Park, Jae-Hyung;Huynh, Thanh-Canh;Choi, Sang-Hoon;Kim, Jeong-Tae
Wind and Structures
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v.21
no.6
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pp.709-726
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2015
In this study, a novel vision-based bolt-loosening monitoring technique is proposed for bolted joints connecting tubular steel segments of the wind turbine tower (WTT) structure. Firstly, a bolt-loosening detection algorithm based on image processing techniques is developed. The algorithm consists of five steps: image acquisition, segmentation of each nut, line detection of each nut, nut angle estimation, and bolt-loosening detection. Secondly, experimental tests are conducted on a lab-scale bolted joint model under various bolt-loosening scenarios. The bolted joint model, which is consisted of a ring flange and 32 sets of bolt and nut, is used for simulating the real bolted joint connecting steel tower segments in the WTT. Finally, the feasibility of the proposed vision-based technique is evaluated by bolt-loosening monitoring in the lab-scale bolted joint model.
Bolted joint connection is the most commonly used connection element in structures and devices. The loosening due to external dynamic loads cannot be observed and measured easily and may cause catastrophic loss especially in an extreme requirement and/or environment. In this paper, an innovative Real-time Cross-Correlation Method (RCCM) for monitoring of the bolted joint loosening was proposed. We apply time reversal process on stress wave propagation to obtain correlation signal. The correlation signal's peak amplitude represents the cross-correlation between the loosening state and the baseline working state; therefore, it can detect the state of loosening. Since the bolt states are uncorrelated with noise, the peak amplitude will not be affected by noise and disturbance while it increases SNR level and increases the measured signals' reliability. The correlation process is carried out online through physical wave propagation without any other post offline complicated analyses and calculations. We implemented the proposed RCCM on a single bolt/nut joint experimental device to quantitatively detect the loosening states successfully. After that we implemented the proposed method on a real large structure (reaction wall) with multiple bolted joint connections. Loosening indexes were built for both experiments to indicate the loosening states. Finally, we demonstrated the proposed method's great anti-noise and/or disturbance ability. In the instrumentation, we simply mounted Lead Zirconium Titanate (PZT) patches on the device/structure surface without any modifications of the bolted connection. The low-cost PZTs used as actuators and sensors for active sensing are easily extended to a sensing network for large scale bolted joint network monitoring.
This paper describes a smart structural system, which uses smart materials for real-time monitoring and active control of bolted-joints in steel structures. The goal of this research is to reduce the possibility of failure and the cost of maintenance of steel structures such as bridges, electricity pylons, steel lattice towers and so on. The concept of the smart structural system combines impedance based health monitoring techniques with a shape memory alloy (SMA) washer to restore the tension of the loosened bolt. The impedance-based structural health monitoring (SHM) techniques were used to detect loosened bolts in bolted-joints. By comparing electrical impedance signatures measured from a potentially damage structure with baseline data obtained from the pristine structure, the bolt loosening damage could be detected. An outlier analysis, using generalized extreme value (GEV) distribution, providing optimal decision boundaries, has been carried out for more systematic damage detection. Once the loosening damage was detected in the bolted joint, the external heater, which was bonded to the SMA washer, actuated the washer. Then, the heated SMA washer expanded axially and adjusted the bolt tension to restore the lost torque. Additionally, temperature variation due to the heater was compensated by applying the effective frequency shift (EFS) algorithm to improve the performance of the diagnostic results. An experimental study was conducted by integrating the piezoelectric material based structural health monitoring and the SMA-based active control function on a bolted joint, after which the performance of the smart 'self-monitoring and self-healing bolted joint system' was demonstrated.
Youhao Ni;Jianxiao Mao;Hao Wang;Yuguang Fu;Zhuo Xi
Smart Structures and Systems
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v.32
no.1
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pp.23-35
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2023
Steel bolted joint is an important part of steel structure, and its damage directly affects the bearing capacity and durability of steel structure. Currently, the existing research mainly focuses on the identification of corroded bolts and corroded bolts respectively, and there are few studies on multiple states. A detection framework of corroded and loosened bolts is proposed in this study, and the innovations can be summarized as follows: (i) Vision Transformer (ViT) is introduced to replace the third and fourth C3 module of you-only-look-once version 5s (YOLOv5s) algorithm, which increases the attention weights of feature channels and the feature extraction capability. (ii) Three states of the steel bolts are considered, including corroded bolt, bolt missing and clean bolt. (iii) Line segment detector (LSD) is introduced for bolt rotation angle calculation, which realizes bolt looseness detection. The improved YOLOv5s model was validated on the dataset, and the mean average precision (mAP) was increased from 0.902 to 0.952. In terms of a lab-scale joint, the performance of the LSD algorithm and the Hough transform was compared from different perspective angles. The error value of bolt loosening angle of the LSD algorithm is controlled within 1.09%, less than 8.91% of the Hough transform. Furthermore, the proposed framework was applied to fullscale joints of a steel bridge in China. Synthetic images of loosened bolts were successfully identified and the multiple states were well detected. Therefore, the proposed framework can be alternative of monitoring steel bolted joints for management department.
Bolted joints are commonly used in civil infrastructure and mechanical assembly structures. Monitoring and identifying the connection status of bolts is the frontier problem of structural research. The existing research is mainly on the looseness of a single bolt. This article presents a study of assessing the loosening/tightening health state and identifying the loose bolt by using ultrasonic guided wave in a bolt group joint. A bolt-tightening index was proposed for evaluating the looseness of a bolt connection based on correlation coefficient. The tightening/loosening state of the bolt was simulated by changing the bolt torque. More than 180 different measurement tests for total of six bolts were conducted. The results showed that with the bolt torque increases, value of the proposed bolt-tightening index increases. The proposed bolt-tightening index trend was very well reproduced by an analytical expression using a function of the torque applied with an overall percentage error lower than 5%. The developed damage index based on the proposed bolt-tightening index can also be applied to locate the loosest bolt in a bolt group joint. To verify the effectiveness of the proposed method, a bolt group joint experiment with different positions of bolt looseness was performed. Experimental results show that the proposed approach is effective to detect and locate bolt looseness and has a good prospect of finding applications in real-time structural monitoring.
In this paper, a novel but practical approach named series/parallel multi-sensing technique was proposed to evaluate the bolt looseness in a bolt group. The smart washers (SWs), which were fabricated by embedding a Lead Zirconate Titanate (PZT) transducer into two flat metal rings, were installed to the bolts group. By series connection of SWs, the impedance signals of different bolts can be obtained through only one sweep. Therefore, once the loosening occurred, the shift of different peak frequencies can be used to locate which bolt has loosened. The proposed multi input single output (MISO) damage detection scheme is very suitable for the structural health monitoring (SHM) of joint with a large number of bolts connection. Another notable contribution of this paper is the proposal of 3-dB bandwidth root mean square deviation (3 dB-RMSD) which can quantitatively evaluate the severity of bolt looseness. Compared with the traditional naked-eye observation method, the equivalent circuit based 3-dB bandwidth can accurately define the calculation range of RMSD. An experiment with three bolted connection specimens that installed the SWs was carried out to validate our proposed approach. Experimental result shows that the proposed 3 dB-RMSD based multi-sensing technique can not only identify the loosened bolt but also monitor the severity of bolt looseness.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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