Structural Health Monitoring (SHM) is an effective alternative to conventional inspections which are time-consuming and subjective. SHM can detect damage early and reduce maintenance cost and thereby help reduce the likelihood of catastrophic structural events to infrastructure such as bridges. After reviewing the Damage Index Method (DIM), an Iterative Damage Index Method (IDIM) is proposed to improve the accuracy of damage detection. These two damage detection techniques are compared based on damage on two structures, a simply supported beam and a pedestrian bridge. Compared to the traditional damage detection algorithm, the proposed IDIM is shown to be less arbitrary and more accurate.
This study presents the Big Bang and Big Crunch (BB-BC) optimization algorithm for detection of structure damage in large severity. Local damage is represented by a perturbation in the elemental stiffness parameter of the structural finite element model. A nonlinear objective function is established by minimizing the discrepancies between the measured and calculated acceleration responses (AR) of the structure. The BB-BC algorithm is utilized to solve the objective function, which can localize the damage position and obtain the severity of the damage efficiently. Numerical simulations have been conducted to identify both single and multiple structural damages for beam, plate and European Space Agency Structures. The present approach gives accurate identification results with artificial measurement noise.
This study utilizes the fine-tuning and small-digit characteristics of the successive zooming genetic algorithm (SZGA) to propose a method of structural damage detection in a continuum structure, where the differences in the natural frequencies of a structure obtained by experiment and FEM are compared and minimized using an assumed location and extent of structural damage. The final methodology applied to the structural damage detection is a kind of pseudo-discrete-variable-algorithm that counts the soundness variables as one (perfectly sound) if they are above a certain standard, such as 0.99. This methodology is based on the fact that most well-designed structures exhibit failures at some critical point due to manufacturing error, while the remaining region is free of damage. Thus, damage of 1% (depending on the given standard) or less can be neglected, and the search concentrated on finding more serious failures. It is shown that the proposed method can find out the exact structural damage of the monitored structure and reduce the time and amount of computation.
Park Jae-Hyung;Lee Jung-Mi;Kim Jeong-Tae;Ryu Yeon-Sun
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2006.04a
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pp.459-466
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2006
The objective of this study is to improve the accuracy of damage detection using natural frequency and modal strain energy. The following approaches are used to achieve the goal. First, modal strain energy is introduced and newly GA-based damage detection technique using natural frequency and modal strain energy is proposed. Next, to verify efficiency of the proposed technique, damage scenarios for free-free beams are designed and the vibration modal tests as damage cases are conducted. Finally, feasibility of proposed technique is verified in comparison with a GA-based damage detection technique using natural frequency and mode shape.
Dehcheshmeh, M. Mohamadi;Hosseinzadeh, A. Zare;Amiri, G. Ghodrati
Smart Structures and Systems
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v.25
no.1
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pp.47-56
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2020
This paper proposes a model-based approach for structural damage identification and quantification. Using pseudo modal strain energy and mode shape vectors, a damage-sensitive objective function is introduced which is suitable for damage estimation and quantification in shear frames. Whale optimization algorithm (WOA) is used to solve the problem and report the optimal solution as damage detection results. To illustrate the capability of the proposed method, a numerical example of a shear frame under different damage patterns is studied in both ideal and noisy cases. Furthermore, the performance of the WOA is compared with particle swarm optimization algorithm, as one the widely-used optimization techniques. The applicability of the method is also experimentally investigated by studying a six-story shear frame tested on a shake table. Based on the obtained results, the proposed method is able to assess the health of the shear building structures with high level of accuracy.
Cracks in plate-like structures are some of the main reasons for destruction of the entire structure. In this study, a novel two-stage methodology is proposed for damage detection of flexural plates using an optimized artificial neural network. In the first stage, location of damages in plates is investigated using curvature-moment and curvature-moment derivative concepts. After detecting the damaged areas, the equations for damage severity detection are solved via Bat Algorithm (BA). In the second stage, in order to efficiently reduce the computational cost of model updating during the optimization process of damage severity detection, multiple damage location assurance criterion index based on the frequency change vector of structures are evaluated using properly trained cascade feed-forward neural network (CFNN) as a surrogate model. In order to achieve the most generalized neural network as a surrogate model, its structure is optimized using binary version of BA. To validate this proposed solution method, two examples are presented. The results indicate that after determining the damage location based on curvature-moment derivative concept, the proposed solution method for damage severity detection leads to significant reduction of computational time compared with direct finite element method. Furthermore, integrating BA with the efficient approximation mechanism of finite element model, maintains the acceptable accuracy of damage severity detection.
This paper presents numerical and experimental investigations on damage detection of mono-coupled multistory buildings using natural frequency as only diagnostic parameter. Frequency equation of a mono-coupled multistory building is first derived using the transfer matrix method. Closed-form sensitivity equation is established to relate the relative change in the stiffness of each story to the relative changes in the natural frequencies of the building. Damage detection is then performed using the sensitivity equation with its special features and minimizing the norm of an objective function with an inequality constraint. Numerical and experimental investigations are finally conducted on a mono-coupled 3-story building model as an application of the proposed algorithm, in which the influence of modeling error on the degree of accuracy of damage detection is discussed. A mono-coupled 10-story building is further used to examine the capability of the proposed algorithm against measurement noise and incomplete measured natural frequencies. The results obtained demonstrate that changes in story stiffness can be satisfactorily detected, located, and quantified if all sensitive natural frequencies to damaged stories are available. The proposed damage detection algorithm is not sensitive to measurement noise and modeling error.
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.
Sotoudehnia, Ebrahim;Shahabian, Farzad;Sani, Ahmad Aftabi
Smart Structures and Systems
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v.23
no.1
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pp.45-60
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2019
This paper is devoted to proposing a new approach for damage detection of structures. In this technique, the biconjugate gradient method (BCG) is employed. To remedy the noise effects, a new preconditioning algorithm is applied. The proposed preconditioner matrix significantly reduces the condition number of the system. Moreover, based on the characteristics of the damage vector, a new direct search algorithm is employed to increase the efficiency of the suggested damage detection scheme by reducing the number of unknowns. To corroborate the high efficiency and capability of the presented strategy, it is applied for estimating the severity and location of damage in the well-known 31-member and 52-member trusses. For damage detection of these trusses, the time history responses are measured by a limited number of sensors. The results of numerical examples reveal high accuracy and robustness of the proposed method.
Nobahari, Mehdi;Ghasemi, Mohammad Reza;Shabakhty, Naser
Smart Structures and Systems
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v.19
no.4
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pp.449-461
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2017
One of the most recent methods of structural damage identification is using the difference between structures responses after and before damage occurrence. To do this one can formulate the damage detection problem as an inverse optimization problem where the extents of damage in each element are considered as the optimizations variables. To optimize the objective function, heuristic methods such as GA, PSO etc. are widely utilized. In this paper, inspired by animals such as bat, dolphin, oilbird, shrew etc. that use echolocation for finding food, a new and efficient method, called Echolocation Search Algorithm (ESA), is proposed to properly identify the site and extent of multiple damage cases in structural systems. Numerical results show that the proposed method can reliably determine the location and severity of multiple damage cases in structural systems.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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