This study develops a damage detection method based on neural networks. The performance of the method is numerically and experimentally verified using a three-story shear building model. The framework is mainly composed of two hierarchical stages to identify damage location and extent using artificial neural network (ANN). The normalized damage signature index, that is a normalized ratio of the changes in the natural frequency and mode shape caused by the damage, is used to identify the damage location. The modal parameters extracted from the numerically developed structure for multiple damage scenarios are used to train the ANN. The positive alarm from the first stage of damage detection activates the second stage of ANN to assess the damage extent. The difference in mode shape vectors between the intact and damaged structures is used to determine the extent of the related damage. The entire procedure is verified using laboratory experiments. The damage is artificially modeled by replacing the column element with a narrow section, and a stochastic subspace identification method is used to identify the modal parameters. The results verify that the proposed method can accurately detect the damage location and extent.
The virtual forces of the original local flexibility method are restricted to inducing stress on the local parts of a structure. To circumvent this restriction, we developed a pseudo local flexibility (PLFM) method that can successfully detect damage to hyperstatic beam structures using fewer modes. For this study, we further developed the PLFM so that it could detect damage in plate structures. We also devised the theoretical background for the PLFM with non-local virtual forces for plate structures, and both the lateral and rotary degree of freedom (DOF) measurements were considered separately. This study investigates the effects of the number of modes, the actual location that sustained damage, multiple damage locations, and noise in modal parameters for the damage detection results obtained from damaged numerical plates. The results revealed that the PLFM can be used for damage detection, localization, and quantification for plate structures, regardless of the use of the lateral DOF and/or rotary DOF.
A two-stage method for damage detection in truss systems is proposed. In the first stage, a modal residual vector based indicator (MRVBI) is introduced to locate the potentially damaged elements and reduce the damage variables of a truss structure. Then, in the second stage, a differential evolution (DE) based optimization method is implemented to find the actual site and extent of damage in the structure. In order to assess the efficiency of the proposed damage detection method, two numerical examples including a 2D-truss and 3D-truss are considered. Simulation results reveal the high performance of the method for accurately identifying the damage location and severity of trusses with considering the measurement noise.
Structural damage detection, damage localization and severity estimation of jacket platforms, based on calculating modal strain energy is presented in this paper. In the structure, damage often causes a loss of stiffness in some elements, so modal parameters; mode shapes and natural frequencies, in the damaged structure are different from the undamaged state. Geometrical location of damage is detected by computing modal strain energy change ratio (MSECR) for each structural element, which elements with higher MSECR are suspected to be damaged. For each suspected damaged element, by computing cross-modal strain energy (CMSE), damage severity as the stiffness reduction factor -that represented the ratios between the element stiffness changes to the undamaged element stiffness- is estimated. Numerical studies are demonstrated for a three dimensional, single bay, four stories frame of the existing jacket platform, based on the synthetic data that generated from finite element model. It is observed that this method can be used for damage detection of this kind of structures.
This study presents an effective vision-based system for cable bridge damage detection. In theory, cable bridges need to be inspected the outer as well as the inner part. Starting from August 2010, a new research project supported by Korea Ministry of Land, Transportation Maritime Affairs(MLTM) was initiated focusing on the damage detection of cable system. In this study, only the surface damage detection algorithm based on a vision-based system will be focused on, an overview of the vision-based cable damage detection is given in Fig. 1. Basically, the algorithm combines the image enhancement technique with principal component analysis(PCA) to detect damage on cable surfaces. In more detail, the input image from a camera is processed with image enhancement technique to improve image quality, and then it is projected into PCA sub-space. Finally, the Mahalanobis square distance is used for pattern recognition. The algorithm was verified through laboratory tests on three types of cable surface. The algorithm gave very good results, and the next step of this study is to implement the algorithm for real cable bridges.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.6
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pp.938-945
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2003
In the present study, the inverse perturbation method is applied to the structural damage detection in conjunction with a system condensation technique. The system condensation technique is adopted to r esolve the problem due to the incomplete measurement of the degrees-of-freedom (DOFs) in a natural mode. However, the numerical difficulty may arise in the system condensation when the DOFs to be measured are not properly selected. Thus, the issue of sensor placement for structural damage detection, in the framework of the condensation technique-based inverse perturbation method, is considered in this study. Also, a methodology to measure the number of sensors required to obtain reliable damage detection is proposed and then verified through some illustrative example problem.
The most widely known form of multifunctional aircraft structure is smart structures for structural health monitoring (SHM). The aim is to provide automated systems whose purposes are to identify and to characterize possible damage within structures by using a network of actuators and sensors. Unfortunately, environmental and operational variability render many of the proposed damage detection methods difficult to successfully be applied. In this paper, an original robust damage detection approach using output-only vibration data is proposed. It is based on independent component analysis and matrix perturbation analysis, where an analytical threshold is proposed to get rid of statistical assumptions usually performed in damage detection approach. The effectiveness of the proposed SHM method is demonstrated numerically using finite element simulations and experimentally through a conformal load-bearing antenna structure and composite plates instrumented with piezoelectric ceramic materials.
At present, the traditional concrete surface inspection methods based on artificial vision have the problems of high cost and insecurity, while the computer vision methods rely on artificial selection features in the case of sensitive environmental changes and difficult promotion. In order to solve these problems, this paper introduces deep learning technology in the field of computer vision to achieve automatic feature extraction of structural damage, with excellent detection speed and strong generalization ability. The main contents of this study are as follows: (1) A method based on DeepLabV3+ convolutional neural network model is proposed for surface detection of post-earthquake structural damage, including surface damage such as concrete cracks, spaling and exposed steel bars. The key semantic information is extracted by different backbone networks, and the data sets containing various surface damage are trained, tested and evaluated. The intersection ratios of 54.4%, 44.2%, and 89.9% in the test set demonstrate the network's capability to accurately identify different types of structural surface damages in pixel-level segmentation, highlighting its effectiveness in varied testing scenarios. (2) A semantic segmentation model based on DeepLabV3+ convolutional neural network is proposed for the detection and evaluation of post-earthquake structural components. Using a dataset that includes building structural components and their damage degrees for training, testing, and evaluation, semantic segmentation detection accuracies were recorded at 98.5% and 56.9%. To provide a comprehensive assessment that considers both false positives and false negatives, the Mean Intersection over Union (Mean IoU) was employed as the primary evaluation metric. This choice ensures that the network's performance in detecting and evaluating pixel-level damage in post-earthquake structural components is evaluated uniformly across all experiments. By incorporating deep learning technology, this study not only offers an innovative solution for accurately identifying post-earthquake damage in civil engineering structures but also contributes significantly to empirical research in automated detection and evaluation within the field of structural health monitoring.
Majority of the damage in engineering structures is nonlinear. Damage sensitive features (DSFs) extracted by traditional methods from linear time series models cannot effectively handle nonlinearity induced by structural damage. A new DSF is proposed based on vector space cosine similarity (VSCS), which combines K-means cluster analysis and Bayesian discrimination to detect nonlinear structural damage. A reference autoregressive moving average (ARMA) model is built based on measured acceleration data. This study first considers an existing DSF, residual standard deviation (RSD). The DSF is further advanced using the VSCS, and then the advanced VSCS is classified using K-means cluster analysis and Bayes discriminant analysis, respectively. The performance of the proposed approach is then verified using experimental data from a three-story shear building structure, and compared with the results of existing RSD. It is demonstrated that combining the linear ARMA model and the advanced VSCS, with cluster analysis and Bayes discriminant analysis, respectively, is an effective approach for detection of nonlinear damage. This approach improves the reliability and accuracy of the nonlinear damage detection using the linear model and significantly reduces the computational cost. The results indicate that the proposed approach is potential to be a promising damage detection technique.
A simply structural damage detection software is developed to identification damage in beams. According to linear fracture mechanics theory, the localized additional flexibility in damage vicinity can be represented by a lumped parameter element. The damaged beam is modeled by wavelet-based elements to gain the first three frequencies precisely. The first three frequencies influencing functions of damage location and depth are approximated by means of surface-fitting techniques to gain damage detection database of forward problem. Then the first three measured natural frequencies are employed as inputs to solve inverse problem and the intersection of the three frequencies contour lines predict the damage location and depth. The DLL (Dynamic Linkable Library) file of damage detection method is coded by C++ and the corresponding interface of software is coded by virtual instrument software LabVIEW. Finally, the software is tested on beams and shafts in engineering. It is shown that the presented software can be used in actual engineering structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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