Safety and structural integrity of civil structures, like bridges and buildings, can be substantially enhanced by employing appropriate structural health monitoring (SHM) techniques for timely diagnosis of incipient damages. The information gathered from health monitoring of important infrastructure helps in making informed decisions on their maintenance. This ensures smooth, uninterrupted operation of the civil infrastructure and also cuts down the overall maintenance cost. With an early warning system, SHM can protect human life during major structural failures. A real-time online damage localization technique is proposed using only the vibration measurements in this paper. The concept of the 'Degree of Scatter' (DoS) of the vibration measurements is used to generate a spatial profile, and fractal dimension theory is used for damage detection and localization in the proposed two-phase algorithm. Further, it ensures robustness against environmental and operational variability (EoV). The proposed method works only with output-only responses and does not require correlated finite element models. Investigations are carried out to test the presented algorithm, using the synthetic data generated from a simply supported beam, a 25-storey shear building model, and also experimental data obtained from the lab-level experiments on a steel I-beam and a ten-storey framed structure. The investigations suggest that the proposed damage localization algorithm is capable of isolating the influence of the confounding factors associated with EoV while detecting and localizing damage even with noisy measurements.
Soman, Rohan N.;Onoufrioua, Toula;Kyriakidesb, Marios A.;Votsisc, Renos A.;Chrysostomou, Christis Z.
Smart Structures and Systems
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제14권1호
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pp.55-70
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2014
The paper presents a multi-objective optimization strategy for a multi-type sensor placement for Structural Health Monitoring (SHM) of long span bridges. The problem is formulated for simultaneous placement of strain sensors and accelerometers (heterogeneous network) based on application demands for SHM system. Modal Identification (MI) and Accurate Mode Shape Expansion (AMSE) were chosen as the application demands for SHM. The optimization problem is solved through the use of integer Genetic Algorithm (GA) to maximize a common metric to ensure adequate MI and AMSE. The performance of the joint optimization problem solved by GA is compared with other established methods for homogenous sensor placement. The results indicate that the use of a multi-type sensor system can improve the quality of SHM. It has also been demonstrated that use of GA improves the overall quality of the sensor placement compared to other methods for optimization of sensor placement.
The difficulty in modeling complex nonlinear structures lies in the presence of significant sources of uncertainties mainly attributed to sudden changes in the structure's behavior caused by regular aging factors or extreme events. Quantifying these uncertainties and accurately representing them within the complex mathematical framework of Structural Health Monitoring (SHM) are significantly essential for system identification and damage detection purposes. This study highlights the importance of uncertainty quantification in SHM frameworks, and presents a comparative analysis between intrusive and non-intrusive techniques in quantifying uncertainties for SHM purposes through two different variations of the Kalman Filter (KF) method, the Ensemble Kalman filter (EnKF) and the Polynomial Chaos Kalman Filter (PCKF). The comparative analysis is based on a numerical example that consists of a four degrees-of-freedom (DOF) system, comprising Bouc-Wen hysteretic behavior and subjected to El-Centro earthquake excitation. The comparison is based on the ability of each technique to quantify the different sources of uncertainty for SHM purposes and to accurately approximate the system state and parameters when compared to the true state with the least computational burden. While the results show that both filters are able to locate the damage in space and time and to accurately estimate the system responses and unknown parameters, the computational cost of PCKF is shown to be less than that of EnKF for a similar level of numerical accuracy.
The performance evaluation of existing structures is important to study the safety of those structures with changing the loads over the lifetime of structures. Therefore, this study aims at evaluating the Seong-Su bridge, Seoul, Korea, using structural health monitoring (SHM) system. The static and dynamic tests are used to assess the behavior of the bridge. The statistical and wavelet analyses are used to demonstrate the behavior of the bridge in the time and frequency domains. The previous SHM results are used to assess the bridge performance. The results of this study show that the bridge performance under static and dynamic loads is safe in time and frequency domains.
항공우주산업에서 구조물의 수명연장과 경제적 측면에서의 효율적인 운용을 위해 다양한 구조건전성모니터링(Structural Health Monitoring, SHM) 기법들이 제시되어왔다. 금속재 구조물의 경우, 수분이나 염분 등에 의한 부식이나 쉽게 응력집중이 발생하는 타공, 노치, 볼트 등과 같은 위치에서의 균열이 주된 관심사였으나, 항공우주산업에서의 복합재 사용비율이 증가함에 따라 손상 메커니즘이 더욱 복잡한 복합재 구조물에 적용이 가능한 고도화된 SHM 시스템의 필요성이 강조되고 있다. 본 논문에서는 Q-switched 레이저와 다수의 압전센서를 이용한 복합재에서의 AE(Acoustic emission) 위치탐지 기법을 제시한다. 제시되는 기법은 10 mm 이내의 거리오차로 방출위치 탐지를 목표로 하며 복합재 구조에서 수행된 AE 모사실험 및 위치탐지 시도 결과를 제시하여 기법이 유효함을 증명한다.
A long-term structural health monitoring (SHM) system comprising over 700 sensors of sixteen types has been implemented on the Guangzhou Television and Sightseeing Tower (GTST) of 610 m high for real-time monitoring of the structure at both construction and service stages. As part of this sophisticated SHM system, 48 temperature sensors have been deployed at 12 cross-sections of the reinforced concrete inner structure of the GTST to provide on-line monitoring via a wireless data transmission system. In this paper, the differential temperature profiles in the reinforced concrete inner structure of the GTST, which are mainly caused by solar radiation, are recognized from the monitoring data with the purpose of understanding the temperature-induced structural internal forces and deformations. After a careful examination of the pre-classified temperature measurement data obtained under sunny days and non-sunny days, common characteristic of the daily temperature variation is observed from the data acquired in sunny days. Making use of 60-day temperature measurement data obtained in sunny days, statistical patterns of the daily rising temperature and daily descending temperature are synthesized, and temperature distribution models of the reinforced concrete inner structure of the GTST are formulated using linear regression analysis. The developed monitoring-based temperature distribution models will serve as a reliable input for numerical prediction of the temperature-induced deformations and provide a robust basis to facilitate the design and construction of similar structures in consideration of thermal effects.
This paper presents the structural performance monitoring of an urban footbridge located in Hangzhou, China. The structural health monitoring (SHM) system is designed and implemented for the footbridge to monitor the structural responses of the footbridge and to ensure the structural safety during the period of operation. The monitoring data of stress and displacement measured by the fiber Bragg grating (FBG)-based sensors installed at the critical locations are used to analyze and assess the operation performance of the footbridge. A linear regression method is applied to separate the temperature effect from the stress monitoring data measured by the FBG-based strain sensors. In addition, the static vertical displacement of the footbridge measured by the FBG-based hydrostatic level gauges are presented and compared with the dynamic displacement remotely measured by a machine vision-based measurement system. Based on the examination of the monitored stress and displacement data, the structural safety evaluation is executed in combination with the defined condition index.
The approach to damage detection and localization adopted in this paper is based on a statistical comparison of models built from the response time histories collected at different stages during the structure lifetime. Some of these time histories are known to have been recorded when the structural system was undamaged. The consistency of the models associated to two different stages, both undamaged, is first recognized. By contrast, the method detects the discrepancies between the models from measurements collected for a damaged situation and for the undamaged reference situation. The damage detection and localization is pursued by a comparison of the SSE (sum of the squared errors) histograms. The validity of the proposed approach is tested by applying it to the analytical benchmark problem developed by the ASCE Task Group on Structural Health Monitoring (SHM). In the paper, the results of the benchmark studies are presented and the performance of the method is discussed.
Ultrasonic Guided Waves (UGWs) are a useful tool in structural health monitoring (SHM) applications that can benefit from built-in transduction, moderately large inspection ranges and high sensitivity to small flaws. This paper describes a SHM method based on UGWs, discrete wavelet transform (DWT), and principal component analysis (PCA) able to detect and quantify the onset and propagation of fatigue cracks in structural waveguides. The method combines the advantages of guided wave signals processed through the DWT with the outcomes of selecting defect-sensitive features to perform a multivariate diagnosis of damage. This diagnosis is based on the PCA. The framework presented in this paper is applied to the detection of fatigue cracks in a steel beam. The probing hardware consists of a PXI platform that controls the generation and measurement of the ultrasonic signals by means of piezoelectric transducers made of Lead Zirconate Titanate. Although the approach is demonstrated in a beam test, it is argued that the proposed method is general and applicable to any structure that can sustain the propagation of UGWs.
This study presents a steel container crane movement analysis and assessment based on structural health monitoring (SHM). The accelerometers are used to monitor the dynamic crane behavior and a 3-D finite element model (FEM) was designed to express the static displacement of the crane under the different load cases. The multi-input single-output nonlinear autoregressive neural network with external input (NNARX) model is used to identify the crane dynamic displacements. The FEM analysis and the identification model are used to investigate the safety and the vibration state of the crane in both time and frequency domains. Moreover, the SHM system is used based on the FEM analysis to assess the crane behavior. The analysis results indicate that: (1) the mean relative dynamic displacement can reveal the relative static movement of structures under environmental load; (2) the environmental load conditions clearly affect the crane deformations in different load cases; (3) the crane deformations are shown within the safe limits under different loads.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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