본 논문에서는 가속도 및 임피던스 신호를 이용하여 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 거더교에 적합한 하이브리드 손상 모니터링 체계를 제안하였다. PSC 거더교의 주된 손상유형으로 텐던의 긴장력 감소와 콘크리트 거더의 휨 강성 저하를 고려하였다. 제안된 하이브리드 체계는 손상경보, 손상분류 및 손상평가와 같이 크게 3단계로 구성하였다. 첫 번째 단계에서는 가속도 특성 변화를 모니터링하여 전역적인 손상의 발생을 경보한다. 두 번째 단계에서는 임피던스 특성 변화를 모니터링하여 손상유형이 긴장력 감소인지 휨 강성 저하인지를 분류한다. 세 번째 단계에서는 손상유형에 적합한 손상평가기법을 이용하여 손상의 위치와 크기를 평가한다. 손상유형이 휨 강성 저하인 경우에서는 모드형상기반 손상검색 기법을 적용하였고, 손상유형이 긴장력 감소인 경우에서는 고유진동수기반 긴장력 추정 기법을 적용하였다. 모형 PSC 거더 실험을 통해 제안된 하이브리드 손상모니터링 체계의 유용성을 평가하였다.
Physical changes in a structural system may cause changes in mechanical impedance of the system. Due to the electro-mechanical coupling effect in piezoelectric materials, this change can be monitoring by the electrical impedance of the piezoelectric sensor. In this paper, the variability of electro-mechanical impedance caused by temperature effect is assessed to adjust impedance data used for EMI based damage detection in beams. First experiments on beams are described. Next, experiments were performed under the temperature varying condition, in the range of $3^{\circ}C\;to\;23^{\circ}C$. Finally, the relationship between temperatures and impedance signatures is analyzed empirically temperature-frequency patten for the test structure.
In this paper, practical methods to utilize PZT's dual piezoelectric effects (i.e., dynamic strain and electro-mechanical (E/M) impedance responses) for damage detection in beam-type structures are presented. In order to achieve the objective, the following approaches are implemented. Firstly, PZT material's dual piezoelectric characteristics on dynamic strain and E/M impedance are investigated. Secondly, global vibration-based and local impedance-based methods to detect the occurrence and the location of damage are presented. Finally, the vibration-based and impedance-based damage detection methods using the dual piezoelectric responses are evaluated from experiments on a lab-scaled beam for several damage scenarios. Damage detection results from using PZT sensor are compared with those obtained from using accelerometer and electric strain gauge.
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.
Structural Health Monitoring (SHM) is the science and technology of monitoring and assessing the condition of aerospace, civil and mechanical infrastructures using a sensing system integrated into the structure. Impedance-based SHM measures impedance of a structure using a PZT (Lead Zirconate Titanate) patch. This paper presents a low-power wireless autonomous and active SHM node called Autonomous SHM Sensor 2 (ASN-2), which is based on the impedance method. In this study, we incorporated three methods to save power. First, entire data processing is performed on-board, which minimizes radio transmission time. Considering that the radio of a wireless sensor node consumes the highest power among all modules, reduction of the transmission time saves substantial power. Second, a rectangular pulse train is used to excite a PZT patch instead of a sinusoidal wave. This eliminates a digital-to-analog converter and reduces the memory space. Third, ASN-2 senses the phase of the response signal instead of the magnitude. Sensing the phase of the signal eliminates an analog-to-digital converter and Fast Fourier Transform operation, which not only saves power, but also enables us to use a low-end low-power processor. Our SHM sensor node ASN-2 is implemented using a TI MSP430 microcontroller evaluation board. A cluster of ASN-2 nodes forms a wireless network. Each node wakes up at a predetermined interval, such as once in four hours, performs an SHM operation, reports the result to the central node wirelessly, and returns to sleep. The power consumption of our ASN-2 is 0.15 mW during the inactive mode and 18 mW during the active mode. Each SHM operation takes about 13 seconds to consume 236 mJ. When our ASN-2 operates once in every four hours, it is estimated to run for about 2.5 years with two AAA-size batteries ignoring the internal battery leakage.
This work presents a study on development of a practical and quantitative technique for assessment of the structural health condition by Piezoelectric impedance-based technique associated with longitudinal wave propagation method. The bolt fastening condition is adjusted by torque wrench. In order to estimate the damage condition numerically, three damage indices, impedance peak frequency shift ${\Delta}F$, peak amplitude ratio $\delta$ and quality factor ratio $\gamma$, are proposed in this paper. Furthermore, an assessment method is described for estimation of the damage by using these three damage indices.
Park, Seunghee;Yun, Chung-Bang;Roh, Yongrae;Lee, Jong-Jae
Smart Structures and Systems
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제1권4호
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pp.339-353
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2005
This paper presents the results of a feasibility study on an impedance-based damage detection technique using thickness modes of piezoelectric (PZT) patches for steel structures. It is newly proposed to analyze the changes of the impedances of the thickness modes (frequency range > 1 MHz) at the PZT based on its resonant frequency shifts rather than those of the lateral modes (frequency range > 20 kHz) at the PZT based on its root mean square (RMS) deviations, since the former gives more significant variations in the resonant frequency shifts of the signals for identifying localities of small damages under the same measurement condition. In this paper, firstly, a numerical analysis was performed to understand the basics of the NDE technique using the impedance using an idealized 1-D electro-mechanical model consisting of a steel plate and a PZT patch. Then, experimental studies were carried out on two kinds of structural members of steel. Comparisons have been made between the results of crack detections using the thickness and lateral modes of the PZT patches.
Real-time monitoring of stiffness and strength in cement based system has received significant attention in past few decades owing to the development of advanced techniques. Also, use of environment friendly supplementary cementitious materials (SCM) in cement, though gaining huge interest, severely affect the strength gain especially in early ages. Continuous monitoring of strength- and stiffness- gain using an efficient technique will systematically facilitate to choose the suitable time of removal of formwork for structures made with SCM incorporated concrete. This paper presents a technique for monitoring the strength and stiffness evolution in hydrating fly ash blended cement systems using electro-mechanical impedance (EMI) based technique. It is important to observe that the slower pozzolanic reactivity of fly ash blended cement systems could be effectively tracked using the evolution of equivalent local stiffness of the hydrating medium. Strength prediction models are proposed for estimating the strength and stiffness of the fly ash cement system, where curing age (in terms of hours/days) and the percentage replacement of cement by fly ash are the parameters. Evaluation of strength as obtained from EMI characteristics is validated with the results from destructive compression test and also compared with the same obtained from commonly used ultrasonic wave velocity (UPV). Statistical error indices indicate that the EMI technique is capable of predicting the strength of fly ash blended cement system more accurate than that from UPV. Further, the correlations between stiffness- and strength- gain over the time of hydration are also established. From the study, it is found that EMI based method can be effectively used for monitoring of strength gain in the fly ash incorporated cement system during hardening.
Electromechanical impedance method as an efficient tool in Structural Health Monitoring (SHM) utilizes the electromechanical impedance of piezoelectric materials which is directly related to the mechanical impedance of the host structure and will be affected by damages. In this paper, electromechanical impedance of piezoelectric patches attached to simply support rectangular plate is determined theoretically and experimentally in order to detect damage. A pairs of piezoelectric wafer active sensor (PWAS) patches are used on top and bottom of an aluminum plate to generate pure bending. The analytical model and experiments are carried out both for undamaged and damaged plates. To validate theoretical models, the electromechanical impedances of PWAS for undamaged and damaged plate using theoretical models are compared with those obtained experimentally. Both theoretical and experimental results demonstrate that by crack generation and intensifying this crack, natural frequency of structure decreases. Finally, in order to evaluate damage severity, damage metrics such as Root Mean Square Deviation (RMSD), Mean Absolute Percentage Deviation (MAPD), and Correlation Coefficient Deviation (CCD) are used based on experimental results. The results show that generation of crack and crack depth increasing can be detectable by CCD.
Large welded structures, including ships and offshore structures, are normally in operation under cyclic fatigue loadings. These structures include many geometric discontinuities, as well as material discontinuities due to weld joints. The fatigue strength at these hot spots is very important for the structural performance. In the past, various Non Destructive Evaluation (NDE) techniques have been developed to detect fatigue cracks and to estimate their location and size. However, an important limitation of most of the existing NDE methods is that they are off line; the normal operation of the structure has to be interrupted, and the device often has to be disassembled. This study explores the development of a structural health monitoring system, with a special interest in applying the technique to welded structural members in ship and offshore structures. In particular, the impedance based structural health monitoring technique that employs the coupling effect of piezoceramic (PZT) materials and structures is investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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