Khatir, S.;Khatir, T.;Boutchicha, D.;Le Thanh, C.;Tran-Ngoc, H.;Bui, T.Q.;Capozucca, R.;Abdel-Wahab, M.
Smart Structures and Systems
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v.25
no.5
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pp.605-617
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2020
The existence of damages in structures causes changes in the physical properties by reducing the modal parameters. In this paper, we develop a two-stages approach based on normalized Modal Strain Energy Damage Indicator (nMSEDI) for quick applications to predict the location of damage. A two-dimensional IsoGeometric Analysis (2D-IGA), Machine Learning Algorithm (MLA) and optimization techniques are combined to create a new tool. In the first stage, we introduce a modified damage identification technique based on frequencies using nMSEDI to locate the potential of damaged elements. In the second stage, after eliminating the healthy elements, the damage index values from nMSEDI are considered as input in the damage quantification algorithm. The hybrid of Teaching-Learning-Based Optimization (TLBO) with Artificial Neural Network (ANN) and Particle Swarm Optimization (PSO) are used along with nMSEDI. The objective of TLBO is to estimate the parameters of PSO-ANN to find a good training based on actual damage and estimated damage. The IGA model is updated using experimental results based on stiffness and mass matrix using the difference between calculated and measured frequencies as objective function. The feasibility and efficiency of nMSEDI-PSO-ANN after finding the best parameters by TLBO are demonstrated through the comparison with nMSEDI-IGA for different scenarios. The result of the analyses indicates that the proposed approach can be used to determine correctly the severity of damage in beam structures.
The absence of excitation measurements may pose a big challenge in the application of structural damage identification owing to the fact that substantial effort is needed to reconstruct or identify unknown input force. To address this issue, in this paper, an iterative strategy, a synergy of Tikhonov regularization method for force identification and modified Jaya algorithm (M-Jaya) for stiffness parameter identification, is developed for damage identification with partial output-only responses. On the one hand, the probabilistic clustering learning technique and nonlinear updating equation are introduced to improve the performance of standard Jaya algorithm. On the other hand, to deal with the difficulty of selection the appropriate regularization parameters in traditional Tikhonov regularization, an improved L-curve method based on B-spline interpolation function is presented. The applicability and effectiveness of the iterative strategy for simultaneous identification of structural damages and unknown input excitation is validated by numerical simulation on a 21-bar truss structure subjected to ambient excitation under noise free and contaminated measurements cases, as well as a series of experimental tests on a five-floor steel frame structure excited by sinusoidal force. The results from these numerical and experimental studies demonstrate that the proposed identification strategy can accurately and effectively identify damage locations and extents without the requirement of force measurements. The proposed M-Jaya algorithm provides more satisfactory performance than genetic algorithm, Gaussian bare-bones artificial bee colony and Jaya algorithm.
In this paper, a novel and effective damage diagnosis algorithm is proposed to detect and estimate damage using two stages least squares support vector machine (LS-SVM) and limited number of attached sensors on structures. In the first stage, LS-SVM1 is used to predict the unmeasured mode shapes data based on limited measured modal data and in the second stage, LS-SVM2 is used to predicting the damage location and severity using the complete modal data from the first-stage LS-SVM1. The presented methods are applied to a three story irregular frame and cantilever plate. To investigate the noise effects and modeling errors, two uncertainty levels have been considered. Moreover, the performance of the proposed methods has been verified through using experimental modal data of a mass-stiffness system. The obtained damage identification results show the suitable performance of the proposed damage identification method for structures in spite of different uncertainty levels.
Damage detection based on measured vibration data has received intensive studies recently. Frequently, the damage to a structure may be reflected by a change of some system parameters, such as a degradation of the stiffness. In this paper, we apply a method to nondestructively locate and estimate the severity of damage in corrosion pipeline for which a few natural frequencies or mode shapes are available. The method is based on the strain modal sensitivity ratio (SMSR) and the orthogonality conditions sensitivities (OCS) applied to vibration features identified during the monitoring of the pipeline. The advantage of these methods is that it only requires measuring few modal parameters. The SMSR-based and OCS-based damage detection methods are illustrated using computer-simulated and laboratory testing data. The results show that the current method provides a precise indication of both the location and the extent of corrosion pipeline.
This paper addresses the issue of reliability and performance in wireless sensor networks (WSN) based structural health monitoring (SHM), particularly with decentralized damage identification techniques. Two decentralized damage identification algorithms, namely, the autoregressive (AR) model based damage index and the Wiener filter method are developed for structural damage detection. The ambient and impact testing have been carried out on the steel beam structure in the laboratory. Seven wireless sensors are installed evenly along the steel beam and seven wired sensor are also installed on the beam to monitor the dynamic responses as comparison. The results showed that wireless measurements performed very much similar to wired measurements in detecting and localizing damages in the steel beam. Therefore, apart from the usual advantages of cost effectiveness, manageability, modularity etc., wireless sensors can be considered a possible substitute for wired sensors in SHM systems.
Suspension bridges are critical to urban transportation, but those in earthquake-prone areas face unique challenges. In the event of a moderate or strong earthquake, conventional linear theory-based approaches for detecting bridge damage become inadequate. This study presents an efficient method for identifying damage in suspension bridges using time history nonlinear inelastic analysis. A practical advanced analysis program is employed to model cable-supported bridges with low computational cost, generating a dataset for four hybrid models: PSO-DT, PSO-RF, PSO-XGB, and PSO-CGB. These models combine decision tree (DT), random forest (RF), extreme gradient boosting (XGB), and categorical gradient boosting (CGB) with particle swarm optimization (PSO) to capture nonlinear correlations between displacement response and damage. Principal component analysis reduces dataset dimensions, and PSO selects the optimal model. A numerical case study of a suspension bridge under simulated earthquake conditions identifies PSO-XGB as the best model for predicting stiffness reduction. The results demonstrate the method's robustness for nonlinear damage detection in suspension bridges under earthquake excitation.
In the present paper, a method for identifying damage in a multi storeyed shear building structure is presented using minimum number of modal parameters of the structure. A damage at any level of the structure may lead to a major failure if the damage is not attended at appropriate time. Hence an early detection of damage is essential. The proposed identification methodology requires experimentally determined sparse modal data of any particular mode as input to detect the location and extent of damage in the structure. Here, the first natural frequency and corresponding partial mode shape values are used as input to the model and results are compared by changing the sensor placement locations at different floors to conclude the best location of sensors for accurate damage identification. Initially experimental data are simulated numerically by solving eigen value problem of the damaged structure with inclusion of random noise on the vibration characteristics. Reliability of the procedure has been demonstrated through a few examples of multi storeyed shear structure with different damage scenarios and various noise levels. Validation of the methodology has also been done using dynamic data obtained through experiment conducted on a laboratory scale steel structure.
Structural health monitoring is crucial to maintain the structural performance safely. Moreover, the Kullback-Leibler divergence (KLD) is applied usually to asset the similarity between different probability density functions in the pattern recognition. In this study, the KLD is employed to detect the damage. However the asymmetry of the KLD is a shortcoming for the damage detection, to overcoming this shortcoming, two other divergences and one statistic distribution are proposed. Then the damage identification by the KLD and its three descriptions from the symmetric point of view is investigated. In order to improve the reliability and accuracy of the four divergences, the gapped smoothing method (GSM) is adopted. On the basis of the damage index approach, the new damage index (DI) for detect damage more accurately based on the four divergences is developed. In the last, the grey relational coefficient and hypothesis test (GRCHT) is utilized to obtain the more precise damage identification results. Finally, a clear remarkable improvement can be observed. To demonstrate the feasibility and accuracy of the proposed method, examples of an isotropic beam with different damage scenarios are employed so as to check the present approaches numerically. The final results show that the developed approach successfully located the damaged region in all cases effect and accurately.
In this paper, a statistical reference-free real-time damage detection methodology is proposed for detecting joint and member damage of truss bridge structures. For the statistical damage sensitive index (DSI), wavelet packet decomposition (WPD) in conjunction with the log likelihood ratio was suggested. A sensitivity test for selecting a wavelet packet that is most sensitive to damage level was conducted and determination of the level of decomposition was also described. Advantages of the proposed method for applications to real-time health monitoring systems were demonstrated by using the log likelihood ratios instead of likelihood ratios. A laboratory truss bridge structure instrumented with accelerometers and a shaker was used for experimental verification tests of the proposed methodology. The statistical reference-free real-time damage detection algorithm was successfully implemented and verified by detecting three damage types frequently observed in truss bridge structures - such as loss of bolts, loosening of bolts at multiple locations, sectional loss of members - without reference signals from pristine structure. The DSI based on WPD and the log likelihood ratio showed consistent and reliable results under different damage scenarios.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.21
no.2
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pp.204-212
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2001
In this study, an FRF-based structural damage identification method (SDIM) is proposed for plate structures. The present SDIM is derived from the partial differential equation of motion of the damaged plate, in with damages we characterized by using a damage distribution function. The appealing features of the present SDIM include the followings. First, the modal data of the damaged structure are not required. Secondly, a sufficient number of information can be generated from the measured FRFs by simply varying excitation frequencies and response measurement points. The feasibility of the present SDIM is verified through some numerically simulated damage identification tests.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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