Shahverdi, Sajad;Lotfollahi-Yaghin, Mohammad Ali;Asgarian, Behrouz
Smart Structures and Systems
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제11권6호
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pp.589-604
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2013
Identification of damage has become an evolving area of research over the last few decades with increasing the need of online health monitoring of the large structures. The visual damage detection can be impractical, expensive and ineffective in case of large structures, e.g., offshore platforms, offshore pipelines, multi-storied buildings and bridges. Damage in a system causes a change in the dynamic properties of the system. The structural damage is typically a local phenomenon, which tends to be captured by higher frequency signals. Most of vibration-based damage detection methods require modal properties that are obtained from measured signals through the system identification techniques. However, the modal properties such as natural frequencies and mode shapes are not such good sensitive indication of structural damage. Identification of damaged jacket type offshore platform members, based on wavelet packet transform is presented in this paper. The jacket platform is excited by simple wave load. Response of actual jacket needs to be measured. Dynamic signals are measured by finite element analysis result. It is assumed that this is actual response of the platform measured in the field. The dynamic signals first decomposed into wavelet packet components. Then eliminating some of the component signals (eliminate approximation component of wavelet packet decomposition), component energies of remained signal (detail components) are calculated and used for damage assessment. This method is called Detail Signal Energy Rate Index (DSERI). The results show that reduced wavelet packet component energies are good candidate indices which are sensitive to structural damage. These component energies can be used for damage assessment including identifying damage occurrence and are applicable for finding damages' location.
Broad studies have addressed the issue of structural element damage identification, however, rubber bearing, as a key component of load transmission between the superstructure and substructure, is essential to the operational safety of a bridge, which should be paid more attention to its health condition. However, regarding the limitations of the traditional bearing damage detection methods as well as few studies have been conducted on this topic, in this paper, inspired by the model updating-based structural damage identification, a two-stage bearing damage identification method has been proposed. In the first stage, we deduce a novel bearing damage localization indicator, called element relative MSE, to accurately determine the bearing damage location. In the second one, the prior knowledge of bearing damage localization is combined with sailfish optimization (SFO) to perform the bearing damage estimation. In order to validate the feasibility, a numerical example of a 5-span continuous beam is introduced, also the noise robustness has been investigated. Meanwhile, the effectiveness and engineering applicability are further verified based on an experimental simply supported beam and actual engineering of the I-40 Bridge. The obtained results are good, which indicate that the proposed method is not only suitable for simple structures but also can accurately locate the bearing damage site and identify its severity for complex structure. To summarize, the proposed method provides a good guideline for the issue of bridge bearing detection, which could be used to reduce the difficulty of the traditional bearing failure detection approach, further saving labor costs and economic expenses.
Karayannis, Chris G.;Voutetaki, Maristella E.;Chalioris, Constantin E.;Providakis, Costas P.;Angeli, Georgia M.
Smart Structures and Systems
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제15권4호
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pp.997-1018
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2015
Structural health monitoring along with damage detection and assessment of its severity level in non-accessible reinforced concrete members using piezoelectric materials becomes essential since engineers often face the problem of detecting hidden damage. In this study, the potential of the detection of flexural damage state in the lower part of the mid-span area of a simply supported reinforced concrete beam using piezoelectric sensors is analytically investigated. Two common severity levels of flexural damage are examined: (i) cracking of concrete that extends from the external lower fiber of concrete up to the steel reinforcement and (ii) yielding of reinforcing bars that occurs for higher levels of bending moment and after the flexural cracking. The purpose of this investigation is to apply finite element modeling using admittance based signature data to analyze its accuracy and to check the potential use of this technique to monitor structural damage in real-time. It has been indicated that damage detection capability greatly depends on the frequency selection rather than on the level of the harmonic excitation loading. This way, the excitation loading sequence can have a level low enough that the technique may be considered as applicable and effective for real structures. Further, it is concluded that the closest applied piezoelectric sensor to the flexural damage demonstrates higher overall sensitivity to structural damage in the entire frequency band for both damage states with respect to the other used sensors. However, the observed sensitivity of the other sensors becomes comparatively high in the peak values of the root mean square deviation index.
Ordinary reinforced concrete (RC) and prestressed concrete bridges are two popular and typical types of short- and medium-span bridges that accounts for the vast majority of all existing bridges. The cost of maintaining, repairing or replacing degraded existing RC bridges is immense. Detecting the abnormality of RC bridges at an early stage and taking the protective measures in advance are effective ways to improve maintenance practices and reduce the maintenance cost. This study proposes a systematic method from influence line (IL) identification to damage detection with applications to RC bridges. An IL identification method which integrates the cubic B-spline function with Tikhonov regularization is first proposed based on the vehicle information and the corresponding moving vehicle induced bridge response time history. Subsequently, IL change is defined as a damage index for bridge damage detection, and information fusion technique that synthesizes ILs of multiple locations/sensors is used to improve the efficiency and accuracy of damage localization. Finally, the feasibility of the proposed systematic method is verified through experimental tests on a three-span continuous RC beam. The comparison suggests that the identified ILs can well match with the baseline ILs, and it demonstrates that the proposed IL identification method has a high accuracy and a great potential in engineering applications. Results in this case indicate that deflection ILs are superior than strain ILs for damage detection of RC beams, and the performance of damage localization can be significantly improved with the information fusion of multiple ILs.
최근 기후변화에 따라 세계적으로 산불이 빈번해지고 피해 규모가 커지면서, 이에 따른 산림 생태계 파괴, 인명 및 재산 피해가 증가하고 있다. 위성기반 산불피해지수는 객관적이고 신속한 산불피해지 파악을 가능하게 하고, 북한과 같이 접근이 불가능한 지역에 대한 분석에 유용하다. 이 단보에서는 전통적으로 사용되어 온 Normalized Burn Ratio (NBR)를 비롯하여, 식생활력도를 나타내는 Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), 그리고 최근에 개발된 Fire Burn Index (FBI)와 Forest Withering Index (FWI)를 이용하여 북한지역 산불피해지 탐지를 수행하고, 4가지 지수의 비교 평가를 통해 한반도 적용 방안을 모색하였다. 향후 중소형 산불에 대한 적용가능성 검토와 딥러닝 영상인식의 활용 등이 추가적으로 연구되어야 할 것이다.
Electromechanical impedance (EMI) based structural health monitoring is performed by measuring the variation in the impedance due to the structural local damage. The impedance signals are acquired from the piezoelectric patches that are bonded on the structural surface. The impedance variation, which is directly related to the mechanical properties of the structure, indicates the presence of local structural damage. Two traditional EMI-based damage detection methods are based on calculating the difference between the measured impedance signals in the frequency domain from the baseline and the current structures. In this paper, a new structural damage detection approach by analyzing the time domain impedance responses is proposed. The measured time domain responses from the piezoelectric transducers will be used for analysis. With the use of the Time Frequency Autoregressive Moving Average (TFARMA) model, a damage index based on Singular Value Decomposition (SVD) is defined to identify the existence of the structural local damage. Experimental studies on a space steel truss bridge model in the laboratory are conducted to verify the proposed approach. Four piezoelectric transducers are attached at different locations and excited by a sweep-frequency signal. The impedance responses at different locations are analyzed with TFARMA model to investigate the effectiveness and performance of the proposed approach. The results demonstrate that the proposed approach is very sensitive and robust in detecting the bolt damage in the gusset plates of steel truss bridges.
Early detection of small concrete crack or reinforcement corrosion is necessary for Structural Health Monitoring (SHM). Global vibration based methods are advantageous over local methods because of simple equipment installation and cost efficiency. Among vibration based techniques, FRF based methods are preferred over modal based methods. In this study, a new coupled method using frequency response function (FRF) and proper orthogonal modes (POM) is proposed by using the dynamic characteristic of a damaged beam. For the numerical simulation, wave finite element (WFE), coupled with traditional finite element (FE) method is used for effectively incorporating the damage related information and faster computation. As reported in literature, hybrid combination of wave function based wave finite element method and shape function based finite element method can addresses the mid frequency modelling difficulty as it utilises the advantages of both the methods. It also reduces the dynamic matrix dimension. The algorithms are implemented on a three-dimensional reinforced concrete beam. Damage is modelled and studied for two scenarios, i.e., crack in concrete and rebar corrosion. Single and multiple damage locations with different damage length are also considered. The proposed methodology is found to be very sensitive to both single- and multiple- damage while being computationally efficient at the same time. It is observed that the detection of damage due to corrosion is more challenging than that of concrete crack. The similarity index obtained from the damage parameters shows that it can be a very effective indicator for appropriately indicating initiation of damage in concrete structure in the form of spread corrosion or invisible crack.
It is essential to monitor the working conditions of bolt-connected joints, which are widely used in various kinds of steel structures. The looseness of bolts may directly affect the stability and safety of the entire structure. In this study, a guided wave-based method for bolt looseness detection and localization is presented for a joint structure with multiple bolts. SH waves generated and received by a small number (two pairs) of magnetostrictive transducers were used. The bolt looseness index was proposed based on the changes in the reconstructed responses excited by the time reversal signals of the measured unit impulse responses. The damage locations and local damage severities were estimated using the damage indices from several wave propagation paths. The back propagation neural network (BPNN) technique was employed to identify the local damages. Numerical and experimental studies were conducted on a lap joint with eight bolts. The results show that the total damage severity can be successfully detected under the effect of external force and measurement noise. The local damage severity can be estimated reasonably for the experimental data using the BPNN constructed by the training patterns generated from the finite element simulations.
The structural monitoring of multi-wire strands is of importance to prestressed concrete structures and cable-stayed or suspension bridges. This paper addresses the monitoring of strands by ultrasonic guided waves with emphasis on the signal processing and automatic defect classification. The detection of notch-like defects in the strands is based on the reflections of guided waves that are excited and detected by magnetostrictive ultrasonic transducers. The Discrete Wavelet Transform was used to extract damage-sensitive features from the detected signals and to construct a multi-dimensional Damage Index vector. The Damage Index vector was then fed to an Artificial Neural Network to provide the automatic classification of (a) the size of the notch and (b) the location of the notch from the receiving sensor. Following an optimization study of the network, it was determined that five damage-sensitive features provided the best defect classification performance with an overall success rate of 90.8%. It was thus demonstrated that the wavelet-based multidimensional analysis can provide excellent classification performance for notch-type defects in strands.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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