Hamish Tomlinson;Geoffrey W. Rodgers;Chao Xu;Virginie Avot;Cong Zhou;J. Geoffrey Chase
Smart Structures and Systems
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v.31
no.2
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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.
The structural health monitoring (SHM) benchmark study on optimal sensor placement problem for the instrumented Canton Tower has been launched. It follows the success of the modal identification and model updating for the Canton Tower in the previous benchmark study, and focuses on the optimal placement of vibration sensors (accelerometers) in the interest of bettering the SHM system. In this paper, the sensor placement problem for the Canton Tower and the benchmark model for this study are first detailed. Then an information entropy based sensor placement method with the purpose of damage detection is proposed and applied to the benchmark problem. The procedure that will be implemented for structural damage detection using the data obtained from the optimal sensor placement strategy is introduced and the information on structural damage is specified. The information entropy based method is applied to measure the uncertainties throughout the damage detection process with the use of the obtained data. Accordingly, a multi-objective optimal problem in terms of sensor placement is formulated. The optimal solution is determined as the one that provides equally most informative data for all objectives, and thus the data obtained is most informative for structural damage detection. To validate the effectiveness of the optimally determined sensor placement, damage detection is performed on different damage scenarios of the benchmark model using the noise-free and noise-corrupted measured information, respectively. The results show that in comparison with the existing in-service sensor deployment on the structure, the optimally determined one is capable of further enhancing the capability of damage detection.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.15
no.1
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pp.43-58
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2002
A methodology to nondestructively locate and estimate size of damage in beam-type structures using a few natural frequencies or a few mode shapes is presented. A damage-localization algorithm to locate damage from changes in natural frequencies and a damage-sizing algorithm to estimate crack-size from natural frequency perturbation are outlined. A damage index algorithm to localize and estimate severity of damage from monitoring changes in mode shapes is outlined. The frequency-based method and the mode-shape-based method are evaluated for several damage scenarios by locating and sizing damage in PS concrete beams lot which a few natural frequencies and mode shapes are generated from finite element models. The result of the analyses indicates that the two methods correctly localize and closely estimate the size of the crack simulated in the test beam.
Arefi, Shahin Lale;Gholizad, Amin;Seyedpoor, Seyed Mohammad
Smart Structures and Systems
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v.25
no.1
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pp.1-22
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2020
The modal strain energy method is one of the efficient methods for detecting damage in the structures. Due to existing some limitations in real-world structures, sensors can only be located on a limited number of degrees of freedom (DOFs) of a structure. Therefore, the mode shape values in all DOFs of structures cannot be measured. In this paper, a modified modal strain energy based index (MMSEBI) is introduced to locate damaged elements of structures when a limited number of sensors are used. The proposed MMSEBI is based on the reconstruction of mode shapes using Improved Reduction System (IRS) method. Therefore, in the first step by employing IRS method, mode shapes in slave degrees of freedom are estimated by those of master degrees of freedom. In the second step, the proposed MMSEBI is used to located damage elements. In order to evaluate the efficiency of the proposed method, two numerical examples are considered under different damage patterns considering the measurement noise. Moreover, the universal threshold based on statistical hypothesis testing principles is applied to damage index values. The results show the effectiveness of the proposed MMSEBI for the structural damage localization when comparing with the available damage index named MESBI. The results demonstrate that the presented method can be used as a practical strategy for structural damage identification, especially when a limited number of sensors are installed on the structure. Finally, the combination of MMSEBI and IRS method can provide a reliable tool to identify the location of damage accurately.
This study presents a computer vision-based approach for representing time evolution of structural damages leveraging a database of inspection images. Spatially incoherent but temporally sorted archival images captured by robotic cameras are exploited to represent the damage evolution over a long period of time. An access to a sequence of time-stamped inspection data recording the damage growth dynamics is premised to this end. Identification of a structural defect in the most recent inspection data set triggers an exhaustive search into the images collected during the previous inspections looking for correspondences based on spatial proximity. This is followed by a view synthesis from multiple candidate images resulting in a single reconstruction for each inspection round. Cracks on concrete surface are used as a case study to demonstrate the feasibility of this approach. Once the chronology is established, the damage severity is quantified at various levels of time scale documenting its progression through time. The proposed scheme enables the prediction of damage severity at a future point in time providing a scope for preemptive measures against imminent structural failure. On the whole, it is believed that the present study will immensely benefit the structural inspectors by introducing the time dimension into the autonomous condition assessment pipeline.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.7
no.4
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pp.89-95
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2003
In this paper, an algorithm to locate and size damage in a complex truss structure using the time domain response is presented. Sampled response data for specific time interval is spatially expanded over the structure to obtain the mean train energy for each element of the structure. The mean strain energy for each element is, in turn, used to build a damage index that represents the ratio of the stiffness parameter of the pre-damaged to the post-damaged structure. The validity of the methodology is demonstrated using data from a numerical example of a space truss structure with simulated damage. Also in the example, the effects of noisy data on the proposed algorithm are examined by adding random noised to the response data.
This study presents the application of two indices for the locating of cracks in Reinforced Concrete (RC) structures, as well as the development of their modified forms to overcome limitations. The first index is based on mode shape curvature and the second index is based on the fourth derivative of the mode shape. In order to confirm the indices' effectiveness, both eigenvalues coupled with nonlinear static analyses were carried out and the eigenvectors for two different damage locations and intensities of load were obtained from the finite element model of RC beams. The values of the damage-locating indices derived using both indices were then compared. Generally, the mode shape curvature-based index suffered from insensitivity when attempting to detect the damage location; this also applied to the mode shape fourth derivative-based index at lower modes. However, at higher modes, the mode shape fourth derivative-based index gave an acceptable indication of the damage location. Both the indices showed inconsistencies and anomalies at the supports. This study proposed modification to both indices to overcome identified flaws. The results proved that modified forms exhibited better sensitivity for identifying the damage location. In addition, anomalies at the supports were eliminated.
Acrylamide is present as a contaminant in heated food products, predominantly from the precursor asparagine. Nonanchored inter simple sequence repeats (ISSRs) are arbitrary multiloci markers produced by PCR amplification with a microsatellite primer. In order to assess the feasibility of microsatellite primers as markers for DNA damage, the study was conducted on common bean (Phaseolus vulgaris L.) exposed to different concentrations of acrylamide. Polymorphisms were abundant among plant samples treated with acrylamide in comparison to control (untreated one) tested with 4- tri-nucleotide, 2 tetra-nucleotide, and 3- dinucelotide primers. The primer (CCG)4 was the best tested primer to generate polymorphism between the DNA of plants treated or not by acrylamide. Polymorphisms became evident as the presence and absence of DNA fragments in treated samples compared with the untreated one. The highest number of DNA variation on ISSR patterns was observed at the micromollar concentrations of acrylamide. Acrylamide was able to induce DNA damage in non concentration-dependent manner with effectiveness at micromollar concentrations. This study demonstrated that ISSR markers can be highly reliable for identification of DNA damage induced by acrylamide.
A method is presented to detect and assess the structural damage from changes in natural frequencies using Genetic Algorithm (GA). Using the natural frequencies of the structure, it is possible to formulate the inverse problem in optimization terms and then to utilize a solution procedure employing GA to assess the damages. The technique has been applied to a cantilever beam and a plane frame, each one with different damage scenario to study the efficiency of the developed algorithm. A laboratory tested data has been used to verify the proposed algorithm. The study indicates the potentiality of the developed code to solve a wide range of inverse identification problems in a systematic way. The outcomes show that this method can detect and estimate the amount of damages with satisfactory precision.
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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1999.04a
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pp.543-546
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1999
The purpose of the present study is to identify the damage characteristics of concrete structures due to cracking by employing the acoustic emission techniques. A comprehensive experimental study has been done. The cracking damages under tensile and flexural loadings have been identified and the bond damage between steel and concrete have been also characterized. It is seen that the amplitudes and energy level of AE events is found to be smaller for bond cracking damages and larger for tensile cracking damages. The characteristic equations of the AE events for various cracking damages have been proposed based on the present test data. The internal microcracks are progressively developed ahead of a visible actual crack and the present study clearly exhibits thses damage mechanism for various types of cracking in concrete. The present study provides very useful data which can be used to identify the various types of cracking damages in concrete structures. This will allow very efficient maintenance of concrete structures through monitoring of internal cracking based on acoustic emission.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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