Sensor placement is a crucial aspect of bridge health monitoring (BHM) dedicated to accurately estimate and locate structural damages. In addressing this goal, a sensor placement framework based on the deflection influence line (DIL) analysis is here proposed, for the optimal design of damage detection-oriented BHM system. In order to improve damage detection accuracy, we explore the change of global stiffness matrix, damage coefficient matrix and DIL vector caused by structural damage, and thus develop a novel sensor placement framework based on the Fisher information matrix. Our approach seeks to determine the contribution of each sensing node to damage detection, and adopts a distance correction coefficient to eliminate the information redundancy among sensors. The proposed damage detection-oriented optimal sensor placement (OSP) method is verified by two examples: (1) a numerically simulated three-span continuous beam, and (2) the Pinghu bridge which has existing real damage conditions. These two examples verify the performance of the distance corrected damage sensitivity of influence line (DSIL) method in significantly higher contribution to damage detection and lower information redundancy, and demonstrate the proposed OSP framework can be potentially employed in BHM practices.
Sung, Seung Hun;Jung, Ho Youn;Lee, Jung Hoon;Jung, Hyung Jo
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.34
no.6
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pp.447-456
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2014
In this paper, a new damage-detection method based on structural vibration is proposed. The essence of the proposed method is the detection of abrupt changes in rotation. Damage-induced rotation (DIR), which is determined from the modal flexibility of the structure, initially occurs only at a specific damaged location. Therefore, damage can be localized by evaluating abrupt changes in rotation. We conducted numerical simulations of two damage scenarios using a 10-story cantilever-type building model. Measurement noise was also considered in the simulation. We compared the sensitivity of the proposed method to localize damage to that of two conventional modal-flexibility-based damage-detection methods, i.e., uniform load surface (ULS) and ULS curvature. The proposed method was able to localize damage in both damage scenarios for cantilever structures, but the conventional methods could not.
A two-stage damage detection method is proposed and demonstrated for structural health monitoring. In the first stage, the subset selection method is applied for the identification of the multiple damage locations. In the second stage, the damage severities of the identified damaged elements are determined applying SSGA to solve the optimization problem. In this method, the sensitivities of residual force vectors with respect to damage parameters are employed for the subset selection process. This approach is particularly efficient in detecting multiple damage locations. The SEREP is applied as needed to expand the identified mode shapes while using a limited number of sensors. Uncertainties in the stiffness of the elements are also considered as a source of modeling errors to investigate their effects on the performance of the proposed method in detecting damage in real-life structures. Through a series of illustrative examples, the proposed two-stage damage detection method is demonstrated to be a reliable tool for identifying and quantifying multiple damage locations within diverse structural systems.
In this study, the feasibility of vibration-based damage detection methods for the wind turbine tower (WTT) structure is evaluated. First, a frequency-based damage detection (FBDD) is outlined. A damage-localization algorithm is visited to locate damage from changes in natural frequencies. Second, a mode-shape-based damage detection (MBDD) method is outlined. A damage index algorithm is utilized to localize damage from estimating changes in modal strain energies. Third, a finite element (FE) model based on a real WTT is established by using commercial software, Midas FEA. Several damage scenarios are numerically simulated in the FE model of the WTT. Finally, both FBDD and MBDD methods are employed to identify the damage scenarios simulated in the WTT. Damage regions are chosen close to the bolt connection of WTT segments; from there, the stiffness of damage elements are reduced.
Seyed Milad Hosseini;Mohamad Mohamadi Dehcheshmeh;Gholamreza Ghodrati Amiri
Structural Engineering and Mechanics
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v.87
no.6
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pp.555-574
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2023
An efficient optimization algorithm and damage-sensitive objective function are two main components in optimization-based Finite Element Model Updating (FEMU). A suitable combination of these components can considerably affect damage detection accuracy. In this study, a new hybrid damage-sensitive objective function is proposed based on combining two different objection functions to detect the location and extent of damage in structures. The first one is based on Generalized Pseudo Modal Strain Energy (GPMSE), and the second is based on the element's Generalized Flexibility Matrix (GFM). Four well-known population-based metaheuristic algorithms are used to solve the problem and report the optimal solution as damage detection results. These algorithms consist of Cuckoo Search (CS), Teaching-Learning-Based Optimization (TLBO), Moth Flame Optimization (MFO), and Jaya. Three numerical examples and one experimental study are studied to illustrate the capability of the proposed method. The performance of the considered metaheuristics is also compared with each other to choose the most suitable optimizer in structural damage detection. The numerical examinations on truss and frame structures with considering the effects of measurement noise and availability of only the first few vibrating modes reveal the good performance of the proposed technique in identifying damage locations and their severities. Experimental examinations on a six-story shear building structure tested on a shake table also indicate that this method can be considered as a suitable technique for damage assessment of shear building structures.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.17
no.3
s.120
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pp.257-263
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2007
Detection of structural damage is an inverse problem in structural engineering. There are three main questions in the damage detection: existence, location and extent of the damage. In concept, the natural frequency and mode shapes of any structure must satisfy an eigenvalue problem. But, if a potential damage exists in a structure, an error resulting from the substitution of the refined analytical finite element model and measured modal data into the structural eigenvalue equation will occur, which is called the residual modal forces, and can be used as an indicator of potential damage in a structure. In this study, a useful damage detection method is proposed and compared with other two methods. Two degree-of-freedom system and Cantilever beam are used to demonstrate the approach. And the results of three introduced method are compared.
A novel concept of transmissibility based on a wavelet transform for structural damage detection is presented in this paper. The main objective of the research was the development of a method for detecting slight damage at the incipient stage. As a vibration-based approach, the concept of transmissibility has attracted considerable interest because of its advantages and effectiveness in damage detection. However, like other vibration-based methods, transmissibility-based approaches suffer from insensitivity to slight local damage because of the regularity of the traditional Fourier transform. Therefore, the powerful signal processing techniques must be found to solve this problem. Wavelet transform that is able to capture subtle information in measured signals has received extensive attention in the field of damage detection in recent decades. In this paper, we first propose a novel transmissibility concept based on the wavelet transform. Outlier analysis was adopted to construct a damage detection algorithm with wavelet-based transmissibility. The feasibility of the proposed method was numerically investigated with a typical six-degrees-of-freedom spring-mass system, and comparative investigations were performed with a conventional transmissibility approach. The results demonstrate that the proposed transmissibility is more sensitive than conventional transmissibility, and the former is a promising tool for structural damage detection at the incipient stage.
Khosraviani, Mohammad Javad;Bahar, Omid;Ghasemi, Seyed Hooman
Structural Engineering and Mechanics
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v.77
no.2
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pp.151-165
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2021
This paper aims to present a novelty damage detection method to identify damage locations by the simultaneous use of both the energy and displacement damage indices. Using this novelty method, the damaged location and even the damaged floor are accurately detected. As a first method, a combination of the instantaneous frequency energy index (EDI) and the structural acceleration responses are used. To evaluate the first method and also present a rapid assessment method, the Displacement Damage Index (DDI), which consists of the error reliability (β) and Normal Probability Density Function (NPDF) indices, are introduced. The innovation of this method is the simultaneous use of displacement-acceleration responses during one process, which is more effective in the rapid evaluation of damage patterns with velocity vectors. In order to evaluate the effectiveness of the proposed method, various damage scenarios of the ASCE benchmark problem, and the effects of measurement noise were studied numerically. Extensive analyses show that the rapid proposed method is capable of accurately detecting the location of sparse damages through the building. Finally, the proposed method was validated by experimental studies of a six-story steel building structure with single and multiple damage cases.
Damage detection plays a very important role to the maintenance of bridge structures. Traditional damage detection methods are usually based on structural dynamic properties, which are acquired from pre-installed sensors on the bridge. This is not only time-consuming and costly, but also suffers from poor sensitivity to damage if only natural frequencies and mode shapes are concerned in a noisy environment. Recently, the idea of using the dynamic responses of a passing vehicle shows a convenient and economical way for damage detection of bridge structures. Inspired by this new idea and the well-established tap test in the field of non-destructive testing, this paper proposes a new method for obtaining the damage information through the acceleration of a passing vehicle enhanced by a tapping device. Since no finger-print is required of the intact structure, this method can be easily implemented in practice. The logistics of this method is illustrated by a vehicle-bridge interaction model, along with the sensitivity analysis presented in detail. The validity of the method is proved by some numerical examples, and remarks are given concerning the potential implementation of the method as well as the directions for future research.
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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