Structural damage and moving load identification are the two aspects of structural system identification. However, they universally coexist in the damaged structures subject to unknown moving load. This paper proposed a dynamic response sensitivity-based model updating method to simultaneously identify the structural damage and moving force. The moving force which is equivalent as the nodal force of the structure can be expressed as a series of orthogonal polynomial. Based on the system Markov parameters by the state space method, the dynamic response and the dynamic response derivatives with respect to the force parameters and elemental variations are analytically derived. Afterwards, the damage and force parameters are obtained by minimizing the difference between measured and analytical response in the sensitivity-based updating procedure. A numerical example for a simply supported beam under the moving load is employed to verify the accuracy of the proposed method.
Structural health monitoring (SHM) systems are necessary to achieve smart predictive maintenance and repair planning as well as they lead to a safe operation of mechanical structures. In the context of vibration-based SHM the measured structural responses are employed to draw conclusions about the structural integrity. This usually leads to a mathematically illposed inverse problem which needs regularization. The restriction of the solution set of this inverse problem by using prior information about the damage properties is advisable to obtain meaningful solutions. Compared to the undamaged state typically only a few local stiffness changes occur while the other areas remain unchanged. This change can be described by a sparse damage parameter vector. Such a sparse vector can be identified by employing $L_1$-regularization techniques. This paper presents a novel framework for damage parameter identification by combining sparse solution techniques with an Extended Kalman Filter. In order to ensure sparsity of the damage parameter vector the measurement equation is expanded by an additional nonlinear $L_1$-minimizing observation. This fictive measurement equation accomplishes stability of the Extended Kalman Filter and leads to a sparse estimation. For verification, a proof-of-concept example on a quadratic aluminum plate is presented.
It is highly desirable to explore efficient algorithms for detecting structural damage of large size structural systems with limited input and output measurements. In this paper, a new structural damage detection algorithm based on substructure approach is proposed for large size structural systems with limited input and output measurements. Inter-connection effect between adjacent substructures is treated as 'additional unknown inputs' to substructures. Extended state vector of each substructure and its unknown excitations are estimated by sequential extended Kalman estimator and least-squares estimation, respectively. It is shown that the 'additional unknown inputs' can be estimated by the algorithm without the measurements on the substructure interface DOFs, which is superior to previous substructural identification approaches. Also, structural parameters and unknown excitation are estimated in a sequential manner, which simplifies the identification problem compared with other existing work. Structural damage can be detected from the degradation of the identified substructural element stiffness values. The performances of the proposed algorithm are demonstrated by several numerical examples and a lab experiment. Measurement noise effect is considered. Both the simulation results and experimental data validate that the proposed algorithm is viable for structural damage detection of large size structural systems with limited input and output measurements.
Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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v.9
no.5
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pp.9-13
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2009
Modal parameters including resonant frequencies and mode shapes are heavily utililized in most damage identification throries for structural health monitoring. However, extracting modal parameters from dynamic responses needs postprocessing which inevitably involves errors in curve-fitting resonants as well as transforming the domain of responses. In this paper, the applicability of a damage identification method based on free vibration responses to the in-sevice responses is experimentally verified. The experiment is performed via applying periodic and nonperiodic moving loads to a simply supported beam and displacement responses are measured. The moving load is simulated using steel balls and a downhill device. The damage identification results show that the in-service response may be applicable to identifying damage in the beam.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2005.05a
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pp.120-123
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2005
A dynamic system identification technique based on the topology optimization method is developed. The specific problem in consideration is the damage location identification of a plate structure using the Frequency Response Function (FRF) of a damaged structure. In this work, the identification problem is formulated as a topology optimization problem. The importance of using anti-resonance information in addition to using resonance information is addressed. Though a simple problem was considered here, the possibility of using the topology optimization for damage identification is investigated lot the first time.
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.
Vibration-based damage detection methods are popular for structural health monitoring. However, they can only detect fairly large damages. Usually impact pulse, ambient vibrations and sine-wave forces are applied as the excitations. In this paper, we propose the method to use the chaotic excitation to vibrate structures. The attractors built from the output responses are used for the minor damage detection. After the damage is detected, it is further quantified using the Kalman Filter. Simulations are conducted. A 5-story building is subjected to chaotic excitation. The structural responses and related attractors are analyzed. The results show that the attractor distances increase monotonously with the increase of the damage degree. Therefore, damages, including minor damages, can be effectively detected using the proposed approach. With the Kalman Filter, damage which has the stiffness decrease of about 5% or lower can be quantified. The proposed approach will be helpful for detecting and evaluating minor damages at the early stage.
This paper presents a flexibility based method for damage identification from static measurements in beam-type structures. The response of the beam at the Damaged State is decomposed into the response at the Reference State plus the response at an Incremental State, which represents the effect of damage. The damage is localized by detecting slope discontinuities in the deflection of the structure at the Incremental State. A denoising filtering technique is applied to reduce the effect of experimental noise. The extent of the damage is estimated through comparing the experimental flexural stiffness of the damaged cross-sections with the corresponding values provided by analytical models of cracked beams. The paper illustrates the method by showing a numerical example with two cracks and an experimental case study of a simply supported steel beam with one artificially introduced notch type crack at three damage levels. A Digital Image Correlation system was used to accurately measure the deflections of the beam at a dense measurement grid under a set of point loads. The results indicate that the method can successfully detect and quantify a small damage from the experimental data.
The Cuckoo search (CS) algorithm is a simple and efficient global optimization algorithm and it has been applied to figure out large range of real-world optimization problem. In this paper, a new formula is introduced to the discovering probability process to improve the convergence rate and the Tournament Selection Strategy is adopted to enhance global search ability of the certain algorithm. Then an approach for structural damage identification based on modified Cuckoo search (MCS) is presented. Meanwhile, we take frequency residual error and the modal assurance criterion (MAC) as indexes of damage detection in view of the crack damage, and the MCS algorithm is utilized to identifying the structural damage. A simply supported beam and a 31-bar truss are studied as numerical example to illustrate the correctness and efficiency of the propose method. Besides, a laboratory work is also conducted to further verification. Studies show that, the proposed method can judge the damage location and degree of structures more accurately than its counterpart even under measurement noise, which demonstrates the MCS algorithm has a higher damage diagnosis precision.
Choi, Il Yoon;Choi, Eunsoo;Lee, Jun Suk;Cho, Hyo Nam
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.15
no.6
s.67
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pp.603-610
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2003
A damage identification technique using static displacement data is developed to asses s the structural integrity of bridge structures.As such, the relationship between static displacement and stiffness is derived, and the optimization technique utilized.Comparisons with numerical and experimental tests are performed to investigate the practical applicability of the proposed method.Various damage scenarios are considered by varying damage-width as well as damage-degree. The influence of noise in identifying the damage is also numerically investigated.Finally, the applicability and limitation of the proposed method are discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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