnologia, inclusive em escala micro e nano mecânica. Uma alternativa é o uso de estruturas inteligentes, que são o resultado da combinação de sensores e atuadores integrados em uma estrutura mecânica, e um método de controle adequado. O principal objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de rotinas computacionais para a simulação, via método dos elementos finitos, do controle ativo de estruturas inteligentes de cascas, placas e vigas delgadas de material compósito laminado com camadas de material piezoelétrico como sensores e/ou atuadores. Caracterizam esta pesquisa a utilização do elemento GPL-T9 de três nós e seis graus de liberdade mecânicos por nó, mais um grau de liberdade elétrico por camada piezoelétrica, assim como a avaliação de dois métodos de controle, o Proporcional-Integral-Derivativo (PID) e o Regulador Quadrático Linear ou Linear Quadratic Regulator (LQR)...

Design of a control system using linear matrix inequalities for the active vibration control of a plate

Da Silva, S.; Junior, V. L.; Brennan, M. J.
Fonte: Sage Publications Ltd Publicador: Sage Publications Ltd
Tipo: Artigo de Revista Científica Formato: 81-93
ENG
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47.54739%
The study of algorithms for active vibration control in smart structures is an area of interest, mainly due to the demand for better performance of mechanical systems, such as aircraft and aerospace structures. Smart structures, formed using actuators and sensors, can improve the dynamic performance with the application of several kinds of controllers. This article describes the application of a technique based on linear matrix inequalities (LMI) to design an active control system. The positioning of the actuators, the design of a robust state feedback controller and the design of an observer are all achieved using LMI. The following are considered in the controller design: limited actuator input, bounded output (energy) and robustness to parametric uncertainties. Active vibration control of a flat plate is chosen as an application example. The model is identified using experimental data by an eigensystem realization algorithm (ERA) and the placement of the two piezoelectric actuators and single sensor is determined using a finite element model (FEM) and an optimization procedure. A robust controller for active damping is designed using an LMI framework, and a reduced model with observation and control spillover effects is implemented using a computer. The simulation results demonstrate the efficacy of the approach...

Optimal design of smart structures using bonded piezoelectrics for vibration control

Lopes Jr., Vicente; Steffen Jr., Valder; Inman, Daniel J.
Fonte: Universidade Estadual Paulista Publicador: Universidade Estadual Paulista
Tipo: Conferência ou Objeto de Conferência Formato: 117-124
ENG
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47.54739%
Smart material technology has become an area of increasing interest for the development of lighter and stronger structures which are able to incorporate actuator and sensor capabilities for collocated control. In the design of actively controlled structures, the determination of the actuator locations and the controller gains, is a very important issue. For that purpose, smart material modelling, modal analysis methods, control and optimization techniques are the most important ingredients to be taken into account. The optimization problem to be solved in this context presents two interdependent aspects. The first one is related to the discrete optimal actuator location selection problem, which is solved in this paper using genetic algorithms. The second is represented by a continuous variable optimization problem, through which the control gains are determined using classical techniques. A cantilever Euler-Bernoulli beam is used to illustrate the presented methodology.

Robust control to parametric uncertainties in smart structures using linear matrix inequalities

Da Suva, Samuel; Lopes, V.; Assunção, E.
Fonte: Universidade Estadual Paulista Publicador: Universidade Estadual Paulista
Tipo: Artigo de Revista Científica Formato: 430-437
ENG
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57.593623%
The study of algorithms for active vibrations control in flexible structures became an area of enormous interest, mainly due to the countless demands of an optimal performance of mechanical systems as aircraft and aerospace structures. Smart structures, formed by a structure base, coupled with piezoelectric actuators and sensor are capable to guarantee the conditions demanded through the application of several types of controllers. This article shows some steps that should be followed in the design of a smart structure. It is discussed: the optimal placement of actuators, the model reduction and the controller design through techniques involving linear matrix inequalities (LMI). It is considered as constraints in LMI: the decay rate, voltage input limitation in the actuators and bounded output peak (output energy). Two controllers robust to parametric variation are designed: the first one considers the actuator in non-optimal location and the second one the actuator is put in an optimal placement. The performance are compared and discussed. The simulations to illustrate the methodology are made with a cantilever beam with bonded piezoelectric actuators.

Revisão sobre técnicas de controle em estruturas inteligentes

Da Silva, Samuel; Júnior, Vicente Lopes
Fonte: Universidade Estadual Paulista Publicador: Universidade Estadual Paulista
Tipo: Revisão Formato: 1-8
POR
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47.348403%
One of the great challenges of structural dynamics is to ally structures lighther and stronger. The great difficulty is that light systems, in general, have a low inherent damping. Besides, they contain resonance frequencies in the low frequency range. So, any external disturbance can excite the system in some resonance and the resulting effect can be drastic. The methodologies of active damping, with control algorithms and piezoelectric sensors and actuators coupled in a base structure, are attractive in current days, in order to overcome the contradictory features of these requeriments. In this sense, this article contributes with a bibliographical review of the literature on the importance of active noise and vibration control in engineering applications, models of smart structures, techniques of optimal placement of piezoelectric sensors and actuators and methodologies of structural active control. Finally, it is discussed the future perspectives in this area.

Controle ativo de vibrações e localização ótima de sensores e atuadores piezelétricos

Bueno, Douglas Domingues
Fonte: Universidade Estadual Paulista (UNESP) Publicador: Universidade Estadual Paulista (UNESP)
Tipo: Dissertação de Mestrado Formato: 230 f. : il.
POR
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47.62701%
Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP); Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS; Este trabalho apresenta o projeto do regulador linear quadrático (LQR – do inglês Linear Quadratic Regulator) para atenuar vibrações em estruturas mecânicas. Estas estruturas, com atuadores e sensores acoplados, são denominadas estruturas inteligentes. Os projetos de controladores ativos são resolvidos utilizando desigualdades matriciais lineares (LMIs – do inglês Linear Matrix Inequalities). Assim, é possível projetar controladores robustos considerando incertezas paramétricas na planta a ser controlada. São utilizados atuadores e sensores piezelétricos (PZTs) para aplicações em estruturas flexíveis dos tipos vigas e placas e, também, atuadores de pilha para aplicações em estruturas do tipo treliça. O problema do posicionamento ótimo dos atuadores e sensores piezelétricos também é resolvido utilizando as normas de sistemas H2, H , Hankel e as matrizes grammianas de observabilidade e controlabilidade. O modelo matemático da estrutura inteligente é obtido a partir do Método dos Elementos Finitos e, também, utilizando o Método de Identificação de Subespaços através de dados experimentais. O problema de posicionamento ótimo dos atuadores e sensores e o controle ativo de vibração são apresentados em simulações numéricas e experimentais. Os resultados mostram que os controladores robustos aumentam o amortecimento estrutural minimizando as amplitudes de vibração.; This work presents the Linear Quadratic Regulator design to vibration attenuation in mechanical structures. These structures are named Smart Structures because they use actuators and sensors electromechanically coupled. Active controller designs are solved using Linear Matrix Inequalities. So...

Robust control to parametric uncertainties in smart structures using linear matrix inequalities

Silva,Samuel da; Lopes Júnior,V.; Assunção,E.
Fonte: Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas - ABCM Publicador: Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas - ABCM
Tipo: Artigo de Revista Científica Formato: text/html
Publicado em 01/12/2004 EN
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47.54739%
The study of algorithms for active vibrations control in flexible structures became an area of enormous interest, mainly due to the countless demands of an optimal performance of mechanical systems as aircraft and aerospace structures. Smart structures, formed by a structure base, coupled with piezoelectric actuators and sensor are capable to guarantee the conditions demanded through the application of several types of controllers. This article shows some steps that should be followed in the design of a smart structure. It is discussed: the optimal placement of actuators, the model reduction and the controller design through techniques involving linear matrix inequalities (LMI). It is considered as constraints in LMI: the decay rate, voltage input limitation in the actuators and bounded output peak (output energy). Two controllers robust to parametric variation are designed: the first one considers the actuator in non-optimal location and the second one the actuator is put in an optimal placement. The performance are compared and discussed. The simulations to illustrate the methodology are made with a cantilever beam with bonded piezoelectric actuators.

The use of smart structures in the realization of effective semi-active Control systems for vibration reduction

Nitzsche,Fred
Fonte: Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas - ABCM Publicador: Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas - ABCM
Tipo: Artigo de Revista Científica Formato: text/html
Publicado em 01/01/2012 EN
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67.54739%
The realization of semi-active actuators by smart structures is discussed. Semi-active actuators have the advantage of consuming much less power than direct-active actuators and are appropriate for the utilization in vibration problems encountered in aeronautical applications, where the loads are in general too high for direct-active actuators to perform. The development of a compact actuator device of this class, from the design phase to the validation tests, is presented.

Estruturas inteligentes aplicadas ao controle ativo de ruído de alta ordem em dutos; Smart structures applied to active control of higher order noise in ducts

Nishida, Pedro Pio Rosa
Fonte: Universidade Federal de Uberlândia Publicador: Universidade Federal de Uberlândia
Tipo: Dissertação
POR
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67.89233%
Neste trabalho, foi estudada a proposta da utilização de estruturas inteligentes para o controle de ruído em um duto acústico com propagação de modos de alta ordem. A técnica mais adequada para este controle foi o particionamento do duto a fim de planificar as ondas que se propagam. Nesta região particionada, é possível realizar o controle ativo de ruído utilizando apenas um sensor e um atuador para cada lado da partição. A aplicação das estruturas inteligentes é proposta no sentido de aproveitar a placa particionadora para que, com a sua vibração, atuará como a fonte secundária necessária para o controle. Para a avaliação da possibilidade de controle utilizando esta técnica, primeiramente foi modelado o comportamento de uma placa instrumentada com atuadores piezoelétricos e, em seguida, obtida a modelagem analítica do campo sonoro gerado por uma estrutura vibrante no interior de um duto. Porém, a obtenção do campo acústico em um duto particionado não é facilmente obtido, sendo, então, realizada através da técnica de Síntese Modal de Componentes. Utilizando as equações do duto excitado por uma estrutura vibrante na técnica de síntese modal, foi possível obter campo acústico gerado no interior de um duto particionado. A partir disto...

Smart VLSI micro-sensors for velocity estimation inspired by insect vision / by Xuan Thong Nguyen.

Nguyen, Xuan Thong, 1965-
Fonte: Universidade de Adelaide Publicador: Universidade de Adelaide
Tipo: Tese de Doutorado Formato: 239291 bytes; application/pdf
Publicado em //1996 EN
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47.156504%
In this thesis insect vision principles are applied to the main mechanism for motion detection. Advanced VLSI technologies are employed for designing smart micro-sensors in which the imager and processor are integrated into one monolithic device.; Thesis (Ph.D.)--University of Adelaide, Dept. of Electrical and Electronic Engineering, 1996; Bibliography: leaves 188-203.; xxii, 203 leaves : ill. ; 30 cm.; Title page, contents and abstract only. The complete thesis in print form is available from the University Library.

Smart structures, devices, and systems II : 13-15 December 2004, Sydney, Australia

Fonte: Society of Photographic Instrumentation Engineers Publicador: Society of Photographic Instrumentation Engineers
Tipo: Book (edited)
Publicado em //2005 EN
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47.16925%

Sensores ópticos para estructuras inteligentes; Optical sensors for smart structures

Rodríguez Cobo, Luis
Fonte: Universidade de Cantabria Publicador: Universidade de Cantabria
Tipo: Tese de Doutorado
ENG
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57.57364%
RESUMEN: Una estructura inteligente puede entenderse como aquella que, siendo consciente de su estado actual, es capaz de reaccionar a cambios tanto en su entorno como en sí misma. Para realizar este cometido, la estructura debe de adaptarse para compensar las influencias externas, alcanzando un estado apropiado de funcionamiento. Este tipo de estructuras tienen que realizar tres tareas principales durante su adaptación al entorno: recopilar información sobre su estado actual; procesar dicha información y decidir las posibles actuaciones y, finalmente, materializar dichas decisiones, adaptando la estructura al entorno. Durante el transcurso de esta tesis doctoral, han sido desarrolladas diversas contribuciones a la decisión y medida mediante técnicas ópticas, así como a la “inteligencia” y a los medios de actuación requeridos en este tipo de estructuras. La mayor parte de trabajos están centrados en el desarrollo de nuevos dispositivos y técnicas de medida, empleando principalmente tres tecnologías de fibra óptica para cuantificar diferentes parámetros como deformación, temperatura o vibración, entre otros.; ABSTRACT: In a simple way, a Smart Structure can be understood as one that is aware of its self-state and also is able to react to changes in the environment and/or in its own condition. In order to correct these changes...

High-temperature optical fiber transducer for a smart structure on iron-steel production industry

López Higuera, José Miguel; Madruga Saavedra, Francisco Javier; González Fernández, Daniel Aquilino; Álvarez Ortego, Víctor; Hierro, Javier
Fonte: SPIE Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers Publicador: SPIE Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers
Tipo: info:eu-repo/semantics/conferenceObject; publishedVersion
ENG
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47.156504%
The quality of the steel, among others, depends on the temperature profile during the last cooling process. Because of that, the capability of real-time temperature measurements at several points of the steel bars during the aforementioned production process is highly desirable in order to build a smart structure. To measure temperatures in the range of 800 - 1300 degrees centigrade, the sensor system proposed, is doted of new fiber optic transducers. They are based on the measurement of the optical radiation generated by the hot steel bars through a geometric cavity which is properly designed and fabricated to maximize its accuracy.

Perturbation Analysis for Robust Damage Detection with Application to Multifunctional Aircraft Structures

HAJRYA, Rafik; MECHBAL, Nazih
Fonte: Techno-Press Publicador: Techno-Press
EN
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47.01475%
The most widely known form of multifunctional aircraft structure is smart structures for structural health monitoring (SHM). The aim is to provide automated systems whose purposes are to identify and to characterize possible damage within structures by using a network of actuators and sensors. Unfortunately, environmental and operational variability render many of the proposed damage detection methods difficult to successfully be applied. In this paper, an original robust damage detection approach using output-only vibration data is proposed. It is based on independent component analysis and matrix perturbation analysis, where an analytical threshold is proposed to get rid of statistical assumptions usually performed in damage detection approach. The effectiveness of the proposed SHM method is demonstrated numerically using finite element simulations and experimentally through a conformal load-bearing antenna structure and composite plates instrumented with piezoelectric ceramic materials.; FUI MSIE (Pole Astech)

A comparative analysis of Piezoelectric and Magnetostrictive actuators in Smart Structures; Un estudio comparativo de actuadores Piezoeléctricos y Magnetoestrictivos para estructuras inteligentes

Pons Rovira, José Luis
Fonte: Sociedad Española de Cerámica y Vidrio Publicador: Sociedad Española de Cerámica y Vidrio
Tipo: Artículo Formato: 265812 bytes; application/pdf
ENG
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67.87742%
[EN] This paper introduces a comparative analysis of Piezoelectric (PZ) and Magnetostrictive (MS) actuators as components in smart structures. There is an increasing interest in functional structures which are able to adapt to external or internal perturbations, i.e. changes in loading conditions or ageing. Actuator technologies must perform concomitantly as sensors and actuators to be applicable in smart structures. In this paper we will comparatively analyze the possibility of using PZ and MS actuators in smart structures and in so doing their capability to act concomitantly as sensors and of modifying their material characteristics. We will also focus on the analysis of how them can be integrated in structures and on the analysis of the most appropriate structures for each actuator. The operational performance of PZ (Stacks) and MS actuators will be compared and eventually some conclusions will be drawn.; [ES] Este artículo presenta un estudio comparativo de actuadores Piezoeléctricos (PZ) y Magnetoestrictivos (MS) como elementos integrantes de estructuras inteligentes. Existe un interés creciente en estructuras activas que puedan adaptarse a perturbaciones tanto internas como externas, por ejemplo, ante cambios en carga estructural o ante su envejecimiento. Para que un actuador forme parte de una estructura inteligente...

Testing and operation of Delaware's first permanently instrumented "smart" bridge

Charles, Douglas
Fonte: University of Delaware Publicador: University of Delaware
Tipo: Tese de Doutorado
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47.27896%
Harry W. Shenton; As many of the nation's bridges reach the end of their design service life, the reliability and safety of these bridges is becoming a major concern. Visual inspections conducted every two years are not thorough enough to fully assess the performance of a bridge. While other inspection methods are available, these processes require more time and many other resources. With this in mind the Federal Highway Administration (FHWA) initiated the Long-Term Bridge Performance Program (LTBPP), with its primary goal being to use permanently instrumented bridge monitoring systems throughout the country to gather quantitative data on the long-term performance and deterioration of our bridges. Bridge 1-821, located in Wilmington, DE, is a typical slab on girder steel design. Known as Delaware's first "Smart Bridge," it was instrumented with a structural monitoring system in 2006. The system consists of 61 sensors that include accelerometers, and displacement, temperature, and several types of strain gages. Sensor data is recorded by a Campbell Scientific CR9000X data acquisition system. Two main types of data are collected: monitor data and event data. Monitor data is taken every hour and is used to track bridge behavior from season to season and year to year. Event data is taken for 4 seconds when a predetermined threshold is reached for a trigger gage and is used to study the behavior of the bridge due to the site specific live load traffic...