Modal parameters of a structure are commonly used quantities for system identification and damage detection. With a limited number of studies on the statistics assessment of modal parameters, this paper presents procedures to properly account for the uncertainties present in the process of extracting modal parameters. Particularly, this paper focuses on how to deal with the measurement error in an ambient vibration test and the modeling error resulting from a modal parameter extraction process. A bootstrap approach is adopted, when an ensemble of a limited number of noised time-history response recordings is available. To estimate the modeling error associated with the extraction process, a model prediction expansion approach is adopted where the modeling error is considered as an "adjustment" to the prediction obtained from the extraction process. The proposed procedures can be further incorporated into the probabilistic analysis of applications where the modal parameters are used. This study considers the effects of the measurement and modeling errors and can provide guidance in allocating resources to improve the estimation accuracy of the modal data. As an illustration, the proposed procedures are applied to extract the modal data of a damaged beam, and the extracted modal data are used to detect potential damage locations using a damage detection method. It is shown that the variability in the modal parameters can be considered to be quite low due to the measurement and modeling errors; however, this low variability has a significant impact on the damage detection results for the studied beam.
This paper presents a mechanistic approach to uniaxial viscoelastic constitutive modeling of asphalt concrete that accounts for damage evolution under cyclic loading conditions. An elasticviscoelastic correspondence principle in terms of pseudo variables is applied to separately evaluate viscoelasticity and time-dependent damage growth in asphalt concrete. The time-dependent damage growth in asphalt concrete is modeled by using a damage parameter based on a generalization of microcrack growth law. Internal state variables that describe the hysteretic behavior of asphalt concrete are determined. A constitutive equation in terms of stress and pseudo strain is first established for controlled-strain mode and then transformed to a controlled-stress constitutive equation by simply replacing physical stress and pseudo strain with pseudo stress and physical strain. Tensile uniaxial fatigue tests are performed under the controlled-strain mode to determine model parameters. The constitutive equations in terms of pseudo strain and pseudo stress satisfactorily predict the constitutive behavior of asphalt concrete all the way up to failure under controlled-strain and -stress modes, respectively.
When approached using nonlinear finite element (FE) techniques, structural analyses generate, for real RC structures, large complex numerical problems. Damage is a major part of concrete behavior, and the discretization technique is critical to limiting the size of the problem. Based on previous work, the ${\mu}$ damage model has been designed to activate the various damage effects correlated with monotonic and cyclic loading, including unilateral effects. Assumptions are formulated to simplify constitutive relationships while still allowing for a correct description of the main nonlinear effects. After presenting classical 2D finite element applications on structural elements, an enhanced simplified FE description including a damage description and based on the use of multi-fiber beam elements is provided. Improvements to this description are introduced both to prevent dependency on mesh size as damage evolves and to take into account specific phenomena (permanent strains and damping, steel-concrete debonding). Applications on RC structures subjected to cyclic loads are discussed, and results lead to justifying the various concepts and assumptions explained.
Near-fault ground motion with directivity or fling effects is significantly influenced by the rupture mechanism and substantially different from ordinary records. This class of ground motion has large amplitude and long period, exhibits unusual response spectra shapes, possesses high PGV/PGA and PGD/PGA ratios and is best characterized in the velocity and the displacement time-histories. Such ground motion is also characterized by its energy being contained in a single or very few pulses, thus capable of causing severe damage to the structures. This paper investigates the characteristics of near-fault pulse-like ground motions and their implications on the structural responses using new proposed measures, such as, the effective frequency range, the energy rate (in time and frequency domains) and the damage indices. The paper develops also simple mathematical expressions for modeling this class of ground motion and the associated structural responses, thus eliminating numerical integration of the equations of motion. An optimization technique is also developed by using energy concepts and damage indices for modeling this class of ground motion for inelastic structures at sites having limited earthquake data.
The Finite Element (FE) modeling of Reinforced Concrete (RC) under seismic loading has a sensitive impact in terms of getting good contribution compared to experimental results. Several idealized model types for simulating the nonlinear response have been developed based on the plasticity distribution alone the model. The Continuum Models are the most used category of modeling, to understand the seismic behavior of structural elements in terms of their components, cracking patterns, hysteretic response, and failure mechanisms. However, the material modeling, contact and nonlinear analysis strategy are highly complex due to the joint operation of concrete and steel. This paper presents a numerical simulation of a chosen RC column under monotonic and cyclic loading using the FE Abaqus, to assessthe hysteretic response and failure mechanisms in the RC columns, where the perfect bonding option is used for the contact between concrete and steel. While results of the numerical study under cyclic loading compared to experimental tests might be unsuccessful due to the lack of bond-slip modeling. The monotonic loading shows a good estimation of the envelope response and deformation components. In addition, this work further demonstrates the advantage and efficiency of the damage distributions since the obtained damage distributions fit the expected results.
This paper proposes a data-driven methodology for online early damage identification under changing environmental conditions. The proposed method relies on two data analysis methods: feature-based method and hybrid principal component analysis (PCA) and kernel PCA to separate damage from environmental influences. First, spectral sub-band features, namely, spectral sub-band centroids (SSCs) and log spectral sub-band energies (LSSEs), are proposed as damage-sensitive features to extract damage information from measured structural responses. Second, hybrid modeling by integrating PCA and kernel PCA is performed on the spectral sub-band feature matrix for data normalization to extract both linear and nonlinear features for nonlinear procedure monitoring. After feature normalization, suppressing environmental effects, the control charts (Hotelling T2 and SPE statistics) is implemented to novelty detection and distinguish damage in structures. The hybrid PCA-KPCA technique is compared to KPCA by applying support vector machine (SVM) to evaluate the effectiveness of its performance in detecting damage. The proposed method is verified through numerical and full-scale studies (a Bridge Health Monitoring (BHM) Benchmark Problem and a cable-stayed bridge in China). The results demonstrate that the proposed method can detect the structural damage accurately and reduce false alarms by suppressing the effects and interference of environmental variations.
Ibrahimbegovic, Adnan;Boulkertous, Amor;Davenne, Luc;Muhasilovic, Medzid;Pokrklic, Ahmed
Computers and Concrete
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제7권4호
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pp.285-301
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2010
In this work we first review the statistical data on large fires in urban areas, presenting a detailed list of causes of fires, the type of damage to concrete and reinforced concrete structures. We also present the modern experimental approach for studying the fire-resistance of different structural components, along with the role of numerical modeling to provide more detailed information on quantifying the temperature and heat flux fields. In the last part of this work we provide the refined models for assessment of fire-induced damage in structures built of concrete and/or reinforced-concrete. We show that the refined models of this kind are needed to provide a more thorough explanation of damage and to complete the damage assessment and post-fire evaluations.
The effect of structural uncertainties or measurement errors on damage detection results makes the robustness become one of the most important features during identification. Due to the wide use of vibration signatures on damage detection, the development of vibration-based techniques has attracted a great interest. In this work, a review on vibration-based robust detection techniques is presented, in which the robustness is considerably improved through modeling error compensation, environmental variation reduction, denoising, or proper sensing system design. It is hoped that this study can give help on structural health monitoring or damage mitigation control.
A flexible concrete mattress (FCM) is a structural system for protecting submarine power or communication cables under various load types. To evaluate its of protection performance, a numerical analysis of an FCM under an anchor collision was performed. The explicit dynamics of the finite element analysis program ANSYS were used for the collision analysis. The influences of the steel reinforcement modeling and collision angle of the anchor on the collision behavior of the FCM were estimated. The FCM damage was evaluated based on the results of the numerical analysis considering the numerical modeling and collision environment.
Ensuring the safety of a structure necessitates that repairs are carried out based on accurate inspections and records of damage information. Traditional methods of recording damage rely on individual paper-based documents, making it challenging for inspectors to accurately record damage locations and track chronological changes. Recent research has suggested the adoption of building information modeling (BIM) to record detailed damage information; however, localizing damages on a BIM model can be time-consuming. To overcome this limitation, this study proposes a method to automatically localize damages on a BIM model in real-time, utilizing consecutive images and measurements from an inertial measurement unit in close proximity to damages. The proposed method employs a visual-inertial odometry algorithm to estimate the camera pose, detect damages, and compute the damage location in the coordinate of a prebuilt BIM model. The feasibility and effectiveness of the proposed method were validated through an experiment conducted on a campus building. Results revealed that the proposed method successfully localized damages on the BIM model in real-time, with a root mean square error of 6.6 cm.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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