The traditional destructive tests in damage detection require high cost, long consuming time, repairing of damaged members, etc. In addition to these, powerful equipments with advanced technology have motivated development of global vibration based damage detection methods. These methods base on observation of the changes in the structural dynamic properties and updating finite element models. The existence, location, severity and effect on the structural behavior of the damages can be identified by using these methods. The main idea in these methods is to minimize the differences between analytical and experimental natural frequencies. In this study, an application of damage detection using model updating method was presented on a one storey reinforced concrete (RC) building model. The model was designed to be 1/2 scale of a real building. The measurements on the model were performed by using ten uni-axial seismic accelerometers which were placed to the floor level. The presented damage identification procedure mainly consists of five steps: initial finite element modeling, testing of the undamaged model, finite element model calibration, testing of the damaged model, and damage detection with model updating. The elasticity modulus was selected as variable parameter for model calibration, while the inertia moment of section was selected for model updating. The first three modes were taken into consideration. The possible damaged members were estimated by considering the change ratio in the inertia moment. It was concluded that the finite element model calibration was required for structures to later evaluations such as damage, fatigue, etc. The presented model updating based procedure was very effective and useful for RC structures in the damage identification.
In order to investigate the accuracy and applicability of steel equivalent constitutive model, the calculated results were compared with typical tests of steel frames under static and dynamic loading patterns firstly. Secondly, four widely used models for time history analysis of steel frames were compared to discuss the applicability and efficiency of different methods, including shell element model, multi-scale model, equivalent constitutive model (ECM) and traditional beam element model (especially bilinear model). Four-story steel frame models of above-mentioned finite element methods were established. The structural deformation, failure modes and the computational efficiency of different models were compared. Finally, the equivalent constitutive model was applied in seismic incremental dynamic analysis of a ten-floor steel frame and compared with the cyclic hardening model without considering damage and degradation. Meanwhile, the effects of damage and degradation on the seismic performance of steel frame were discussed in depth. The analysis results showed that: damages would lead to larger deformations. Therefore, when the calculated results of steel structures subjected to rare earthquake without considering damage were close to the collapse limit, the actual story drift of structure might already exceed the limit, leading to a certain security risk. ECM could simulate the damage and degradation behaviors of steel structures more accurately, and improve the calculation accuracy of traditional beam element model with acceptable computational efficiency.
This paper presents damage detection and estimation of stiffness parameter on a concrete scale model and a real structure of concrete pontoon using dynamic properties such as mode shapes and natural frequencies. In case of damage detection, dynamic impact test on a concrete scale model is accomplished to extract mode shapes and the practicality is verified by utilizing a damage detection technique. And the stiffness parameter of a real structure of concrete pontoon was estimated via system identification technique using the natural frequencies of the structure. The results indicate that the damaged elements of the scale model are found exactly using damage detection technique and the effective stiffness property of the real structure of concrete pontoon can be estimated by system identification technique.
In this paper, the energy-based plastic-damage model previously proposed by the authors [International Journal of Solids and Structures, 43(3-4): 583-612] is first simplified with an empirically defined evolution law for the irreversible strains, and then it is extended to its rate-dependent version to account for the strain rate effect. Regarding the energy dissipation by the motion of the structure under dynamic loadings, within the framework of continuum damage mechanics a new damping model is proposed and incorporated into the developed rate-dependent plastic-damage mode, leading to a unified constitutive model which is capable of directly considering the damping on the material scale. Pertinent computational aspects concerning the numerical implementation and the algorithmic consistent modulus for the unified model are also discussed in details, through which the dynamic nonlinear analysis of damping structures can be coped with by the same procedures as those without damping. The proposed unified plastic-damage model is verfied by the simulations of concrete specimens under different quasistatic and high rate straining loading conditions, and is then applied to the Koyna dam under earthquake motions. The numerical predictions agree fairly well with the results obtained from experimental tests and/or reported by other investigators, demonstrating its capability for reproducing most of the typical nonlinear performances of concrete under quasi-static and dynamic loading conditions.
A seismic damaged bridge may be hit again by a strong aftershock or another earthquake in a short interval before the repair work has been done. However, discussions about the impact of the unrepaired damages on the residual earthquake resistance of a steel bridge are very scarce at present. In this paper, nonlinear time-history analysis of a steel arch bridge was performed using multi-scale hybrid model. Two strong historical records of main shock-aftershock sequences were taken as the input ground motions during the dynamic analysis. The strain response, local deformation and the accumulation of plasticity of the bridge with and without unrepaired seismic damage were compared. Moreover, the effect of earthquake sequence on crack initiation caused by low-cycle fatigue of the steel bridge was investigated. The results show that seismic damage has little impact on the overall structural displacement response during the aftershock. The residual local deformation, strain response and the cumulative equivalent plastic strain are affected to some extent by the unrepaired damage. Low-cycle fatigue of the steel arch bridge is not induced by the earthquake sequences. Damage indexes of low-cycle fatigue predicted based on different theories are not exactly the same.
In this study, the severity of damage in tendon anchorage caused by the loss of tendon forces is quantitatively identified by using the PZT interface-based impedance monitoring technique. Firstly, a 2-DOF impedance model is newly designed to represent coupled dynamic responses of PZT interface-host structure. Secondly, the 2-DOF impedance model is adopted for the tendon anchorage system. A prototype of PZT interface is designed for the impedance monitoring. Then impedance signatures are experimentally measured from a laboratory-scale tendon anchorage structure with various tendon forces. Finally, damage severities of the tendon anchorage induced by the variation of tendon forces are quantitatively identified from the phase-by-phase model updating process, from which the change in impedance signatures is correlated to the change in structural properties.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2003.04a
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pp.443-450
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2003
System identification techniques can be used to build a baseline modal model for a flawed structure that has no modal information on its as-built state. The accuracy of a system identification proposed by Stubbs and Kim is analyzed for plate-girder bridges and its impact on the accuracy of damage detection in those structures is also analyzed. A laboratory-scale model plate-girder is experimentally tested and the initial four bending modes are examined for certain damage scenarios. The performance of individual baseline modal models is assessed by detecting damage in the model structure.
A wireless sensing system is designed for application to structural monitoring and damage detection applications. Embedded in the wireless monitoring module is a two-tier prediction model, the auto-regressive (AR) and the autoregressive model with exogenous inputs (ARX), used to obtain damage sensitive features of a structure. To validate the performance of the proposed wireless monitoring and damage detection system, two near full scale single-story RC-frames, with and without brick wall system, are instrumented with the wireless monitoring system for real time damage detection during shaking table tests. White noise and seismic ground motion records are applied to the base of the structure using a shaking table. Pattern classification methods are then adopted to classify the structure as damaged or undamaged using time series coefficients as entities of a damage-sensitive feature vector. The demonstration of the damage detection methodology is shown to be capable of identifying damage using a wireless structural monitoring system. The accuracy and sensitivity of the MEMS-based wireless sensors employed are also verified through comparison to data recorded using a traditional wired monitoring system.
This paper studies damage detection as an optimization problem. A new objective function based on changes in natural frequencies, and Natural Frequency Vector Assurance Criterion (NFVAC) was developed. Due to their easy and fast acquisition, natural frequencies were utilized to detect structural damages. Moreover, they are sensitive to stiffness reduction. The method presented here consists of two stages. Firstly, Finite Element Model (FEM) is updated. Secondly, damage severities and locations are determined. To minimize the proposed objective function, a new bio-inspired optimization algorithm called salp swarm was employed. Efficiency of the method presented here is validated by three experimental examples. The first example relates to three-story shear frame with two single damage cases in the first story. The second relates to a five-story shear frame with single and multiple damage cases in the first and third stories. The last one relates to a large-scale eight-story shear frame with minor damage case in the first and third stories. Moreover, the performance of Salp Swarm Algorithm (SSA) was compared with Particle Swarm Optimization (PSO). The results show that better accuracy is obtained using SSA than using PSO. The obtained results clearly indicate that the proposed method can be used to determine accurately and efficiently both damage location and severity in multi-story shear frames.
In this study, the earthquake damage response of the concrete arch dams was investigated including dam-reservoir interaction. A continuum damage model which is a second-order tensor and includes the strain softening behavior was selected for the concrete material. Fluid-structure interaction problem was modeled by Lagrangian approach. Sommerfeld radiation condition was applied to the truncated boundary of reservoir. The improved form of the HHT-${\alpha}$ time integration algorithm was used in the solution of the equations of motion. The arch dam Type 5 was selected for numerical application. For the dynamic input, acceleration records of the 10 December 1967 Koyna earthquake were chosen. These records were scaled with earthquake acceleration scale factor (EASF) and then used in the analyses. Solutions were obtained for empty and full reservoir cases. The effects of EASF and damping ratio on the response of the dam were studied.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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