This study presents the application of two indices for the locating of cracks in Reinforced Concrete (RC) structures, as well as the development of their modified forms to overcome limitations. The first index is based on mode shape curvature and the second index is based on the fourth derivative of the mode shape. In order to confirm the indices' effectiveness, both eigenvalues coupled with nonlinear static analyses were carried out and the eigenvectors for two different damage locations and intensities of load were obtained from the finite element model of RC beams. The values of the damage-locating indices derived using both indices were then compared. Generally, the mode shape curvature-based index suffered from insensitivity when attempting to detect the damage location; this also applied to the mode shape fourth derivative-based index at lower modes. However, at higher modes, the mode shape fourth derivative-based index gave an acceptable indication of the damage location. Both the indices showed inconsistencies and anomalies at the supports. This study proposed modification to both indices to overcome identified flaws. The results proved that modified forms exhibited better sensitivity for identifying the damage location. In addition, anomalies at the supports were eliminated.
Yazdanpanah, O.;Seyedpoor, S.M.;Bengar, H. Akbarzadeh
Structural Engineering and Mechanics
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제53권4호
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pp.725-744
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2015
In this paper, a new damage indicator based on mode shape data is introduced to identify damage in beam structures. In order to construct the indicator proposed, the mode shape, mode shape slope and mode shape curvature of a beam before and after damage are utilized. Mode shape data of the beam are first obtained here using a finite element modeling and then the slope and curvature of mode shape are evaluated via the central finite difference method. In order to assess the robustness of the proposed indicator, two test examples including a simply supported beam and a two-span beam are considered. Numerical results demonstrate that using the proposed indicator, the location of single and multiple damage cases having different characteristics can be accurately determined. Moreover, the indicator shows a better performance when compared with a well-known indicator found in the literature.
A two-step procedure to detect and quantify damages in structures from changes in curvature mode shapes is presented here. In the first step the maximum difference in curvature mode shapes of the undamaged and damaged structure are used for visual identification of the damaged internal-substructure. In the next step, the identified substructures are searched using unified particle swarm optimization technique for exact identification of damage location and amount. Efficiency of the developed procedure is demonstrated using beam like structures. This methodology may be extended for identifying damages in general frame structures.
A number of mode shape-based structure damage identification methods have been verified by numerical simulations or experiments for on-line structure health monitoring (SHM). However, many of them need a baseline mode shape generated by the healthy structure serving as a reference to identify damages. Otherwise these methods can hardly perform well when multiple cracks conditions occur. So it is important to solve the problems above. By aid of the fractal dimension method (FD), Qiao and Wang proposed a generalized fractal dimension (GFD) to detect the delamination damage. As a modification of GFD, Qiao and Cao proposed the approximate waveform capacity dimension (AWCD) technique to simplify the calculation of fractal and overcome the false peak appearing in the high mode shapes. Based on their valued work, this paper combined and applied the AWCD method and curvature mode shape data to detect multiple damages in beam. In the end, the identification properties of the AWCD for multiple damages have been verified by groups of Monte Carlo simulations and experiments.
In this paper, a study of the effenctiveness and convergency of five damage measures for structural damage detection of 2-dimensional truss structure using the extended Kalman filtering algorithm is presented. These damage measures are associated with the change in mode shape and displacement due to structural damage. Damage measures contain the change in natural frequency, mode shape, curvature of mode shape, displacement of static force and curvature of displacement of static force. The effectiveness and convergency of these damage measures by using extended Kalman filtering algorithm are demonstrated with the numerical examples.
This study suggests a simple two-step method for structural vibration-based health monitoring for beam-like structures which only utilizes mode shape curvature and few natural frequencies of the structures in order to detect and localize cracks. The method is firstly based on the application of wavelet transform to detect crack locations from mode shape curvature. Then particle swarm optimization is applied to evaluate crack depth. As the Rayleigh quotient is introduced to estimate natural frequencies of cracked beams, the relationship of natural frequencies and crack depths can be easily obtained with only a simple formula. The method is demonstrated and validated numerically, using the numerical examples (cantilever beam and simply supported shaft) in the literature, and experimentally for a cantilever beam. Our results show that mode shape curvature and few estimated natural frequencies can be used to detect crack locations and depths precisely even under a certain level of noise. The method can be extended for health monitoring of other more complicated structures.
The damage localization of the structural system using the natural frequency measurement only is proposed. The existing methods use the changes of mode shape, strain mode shape or curvature mode shape before and after the damage occurrence as these shapes carry the geometric information of the structure. Basically, the change of natural frequencies of the structure can be used as the indicator of the damage occurrence but not as the indicator of the damage location as the natural frequency changes does not carry the geometric information of the structure. In this research, the feedback scope method that measures the natural frequency changes of the structure with and without the feedback Ioo...
Numerical methods are developed for calculating the natural frequencies and mode shapes of the tapered cantilever arches with variable curvature. The differential equations governing the free vibrations of such arches are derived and solved numerically, in which the effect of rotatory inertia is included. The parabolic shape is chosen as the arch with variable curvature while both the prime and quadratic arched members are considered as the tapered arch with variable curvature while both the prime and quadratic arched members are considered as the tapered arch. Comparisons the natural jfrequencies between this study and finite element method SAP 90 seve to validate the numerical method developed herein. The lowest four natural frequencies are reported as a function of four non-dimensional system parameters. The effects of both the rotatory inertia and cross-sectional shape are reported. Also, the typical mode shapes of stress resultants as well as the displacements are reported.
This study investigates the identification of added mass and its location in the glass fiber reinforced polymer (GFRP) beam structures. The main emphasis of this paper is to ascertain the importance of inclusion of rotational degrees of freedom (dofs) in the introduction of added mass or damage identification. Two identification indices that include the rotational dofs have been introduced in this paper: the modal force index (MFI) and the modal rotational curvature index (MRCI). The MFI amplifies damage signature using undamaged numerical stiffness matrix which is related to changes in the altered mode shapes from the original mode shapes. The MRCI is obtained by using a higher derivative of rotational mode shapes. Experimental and numerical results are compared with the existing methods leading to a conclusion that the contributions of the rotational modes play a key role in the identification of added mass. The authors believe that the similar results are likely in the case of damage identification also.
This paper presents the status improvement of an old damaged deck type rural road steel truss bridge through the modal parametric study after partial retrofitting. The dynamic and static tests on bridge were carried out as in damaged state and after partial retrofitting. The dynamic testing on the steel bridge was carried out using accelerometers under similar environmental conditions with same speed of the moving vehicle. The comparison of the modal parameters i.e., frequency, mode shape mode shape curvature, modal strain energy, along with the deflection parameter are studied with respect to structural analytical model parameters. The status up gradation for the upper and downstream truss obtained was different due to differential level of damage in the bridge. Also after retrofitting the structural elemental behavior obtained was not same as desired. The damage level obtained through static tests carried out using total station indicated further retrofitting requirement.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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