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.
A number of acceleration-based damage detection methods have been developed but they have not been widely applied in engineering practices because the acceleration response is insensitive to minor damage of civil structures. In this article, a damage detection approach using the long-gauge strain sensing technology and the principle component analysis technology is proposed. The Long gauge FBG sensor has its special merit for damage detection by measuring the averaged strain over a long-gauge length, and it can be connected each other to make a distributed sensor network for monitoring the large-scale civil infrastructure. A new damage index is defined by performing the principle component analyses of the long-gauge strains measured from the intact and damaged structures respectively. Advantages of the long gauge sensing and the principle component analysis technologies guarantee the effectiveness for structural damage localization. Examples of a simple supported beam and a steel stringer bridge have been investigated to illustrate the successful applications of the proposed method for structural damage detection.
The most widely known form of multifunctional aircraft structure is smart structures for structural health monitoring (SHM). The aim is to provide automated systems whose purposes are to identify and to characterize possible damage within structures by using a network of actuators and sensors. Unfortunately, environmental and operational variability render many of the proposed damage detection methods difficult to successfully be applied. In this paper, an original robust damage detection approach using output-only vibration data is proposed. It is based on independent component analysis and matrix perturbation analysis, where an analytical threshold is proposed to get rid of statistical assumptions usually performed in damage detection approach. The effectiveness of the proposed SHM method is demonstrated numerically using finite element simulations and experimentally through a conformal load-bearing antenna structure and composite plates instrumented with piezoelectric ceramic materials.
Boundary effect and the noise robustness are the two crucial aspects which affect the effectiveness of the damage localization based on the mode shape measurements. To overcome the boundary effect problem and enhance the noise robustness in damage detection, a simple damage localization method is proposed based on the Singular Value Decomposition (SVD) for the mode shape of composite plates. In the proposed method, the boundary effect problem is addressed by the decomposition and reconstruction of mode shape, and the noise robustness in enhanced by the noise filtering during the decomposition and reconstruction process. Numerical validations are performed on plate-like structures for various damage and boundary scenarios. Validations show that the proposed method is accurate and effective in the damage detection for the two-dimensional structures.
An eigenspace projection clustering method is proposed for structural damage detection by combining projection algorithm and fuzzy clustering technique. The integrated procedure includes data selection, data normalization, projection, damage feature extraction, and clustering algorithm to structural damage assessment. The frequency response functions (FRFs) of the healthy and the damaged structure are used as initial data, median values of the projections are considered as damage features, and the fuzzy c-means (FCM) algorithm are used to categorize these features. The performance of the proposed method has been validated using a three-story frame structure built and tested by Los Alamos National Laboratory, USA. Two projection algorithms, namely principal component analysis (PCA) and kernel principal component analysis (KPCA), are compared for better extraction of damage features, further six kinds of distances adopted in FCM process are studied and discussed. The illustrated results reveal that the distance selection depends on the distribution of features. For the optimal choice of projections, it is recommended that the Cosine distance is used for the PCA while the Seuclidean distance and the Cityblock distance suitably used for the KPCA. The PCA method is recommended when a large amount of data need to be processed due to its higher correct decisions and less computational costs.
This paper presents the quantification and location damage detection of plane and space truss structures in a two-phase method to reduce the computations efforts significantly. In the first phase, a proposed damage indicator based on the residual force vector concept is used to get the suspected damaged members. In the second phase, using damage quantification as a variable, a teaching-learning based optimization algorithm (TLBO) is used to obtain the damage quantification value of the suspected members obtained in the first phase. TLBO is a relatively modern algorithm that has proved distinguished in solving optimization problems. For more verification of TLBO effeciency, the classical particle swarm optimization (PSO) is used in the second phase to make a comparison between TLBO and PSO algorithms. As it is clear, the first phase reduces the search space in the second phase, leading to considerable reduction in computations efforts. The method is applied on three examples, including plane and space trusses. Results have proved the capability of the proposed method to precisely detect the quantification and location of damage easily with low computational efforts, and the efficiency of TLBO in comparison to the classical PSO.
In the paper, the authors propose the application of operational deflection shapes (ODS) for the detection of structural changes in technical objects. The ODS matrix is used to formulate the spatial filter that is further used for damage detection as a classical modal filter (Meirovitch and Baruh 1982, Zhang et al. 1990). The advantage of the approach lies in the fact that no modal analysis is required, even on the reference spatial filter formulation and other components apart from structural ones can be filtered (e.g. harmonics of rotational velocity). The proposed methodology was tested experimentally on a laboratory stand, a frame-like structure, excited from two sources: an impact hammer, which provided a wide-band excitation of all modes, and an electro-dynamic shaker, which simulated a harmonic component in the output spectra. The damage detection capabilities of the proposed method were tested by changing the structural properties of the model and comparing the results with the original ones. The quantitative assessment of damage was performed by employing a damage index (DI) calculation. Comparison of the output of the ODS filter and the classical modal filter is also presented and analyzed in the paper. The closing section of the paper describes the verification of the method on a real structure - a road viaduct.
Jiajia, Hao;Xinqun, Zhu;Yang, Yu;Chunwei, Zhang;Jianchun, Li
Smart Structures and Systems
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제30권6호
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pp.673-686
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2022
Deep learning algorithms for Structural Health Monitoring (SHM) have been extracting the interest of researchers and engineers. These algorithms commonly used loss functions and evaluation indices like the mean square error (MSE) which were not originally designed for SHM problems. An updated loss function which was specifically constructed for deep-learning-based structural damage detection problems has been proposed in this study. By tuning the coefficients of the loss function, the weights for damage localization and quantification can be adapted to the real situation and the deep learning network can avoid unnecessary iterations on damage localization and focus on the damage severity identification. To prove efficiency of the proposed method, structural damage detection using convolutional neural networks (CNNs) was conducted on a truss bridge model. Results showed that the validation curve with the updated loss function converged faster than the traditional MSE. Data augmentation was conducted to improve the anti-noise ability of the proposed method. For reducing the training time, the normalized modal strain energy change (NMSEC) was extracted, and the principal component analysis (PCA) was adopted for dimension reduction. The results showed that the training time was reduced by 90% and the damage identification accuracy could also have a slight increase. Furthermore, the effect of different modes and elements on the training dataset was also analyzed. The proposed method could greatly improve the performance for structural damage detection on both the training time and detection accuracy.
This article proposes a new methodology for identifying beam damage based on changes in modal parameters using the Double Stage Extended Improved Particle Swarm Optimization (DSEIPSO) technique. A finite element code is first developed in MATLAB to model an ideal beam structure based on classical beam theory. An experimental study is then performed on a laboratory-scale beam, and the modal parameters are extracted. An improved version of the PSO algorithm is employed to update the finite element model based on the experimental measurements, representing the real structure and forming the baseline model for all further damage detection. Subsequently, structural damages are introduced in the experimental beam. The DSEIPSO algorithm is then utilized to optimize the objective function, formulated using the obtained mode shapes and the natural frequencies from the damaged and undamaged beams to identify the exact location and extent of the damage. Experimentally obtained resultsfrom a simple cantilever beam are used to validate the effectiveness of the proposed method. The illustrated results show the effectiveness of the proposed method for structural damage detection in the SHM field.
In recent years, the wind energy has played an increasingly important role in national energy sector of many countries. To harvest more electric power, the wind turbine (WT) tower structure becomes physically larger, which may cause more risks during long-term operation. Associated with the great development of WT projects, the number of accidents related to large-scaled WT has also been increased. Therefore, a structural health monitoring (SHM) system for WT structures is needed to ensure their safety and serviceability during operational time. The objective of this study is to develop a hybrid damage detection method for WT tower structures by measuring vibration and impedance responses. To achieve the objective, the following approaches are implemented. Firstly, a hybrid damage detection scheme which combines vibration-based and impedance-based methods is proposed as a sequential process in three stages. Secondly, a series of vibration and impedance tests are conducted on a lab-scaled model of the WT structure in which a set of bolt-loosening cases is simulated for the segmental joints. Finally, the feasibility of the proposed hybrid damage detection method is experimentally evaluated via its performance during the damage detection process in the tested model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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