Recent advances in low-cost remote monitoring systems have made it possible and practical to perform structural health monitoring (SHM) on a large scale. However, it is difficult for a single remote monitoring system to cover a wide range of SHM applications due to the amount of specialization required. For the remote monitoring system to be flexible, sustainable, and robust, this article introduces a new cost-effective, advanced remote monitoring and inspection system named DuraMote that can serve as a next generation supervisory control and data acquisition (SCADA) system for civil infrastructure systems. To evaluate the performance of DuraMote, we conduct experiments at two representative counterpart sites: a bridge and water pipelines. The objectives of this article are to improve upon the existing SCADA by integrating the remote monitoring system (i.e., DuraMote), to describe a prototype SCADA for civil engineering structures, and to validate its effectiveness with long-term field deployment results.
Structural health monitoring (SHM) is of great importance to super high-rise buildings. The Shanghai Tower is currently the tallest building in China, and a complete SHM system was simultaneously constructed at the beginning of the construction of the tower. Due to the variety of sensor types and the large number of measurement points in the SHM system, an online automatic structural health assessment method with few computations and no manual intervention is needed. This paper introduces a structural health assessment method for the Shanghai Tower that uses the coefficients of an autoregressive (AR) time series model as structural state indicators. An analysis of collected data indicates that the coefficients of the AR model are affected by environmental factors, and the principal component analysis method is used to remove the influence of environmental factors. Finally, the control chart method is used to track the changes in structural state indicators, and a plan for online automatic structure health state evaluation is proposed. This method is applied to long-term acceleration and inclination data from the Shanghai Tower and successfully identifies the changes in the structural state. Overall, the structural state indicators of the Shanghai Tower are stable, and the structure is in a healthy state.
We propose an electrically self-reliant structural health monitoring (SHM) system that is able to wirelessly transmit sensing data using electrical power generated by vibration without the need for additional external power sources. The provision of reliable electricity to wireless SHM systems is a highly important issue that has often been ignored, and to expand the applicability of various wireless SHM innovations, it will be necessary to develop comprehensive wireless SHM devices including stable electricity sources. In light of this need, we propose a new, highly efficient vibration-powered generator based on a tuned-mass-damper (TMD) mechanism that is quite suitable for vibration-based SHM. The charging time of the TMD generator is shorter than that of conventional generators based on the impedance matching method, and the proposed TMD generator can harvest 16 times the amount of energy that a conventional generator can. The charging time of an SHM wireless transmitter is quantitatively formulated. We conduct wireless monitoring experiments to validate a wireless SHM system composed of a self-reliant SHM and a vibration-powered TMD generator.
An important trend in the sustainment of military aircraft is the transition from preventative maintenance to condition based maintenance (CBM). For CBM, it is essential that the actual system condition can be measured and the measured condition can be reliably extrapolated to a convenient moment in the future in order to facilitate the planning process while maintaining flight safety. Much research effort is currently being made for the development of technologies that enable CBM, including structural health monitoring (SHM) systems. Great progress has already been made in sensors, sensor networks, data acquisition, models and algorithms, data fusion/mining techniques, etc. However, the transition of these technologies into service is very slow. This is because business cases are difficult to define and the certification of the SHM systems is very challenging. This paper describes a possibility for fielding a SHM system on legacy military aircraft with a minimum amount of certification issues and with a good prospect of a positive return on investment. For appropriate areas in the airframe the application of SHM will reconcile the fail-safety and slow crack growth damage tolerance approaches that can be used for safeguarding the continuing airworthiness of these areas, combining the benefits of both approaches and eliminating the drawbacks.
Hamish Tomlinson;Geoffrey W. Rodgers;Chao Xu;Virginie Avot;Cong Zhou;J. Geoffrey Chase
Smart Structures and Systems
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제31권2호
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pp.101-111
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2023
Structural health monitoring (SHM) covers a range of damage detection strategies for buildings. In real-time, SHM provides a basis for rapid decision making to optimise the speed and economic efficiency of post-event response. Previous work introduced an SHM method based on identifying structural nonlinear hysteretic parameters and their evolution from structural force-deformation hysteresis loops in real-time. This research extends and generalises this method to investigate the impact of a wide range of flag-shaped or pinching shape nonlinear hysteretic response and its impact on the SHM accuracy. A particular focus is plastic stiffness (Kp), where accurate identification of this parameter enables accurate identification of net and total plastic deformation and plastic energy dissipated, all of which are directly related to damage and infrequently assessed in SHM. A sensitivity study using a realistic seismic case study with known ground truth values investigates the impact of hysteresis loop shape, as well as added noise, on SHM accuracy using a suite of 20 ground motions from the PEER database. Monte Carlo analysis over 22,000 simulations with different hysteresis loops and added noise resulted in absolute percentage identification error (median, (IQR)) in Kp of 1.88% (0.79, 4.94)%. Errors were larger where five events (Earthquakes #1, 6, 9, 14) have very large errors over 100% for resulted Kp as an almost entirely linear response yielded only negligible plastic response, increasing identification error. The sensitivity analysis shows accuracy is reduces to within 3% when plastic drift is induced. This method shows clear potential to provide accurate, real-time metrics of non-linear stiffness and deformation to assist rapid damage assessment and decision making, utilising algorithms significantly simpler than previous non-linear structural model-based parameter identification SHM methods.
Recent advances in hardware and instrumentation technology have allowed the possibility of deploying very large sensor arrays on structures. Exploiting the huge amount of data that can result in order to perform vibration-based structural health monitoring (SHM) is not a trivial task and requires research into a number of specific problems. In terms of pressing problems of interest, this paper discusses: the design and optimisation of appropriate sensor networks, efficient data reduction techniques, efficient and automated feature extraction methods, reliable methods to deal with environmental and operational variability, efficient training of machine learning techniques and multi-scale approaches for dealing with very local damage. The paper is a result of the ESF-S3T Eurocores project "Smart Sensing For Structural Health Monitoring" (S3HM) in which a consortium of academic partners from across Europe are attempting to address issues in the design of automated vibration-based SHM systems for structures.
This paper describes the backgrounds, motivations and recent history of structural health monitoring (SHM) developments to various types of engineering structures. Extensive applications of SHM technologies in bridges, high-rise buildings, sport avenues, offshore platforms, underground structures, dams, etc. in mainland China are summarily categorized and listed in tables. Sensors used in implementations, their deployment, damage identification strategies if applicable, preliminary monitoring achievements and experience are presented in the lists. Finally, existing problems and promising research efforts in civil SHM are discussed, highlighting challenges and future trends.
Structural Health Monitoring (SHM), particularly remote monitoring, is an emerging field with great potential to help infrastructure owners obtain more and up-to-date knowledge of their structures. The methodology could provide supplemental information to guide the frequency and extent of visual inspections, and the possible need for maintenance. The instrumentation for a SHM system needs to be developed with longevity and the objectives for the system in mind. Sensors need to be selected for reliability and durability, sited where they provide the maximum information for the objectives, and where they can be accessed and replaced should the need arise over the monitoring period. With the rapid changes now occurring with sensors and software, flexibility needs to be in place to allow the system to be upgraded over time. Damage detection needs to be considered in terms of the type of damage that needs to be detected, informing maintenance requirements, and how detection can be achieved. Current vibration analysis techniques appear not yet to have achieved the necessary sensitivity for that purpose. Societal factors will influence the design of a SHM system in terms of the sophistication of the instrumentation and methodology employed.
Emerging sensor-based structural health monitoring (SHM) technology can play an important role in inspecting and securing the safety of aging civil infrastructure, a worldwide problem. However, implementation of SHM in civil infrastructure faces a significant challenge due to the lack of suitable sensors and reliable methods for interpreting sensor data. This paper reviews recent efforts and advances made in addressing this challenge, with example sensor hardware and software developed in the author's research center. It is proposed to integrate real-time continuous monitoring using on structure sensors for global structural integrity evaluation with targeted NDE inspection for local damage assessment.
Structural Health Monitoring (SHM) is an effective alternative to conventional inspections which are time-consuming and subjective. SHM can detect damage early and reduce maintenance cost and thereby help reduce the likelihood of catastrophic structural events to infrastructure such as bridges. After reviewing the Damage Index Method (DIM), an Iterative Damage Index Method (IDIM) is proposed to improve the accuracy of damage detection. These two damage detection techniques are compared based on damage on two structures, a simply supported beam and a pedestrian bridge. Compared to the traditional damage detection algorithm, the proposed IDIM is shown to be less arbitrary and more accurate.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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