Long term structural health monitoring has gained wide attention among civil engineers in recent years due to the scale and severity of infrastructure deterioration. Establishing effective damage indicators and proposing enhanced monitoring methods are of great interests to the engineering practices. In the case of bridge health monitoring, long term structural vibration measurement has been acknowledged to be quite useful and utilized in the planning of maintenance works. Previous researches are majorly concentrated on linear time series models for the measurement, whereas nonlinear dependences among the measurement are not carefully considered. In this paper, a new bridge health monitoring method is proposed based on the use of long term vibration measurement. A combination of the fundamental ARMA model and copula theory is investigated for the first time in detecting bridge structural damages. The concept is applied to a real engineering practice in Japan. The efficiency and accuracy of the copula based damage indicator is analyzed and compared in different window sizes. The performance of the copula based indicator is discussed based on the damage detection rate between the intact structural condition and the damaged structural condition.
In structural health monitoring (SHM) using electro-mechanical impedance signatures, it is a critical issue for extremely large structures to extract the best damage diagnosis results, while minimizing unknown environmental effects, including temperature, humidity, and acoustic vibration. If the impedance signatures fluctuate because of these factors, these fluctuations should be eliminated because they might hide the characteristics of the host structural damages. This paper presents a long-term SHM technique under an unknown noisy environment for tidal current power plant structures. The obtained impedance signatures contained significant variations during the measurements, especially in the audio frequency range. To eliminate these variations, a continuous principal component analysis was applied, and the results were compared with the conventional approach using the RMSD (Root Mean Square Deviation) and CC (Cross-correlation Coefficient) damage indices. Finally, it was found that this approach could be effectively used for long-term SHM in noisy environments.
Development and application of structural health monitoring system in Korea have become active since the early 1990's. In earlier applications, health monitoring systems were installed in several existing bridges in order to collect initial field data by full scale load capacity test for design verification and subsequently monitor long-term performance and durability of the bridge as part of an inspection and maintenance program. Recently, modem and integrated monitoring systems have been introduced in most of the newly constructed long-span bridges since the design stage. This paper outlines the progresses and applications of monitoring systems in Korea for both existing and newly constructed bridges and describes their aims and characteristics.
Hoover, Davis P.;Bilbao, Argenis;Rice, Jennifer A.
Smart Structures and Systems
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v.10
no.3
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pp.271-298
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2012
Researchers have made significant progress in recent years towards realizing effective structural health monitoring (SHM) utilizing wireless smart sensor networks (WSSNs). These efforts have focused on improving the performance and robustness of such networks to achieve high quality data acquisition and distributed, in-network processing. One of the primary challenges still facing the use of smart sensors for long-term monitoring deployments is their limited power resources. Periodically accessing the sensor nodes to change batteries is not feasible or economical in many deployment cases. While energy harvesting techniques show promise for prolonging unattended network life, low power design and operation are still critically important. This research presents the WiSeMote: a new, fully integrated ultra-low power wireless smart sensor node and a flexible base station, both designed for long-term SHM deployments. The power consumption of the sensor nodes and base station has been minimized through careful hardware selection and the implementation of power-aware network software, without sacrificing flexibility and functionality.
Vibration-based structural health monitoring is used to ensure the safety of structures by installing sensors in structures. The peak picking method, one of the applications of vibration-based structural health monitoring, is a method that analyze the dynamic characteristics of a structure using the peaks of the frequency response function. However, the results may vary depending on the person predicting the peak point; further, the method does not predict the exact peak point in the presence of noise. To overcome the limitations of the existing peak picking methods, this study proposes a new method to automate the modal analysis process by utilizing long short-term memory, a type of recurrent neural network. The method proposed in this study uses the time series data of the frequency response function directly as the input of the LSTM network. In addition, the proposed method improved the accuracy by using the phase as well as amplitude information of the frequency response function. Simulation experiments and lab-scale model experiments are performed to verify the performance of the LSTM network developed in this study. The result reported a modal assurance criterion of 0.8107, and it is expected that the dynamic characteristics of a civil structure can be predicted with high accuracy using data without experts.
Structural Health Monitoring System (SHMS) works as an efficient platform for monitoring the health status and performance deterioration of engineering structures during long-term service periods. The objective of its installation is to provide reasonable suggestions for structural maintenance and management, and therefore ensure the structural safety based on the information extracted from the real-time measured data. In this paper, the SHMS implemented on a world-famous kilometer-level cable-stayed bridge, named as Sutong Cable-stayed Bridge (SCB), is introduced in detail. The composition and core functions of the SHMS on SCB are elaborately presented. The system consists of four main subsystems including sensory subsystem, data acquisition and transmission subsystem, data management and control subsystem and structural health evaluation subsystem. All of the four parts are decomposed to separately describe their own constitutions and connected to illustrate the systematic functions. Accordingly, the main techniques and strategies adopted in the SHMS establishment are presented and some extension researches based on structural health monitoring are discussed. The introduction of the SHMS on SCB is expected to provide references for the establishment of SHMSs on long-span bridges with similar features as well as the implementation of potential researches based on structural health monitoring.
A subway or an underground railway is one of the representative public transportations which lots of people take everyday. Then, subway station, which is also one of the very important public civil infrastructures, generally services for a long period of time. During the service time of stations, they are easily damaged from environmental corrosion, material aging, fatigue, and the coupling effects with long-term loads and extreme loads. Recently, civil construction work on the places near station often creates lots of damages to the station. As these damages accumulate, the performance of station degenerates due to the above factors. They would inevitably reduce the resisting capacity of station against the disaster; even they bring into the collapse of stations with the structural failure under long-term loads and extreme loads. And, if disaster such as earthquake, fire, etc. happens, it causes huge property damage and threatens the human lives. Because of these above reasons, the structural health monitoring system need to be developed for ensuring the safety of station. In this paper, the development directions of the structural health monitoring system with fiber optic sensor and USN for subway station are briefly described.
Station structures, one of important infrastructures, which have been being operated since the 1970s, are especially vulnerable to even the medium-level earthquake and they could be damaged by long-term internal or external vibrations such as ambient vibrations. Recently, much attention has been paid to real-time monitoring of the fatal defect or long-term deterioration of civil infrastructures to ensure their safety and adequate performance throughout their life span. In this study, a structural health monitoring methodology using acceleration responses is proposed to evaluate the health-state of the station structures and to detect initial damage-stage. A damage index is developed using the acceleration data and it is applied to outlier analysis, one of unsupervised learning based pattern recognition methods. A threshold value for the outlier analysis is determined based on confidence level of the probabilistic distribution of the acceleration data. The probabilistic distribution is selected according to the feature of the collected data.
A number of sensing techniques have been implemented for detecting defects in civil infrastructures instead of onsite human inspections in structural health monitoring. However, the issue of faults in sensors has not received much attention. This issue may lead to incorrect interpretation of data and false alarms. To overcome these challenges, this article presents a deep learning-based method with a new architecture of Stateful Long Short Term Memory Neural Networks (S-LSTM NN) for detecting sensor fault without going into details of the fault features. As LSTMs are capable of learning data features automatically, and the proposed method works without an accurate mathematical model. The detection of four types of sensor faults are studied in this paper. Non-stationary acceleration responses of a three-span continuous bridge when under operational conditions are studied. A deep network model is applied to the measured bridge data with estimation to detect the sensor fault. Another set of sensor output data is used to supervise the network parameters and backpropagation algorithm to fine tune the parameters to establish a deep self-coding network model. The response residuals between the true value and the predicted value of the deep S-LSTM network was statistically analyzed to determine the fault threshold of sensor. Experimental study with a cable-stayed bridge further indicated that the proposed method is robust in the detection of the sensor fault.
Zhang, Yi;Kim, Chul-Woo;Tee, Kong Fah;Garg, Akhil;Garg, Ankit
Smart Structures and Systems
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v.21
no.2
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pp.171-185
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2018
Maintenance of deteriorated bridge structures has always been one of the challenging issues in developing countries as it is directly related to daily life of people including trade and economy. An effective maintenance strategy is highly dependent on timely inspections on the bridge health condition. This study is intended to investigate an approach for detecting bridge damage for the long-term health monitoring by use of copula theory. Long-term measured data for the seven-span plate-Gerber bridge is investigated. Autoregressive time series models constructed for the observed accelerations taken from the bridge are utilized for the computation of damage indicator for the bridge. The copula model is used to analyze the statistical changes associated with the modal parameters. The changes in the modal parameters with the time are identified by the copula statistical properties. Applicability of the proposed method is also discussed based on a comparison study among other approaches.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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