An integrated method is proposed for structural nonlinear damage detection based on time series analysis and the higher statistical moments of structural responses in this study. It combines the time series analysis, the higher statistical moments of AR model residual errors and the fuzzy c-means (FCM) clustering techniques. A few comprehensive damage indexes are developed in the arithmetic and geometric mean of the higher statistical moments, and are classified by using the FCM clustering method to achieve nonlinear damage detection. A series of the measured response data, downloaded from the web site of the Los Alamos National Laboratory (LANL) USA, from a three-storey building structure considering the environmental variety as well as different nonlinear damage cases, are analyzed and used to assess the performance of the new nonlinear damage detection method. The effectiveness and robustness of the new proposed method are finally analyzed and concluded.
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.
With the increasing diversity of internet media, available video data have become more convenient and abundant. Related video data-based research has advanced rapidly in recent years owing to advantages such as noncontact, low-cost data acquisition, high spatial resolution, and simultaneity. Additionally, structural nonlinearity extraction has attracted increasing attention as a tool for damage evaluation. This review paper aims to summarize the research experience with the recent developments and applications of video data-based technology for structural nonlinearity extraction and damage evaluation. The most regularly used object detection images and video databases are first summarized, followed by suggestions for obtaining video data on structural nonlinear damage events. Technologies for linear and nonlinear system identification based on video data are then discussed. In addition, common nonlinear damage types in disaster events and prevalent processing algorithms are reviewed in the section on structural damage evaluation using video data uploaded on online platform. Finally, a discussion regarding some potential research directions is proposed to address the weaknesses of the current nonlinear extraction technology based on video data, such as the use of uni-dimensional time-series data as leverage to further achieve nonlinear extraction and the difficulty of real-time detection, including the fields of nonlinear extraction for spatial data, real-time detection, and visualization.
This paper presents the processing of nonlinear features associated with a damage event by quadratic time-frequency distributions for damage identification in a frame structure. A time-frequency distribution is a function which distributes the total energy of a signal at a particular time and frequency point. As the occurrence of damage often gives rise to non-stationary, nonlinear structural behavior, simultaneous representation of the dynamic response in the time-frequency plane offers valuable insight for damage detection. The applicability of the bilinear time-frequency distributions of the Cohen class is examined for the damage assessment of a frame structure from the simulated acceleration data. It is shown that the changes in instantaneous energy of the dynamic response could be a good damage indicator. Presence and location of damage can be identified using Choi-Williams distribution when damping is ignored. However, in the presence of damping the Page distribution is more effective and offers better readability for structural damage detection.
Most of the practical engineering structures exhibit nonlinearity due to nonlinear dynamic characteristics of structural joints, nonlinear boundary conditions and nonlinear material properties. Hence, it is highly desirable to detect and characterize the nonlinearity present in the system in order to assess the true behaviour of the structural system. Further, these identified nonlinear features can be effectively used for damage diagnosis during structural health monitoring. In this paper, we focus on the detection of the nonlinearity present in the system by confining our discussion to only a few selective time-frequency analysis and multivariate analysis based techniques. Both damage induced nonlinearity and inherent structural nonlinearity in healthy systems are considered. The strengths and weakness of various techniques for nonlinear detection are investigated through numerically simulated two different classes of nonlinear problems. These numerical results are complemented with the experimental data to demonstrate its suitability to the practical problems.
Fatigue crack is a fatal problem for steel structures. Early detection and maintenance can help extend the service life and prevent hazards. This paper presents the ultrasonic guided waves-based (UGWs-based) fatigue crack detection of a steel I-beam. The semi-analytical finite element model has been built to obtain the wave propagation characteristics. Damage indices in both time and frequency domains were analyzed by considering the characteristic variations of UGWs including the amplitude, phase angle, and wave packet energy. The pulse-echo and pitch-catch methods were combined in the detection scheme. Lab-scale experiments were conducted on welded steel I-beams to verify the proposed method. Results show that the damage indices based on the characteristic variations in the time domain can identify and localize the fatigue crack before it enters the rapid growth stage. The damage severity can be reasonably evaluated by analyzing the time-domain damage indices. Two nonlinear damage indices in the frequency domain give earlier warnings of the fatigue crack than the time-domain damage indices do. The identification results based on the above two nonlinear indices are found to be less consistent under various excitation frequencies. More robust nonlinear techniques needed to be searched and tested for early crack detection in steel I-beams in further study.
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.
본 연구는 최적설계에 사용되는 역섭동법을 구조물의 손상탐지에 적용하였다. 이 방법은 손상의 위치를 정확하게 탐지하기 위하여 미지수보다 많은 수의 구속조건이 필요하므로, 최적설계와는 달리 비선형 회소자승법을 수치기법에 사용한다. 한편 손상탐지의 경우, 모든 자유도의 응답이 측정가능한 것은 아니며 제한된 수의 센서에서 부분적인 진동모드만 측정할 수 있다. 이처럼 부분적인 정보를 사용하여, 손상진단을 성공적으로 수행하기 위해서는 사용될 센서의 수와 위치를 결정하는 연구가 매우 중요한다. 본 논문에서는 센서의 개수가 결정되었을 때, 손상탐지에 적합한 센서 위치의 선정방법에 관하여 연구하였다. 이러한 연구의 결과로 순차적 소거법이 역섭동법을 이용한 손상탐지에 가장 적합한 센서위치의 선정방법임을 수치 예에서 확인하였다.
Damage detection methodologies based on the direct examination of the nonlinear-nonstationary characteristics of the structure dynamic response may play an important role in online structural health monitoring applications. Different signal processing based damage detection methodologies have been proposed based on the uncovering of spikes in the high frequency component of the structural response obtained via Discrete Wavelet transforms, Hilbert-Huang transforms or high pass filtering. The performance of these approaches in systems subjected to different types of excitation is evaluated in this paper. It is found that in the case of random excitations, like earthquake accelerations, the effectiveness of such methodologies is limited. An alternative damage detection approach using the Continuous Wavelet Transform (CWT) is also evaluated to overcome this limitation. Using the CWT has the advantage that the central frequencies at which it operates can be defined by the user while the frequency bands of the detail functions obtained via DWT are predetermined by the sampling period of the signal.
Suspension bridges are critical to urban transportation, but those in earthquake-prone areas face unique challenges. In the event of a moderate or strong earthquake, conventional linear theory-based approaches for detecting bridge damage become inadequate. This study presents an efficient method for identifying damage in suspension bridges using time history nonlinear inelastic analysis. A practical advanced analysis program is employed to model cable-supported bridges with low computational cost, generating a dataset for four hybrid models: PSO-DT, PSO-RF, PSO-XGB, and PSO-CGB. These models combine decision tree (DT), random forest (RF), extreme gradient boosting (XGB), and categorical gradient boosting (CGB) with particle swarm optimization (PSO) to capture nonlinear correlations between displacement response and damage. Principal component analysis reduces dataset dimensions, and PSO selects the optimal model. A numerical case study of a suspension bridge under simulated earthquake conditions identifies PSO-XGB as the best model for predicting stiffness reduction. The results demonstrate the method's robustness for nonlinear damage detection in suspension bridges under earthquake excitation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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