Damage detection of structures is one of the most important topics in structural health monitoring. In practice, the response is not available at all structural degrees of freedom, and due to the installation of sensors at some degrees of freedom, responses exist only in limited number of degrees of freedom. This paper is investigated the damage detection of structures by applying two approaches, AllDOF and Dynamic Condensation Method (DCM), based on the Modified Modal Strain Energy Method (MMSEBI). In the AllDOF method, mode shapes in all degrees of freedom is available, but in the DCM the mode shapes only in some degrees of freedom are available. Therefore by methods like the DCM, mode shapes are obtained in slave degrees of freedom. So, in the first step, the responses at slave degrees of freedom extracted using the responses at master degrees of freedom. Then, using the reconstructed mode shape and obtaining the modified modal strain energy, the damages are detected. Two standard examples are used in different damage cases to evaluate the accuracy of the mentioned method. The results showed the capability of the DCM is acceptable for low mode shapes to detect the damage in structures. By increasing the number of modes, the AllDOF method identifies the locations of the damage more accurately.
An existing Damage Index Method is verified to demonstrate its feasibility for detecting structural damage in truss bridges (1) for which modal parameters are available for a few modes of vibration and (2) for which baseline modal information is not available from its as-built state. The theory of approach to detect locations of damage and to identify baseline modal model is summarized on the basis of system identification theory and modal sensitivity theory. The feasibility of the Damage Index Method is demonstrated using a numerical example of a truss bridge with 11 subsystems of 211 members and for which only two modes of vibration were recorded for post-damaged state.
In this study, a wavelet-based covariance-driven system identification technique is proposed for damage assessment of structures under ambient excitation. Assuming the ambient excitation to be a white-noise process, the covariance computation is shown to be able to separate the effect of random excitation from the response measurement. Wavelet transform (WT) is then used to convert the covariance response in the time domain to the WT magnitude plot in the time-scale plane. The wavelet coefficients along the curves where energy concentrated are extracted and used to estimate the modal properties of the structure. These modal property estimations lead to the calculation of the stiffness matrix when either the spectral density of the random loading or the mass matrix is given. The predicted stiffness matrix hence provides a direct assessment on the possible location and severity of damage which results in stiffness alteration. To demonstrate the proposed wavelet-based damage assessment technique, a numerical example on a 3 degree-of-freedom (DOF) system and an experimental study on a three-story building model, which are all under a broad-band excitation, are presented. Both numerical and experimental results illustrate that the proposed technique can provide an accurate assessment on the damage location. It is however noted that the assessment of damage severity is not as accurate, which might be due to the errors associated with the mode shape estimations as well as the assumption of proportional damping adopted in the formulation.
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.
With the advantages of large span, light deadweight and convenient construction, the steel-concrete composite beam (SCCB) has been rapidly developed as a medium span bridge. Compared with common beams, the global stiffness of SCCB is discontinuous and in a staged distribution. In this paper, the analysis model for the simply-supported SCCB is established and the vibration equations are derived. The natural vibration characteristics of a simply-supported SCCB are analyzed, and are compared with the theoretical and experimental results. A curvature mode measurement method is proposed to identify the shear connector damage of SCCB, with the stiffness reduction factor to describe the variation of shear connection stiffness. By analysis on the $1^{st}$ to $3^{rd}$ vertical modes, the distribution of shear connectors between the steel girder and the concrete slab are well identified, and the damage locations and failure degrees are detected. The results show that the curvature modes can be used for identification of the damage location.
A challenging problem in structural damage detection based on vibration data is the requirement of a large number of sensors and the numerical difficulty in obtaining reasonably accurate results when the system is large. To address this issue, the substructure identification approach may be used. Due to practical limitations, the response data are not available at all degrees of freedom of the structure and the external excitations may not be measured (or available). In this paper, an adaptive damage tracking technique, referred to as the sequential nonlinear least-square estimation with unknown inputs and unknown outputs (SNLSE-UI-UO) and the sub-structure approach are used to identify damages at critical locations (hot spots) of the complex structure. In our approach, only a limited number of response data are needed and the external excitations may not be measured, thus significantly reducing the number of sensors required and the corresponding computational efforts. The accuracy of the proposed approach is illustrated using a long-span truss with finite-element formulation and an 8-story nonlinear base-isolated building. Simulation results demonstrate that the proposed approach is capable of tracking the local structural damages without the global information of the entire structure, and it is suitable for local structural health monitoring.
A novel finite element (FE) model updating method based on multi-resolution analysis (MRA) is proposed. The true stiffness of the FE model is considered as the superposition of two pieces of stiffness information of different resolutions: the pre-defined stiffness information and updating stiffness information. While the resolution of former is solely decided by the meshing density of the FE model, the resolution of latter is decided by the limited information obtained from the experiment. The latter resolution is considerably lower than the former. Second generation wavelet is adopted to describe the updating stiffness information in the framework of MRA. This updating stiffness in MRA is realized at low level of resolution, therefore, needs less number of updating parameters. The efficiency of the optimization process is thus enhanced. The proposed method is suitable for the identification of multiple irregular cracks and performs well in capturing the global features of the structural damage. After the global features are identified, a refinement process proposed in the paper can be carried out to improve the performance of the MRA of the updating information. The effectiveness of the method is verified by numerical simulations of a box girder and the experiment of a three-span continues pre-stressed concrete bridge. It is shown that the proposed method corresponds well to the global features of the structural damage and is stable against the perturbation of modal parameters and small variations of the damage.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2002.05a
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pp.259-262
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2002
This paper provides the experimental verification of a non-destructive time domain approach to examine structural damage. Time histories of the vibration response of structure were used to identify the presence of damage. Damage in a structure cause changes in the physical coefficients of mass density, elastic modulus and damping coefficient. This paper examines the use of beam like structures with PVDF sensor and PZT actuator to perform identification of those physical parameters, and hence to detect the damage. Experimental results are presented from tests on cantilevered composite beams damaged at different location and with damage of different dimensions. It is demonstrated that the method can sense the presence of damage, and characterize the damage to a satisfactory precision.
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.
Damage detection based on dynamic characteristics of a structure is one of important roles in structural damage identification. It is difficult to detect local structural damage using traditional dynamic experimental methods due to a limited number of sensors used in an experiment. In this work, a non-contact test stand of fan blades is established, and a full-field noncontact test method, combined with three-dimensional digital image correlation, Bayesian operational modal analysis, and damage indices, is used to detect local damage of a fan blade under ambient excitation without use of baseline information before structural damage. The methodology is applied to detect invisible local damage on the fan blade. Such a method has a seemingly high potential as an alternative to detect local damage of blades with complex high-precision surfaces under extreme working conditions because it is a noncontact test method and can be used under ambient excitation without human participation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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