Seismic records are composed of mainshock and a series of aftershocks which often result in the incremental damage to underground structures and bring great challenges to the rescue of post-disaster and the repair of post-earthquake. In this paper, the repetition method was used to construct the mainshock-aftershocks sequence which was used as the input ground motion for the analysis of dynamic time history. Based on the Daikai station, the two-dimensional finite element model of soil-station was established to explore the failure process of station under different seismic precautionary intensities, and the concept of incremental damage of station was introduced to quantitatively analyze the damage condition of structure under the action of mainshock and two aftershocks. An arc rubber bearing was proposed for the shock absorption. With the arc rubber bearing, the mode of the traditional column end connection was changed from "fixed connection" to "hinged joint", and the ductility of the structure was significantly improved. The results show that the damage condition of the subway station is closely related to the magnitude of the mainshock. When the magnitude of the mainshock is low, the incremental damage to the structure caused by the subsequent aftershocks is little. When the magnitude of the mainshock is high, the subsequent aftershocks will cause serious incremental damage to the structure, and may even lead to the collapse of the station. The arc rubber bearing can reduce the damage to the station. The results can offer a reference for the seismic design of subway stations under the action of mainshock-aftershocks.
In bridge structures, damage may induce an additional deflection which may naturally contain essential information about the damage. However, inverse mapping from the damage-induced deflection to the actual damage location and severity is generally complex, particularly for statically indeterminate systems. In this paper, a new load concept, called the positive-bending-inspection-load (PBIL) is proposed to construct a simple inverse mapping from the damage-induced deflection to the actual damage location. A PBIL for an inspection region is defined as a load or a system of loads which guarantees the bending moment to be positive in the inspection region. From the theoretical investigations, it was proven that the damage-induced chord-wise deflection (DI-CD) has the maximum value with the abrupt change in its slope at the damage location under a PBIL. Hence, a novel damage localization method is proposed based on the DI-CD under a PBIL. The procedure may be summarized as: (1) identification of the modal flexibility matrices from acceleration measurements, (2) design for a PBIL for an inspection region of interest in a structure, (3) calculation of the chord-wise deflections for the PBIL using the modal flexibility matrices, and (4) damage localization by finding the location with the maximum DI-CD with the abrupt change in its slope within the inspection region. Procedures from (2)-(4) can be repeated for several inspection regions to cover the whole structure complementarily. Numerical verification studies were carried out on a simply supported beam and a three-span continuous beam model. Experimental verification study was also carried out on a two-span continuous beam structure with a steel box-girder. It was found that the proposed method can identify the damage existence and damage location for small damage cases with narrow cuts at the bottom flange.
Nondestructive evaluation (NDE) is an important task of civil engineering structure monitoring and inspection, but minor damage such as small cracks in local structure is difficult to observe. If cracks continued expansion may cause partial or even overall damage to the structure. Therefore, monitoring and detecting the structure in the early stage of crack propagation is important. The crack detection technology based on machine vision has been widely studied, but there are still some problems such as bad recognition effect for small cracks. In this paper, we proposed a deep learning method based on sweep signals to evaluate concrete surface crack with a width less than 1 mm. Two convolutional neural networks (CNNs) are used to analyze the one-dimensional (1D) frequency sweep signal and the two-dimensional (2D) time-frequency image, respectively, and the probability value of average damage (ADPV) is proposed to evaluate the minor damage of structural. Finally, we use the standard deviation of energy ratio change (ERVSD) and infrared thermography (IRT) to compare with ADPV to verify the effectiveness of the method proposed in this paper. The experiment results show that the method proposed in this paper can effectively predict whether the concrete surface is damaged and the severity of damage.
A novel damage classification method based on wavelet packet transform and statistical analysis is developed in this study for structural health monitoring. The response signal of a structure under an impact load is normalized and then decomposed into wavelet packet components. Energies of these wavelet packet components are then calculated to obtain the energy distribution. Statistical similarity comparison based on an F-test is used to classify the structure from changes in the wavelet packet energy distribution. A statistical indicator is developed to describe the damage extent of the structure. This approach is applied to the test results from simply supported reinforced concrete beams in the laboratory. Cases with single and two damages are created from static loading, and accelerations of the structure from under impact loads are analyzed. Results show that the method can be used with no reference baseline measurement and model for the damage monitoring and assessment of the structure with alarms at a specified significance level.
A three-dimensional; structural health monitoring; vertical; planar; cross-sample entropy; multiscaleA three-dimensional structural health monitoring (SHM) system based on multiscale entropy (MSE) and multiscale cross-sample entropy (MSCE) is proposed in this paper. The damage condition of a structure is rapidly screened through MSE analysis by measuring the ambient vibration signal on the roof of the structure. Subsequently, the vertical damage location is evaluated by analyzing individual signals on different floors through vertical MSCE analysis. The results are quantified using the vertical damage index (DI). Planar MSCE analysis is applied to detect the damage orientation of damaged floors by analyzing the biaxial signals in four directions on each damaged floor. The results are physically quantified using the planar DI. With progressive vertical and planar analysis methods, the damaged floors and damage locations can be accurately and efficiently diagnosed. To demonstrate the performance of the proposed system, performance evaluation was conducted on a three-dimensional seven-story steel structure. According to the results, the damage condition and elevation were reliably detected. Moreover, the damage location was efficiently quantified by the DI. Average accuracy rates of 93% (vertical) and 91% (planar) were achieved through the proposed DI method. A reference measurement of the current stage can initially launch the SHM system; therefore, structural damage can be reliably detected after major earthquakes.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.17
no.3
s.120
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pp.257-263
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2007
Detection of structural damage is an inverse problem in structural engineering. There are three main questions in the damage detection: existence, location and extent of the damage. In concept, the natural frequency and mode shapes of any structure must satisfy an eigenvalue problem. But, if a potential damage exists in a structure, an error resulting from the substitution of the refined analytical finite element model and measured modal data into the structural eigenvalue equation will occur, which is called the residual modal forces, and can be used as an indicator of potential damage in a structure. In this study, a useful damage detection method is proposed and compared with other two methods. Two degree-of-freedom system and Cantilever beam are used to demonstrate the approach. And the results of three introduced method are compared.
This paper deals with damage detection using active Lamb waves. The wavelet transform and empirical mode decomposition methods are discussed for measuring the Lamb wave's arrival time of the group velocity. An experimental system to diagnose the damage in the composite plate is developed. A method to optimize this system is also given for practical applications of active Lamb waves, which involve optimal arrangement of the piezoelectric elements to produce single mode Lamb waves. In the paper, the single mode Lamb wave means that there exists no overlapping among different Lamb wave modes and the original Lamb wave signal with the boundary reflection signals. Based on this optimized PZT arrangement method, five damage localizations on different plates are completed and the results using wavelet transform and empirical mode decomposition methods are compared.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2007.05a
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pp.938-942
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2007
The proposed algorithm tries to localize damage in a structure by monitoring abnormal increases in strain measurements from a group of wireless sensors. Initially, this clustering technique provides an effective sensor placement within a structure. Sensor clustering also assigns a certain number of master sensors in each cluster so that they can constantly monitor the structural health of a structure. By adopting a voting system, a group of wireless sensors iteratively forages for a damage location as they can be activated as needed. Numerical simulation demonstrates that the newly developed searching algorithm implemented on wireless sensors successfully localizes stiffness damage in a plate through the local level reconfigurable function of smart sensors.
This article identifies and addresses current limitations on the use of numerical models for validation and/or calibration of damage detection methodologies that are based on the analysis of the high frequency response of the structure to identify the occurrence of abrupt anomalies. Distributed-plasticity non-linear fiber-based models in combination with experimental data from a full-scale reinforced concrete column test are used to point out current modeling techniques limitations. It was found that the numerical model was capable of reproducing the global and local response of the structure at a wide range of inelastic demands, including the occurrences of rebar ruptures. However, when abrupt sudden damage occurs, like rebar fracture, a high frequency pulse is detected in the accelerations recorded in the structure that the numerical model is incapable of reproducing. Since the occurrence of such pulse is fundamental on the detection of damage, it is proposed to add this effect to the simulated response before it is used for validation purposes.
In this paper, damage assessment in wind-turbine towers using vibration-based artificial neural networks (ANNs) is numerically investigated. At first, a vibration-based ANNs algorithm is designed for damage detection in a wind turbine tower. The ANNs architecture consists of an input, an output, and hidden layers. Modal parameters of the wind turbine tower such as mode shapes and frequencies are utilized as the input and the output layer composes of element stiffness indices. Next, the finite element model of a real wind-turbine tower is established as the test structure. The natural frequencies and mode shapes of the test structure are computed under various damage cases of single and multiple damages to generate training patterns. Finally, the ANNs are trained using the generated training patterns and employed to detect damaged elements and severities in the test structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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