In the last few years, many structural monitoring studies have been performed using different techniques to measure structures of different scales such as buildings, dams or bridges. One of the mostly used tools are GPS instruments, which have been utilized in various combinations with accelerometers and some other conventional sensors. In the current study, observation series were recorded for 8 hours with GPS receivers (NovAtel) and Inclination Measurement Sensors mounted on a television tower in Istanbul, Turkey. Each series of observations collected from two different sensors were transformed into a single coordinate system (Local Topocentric Coordinates System). The positional changes of the tower were calculated from the GPS and the inclination data. These changes were plotted in two dimensions (2D) on the same graphic. Thus, the possibility of comparison and analysis were found using the data from both the GPS and the Inclinometer complement each other, in the real test area. The positional changes of the tower were modeled for further examination. As a result, the movement of the tower within an area of $1{\times}1cm^2$ was observed. Based on the results, it can be concluded that inclinometers can be used for monitoring the structural behavior of the tower.
This paper presents theoretical and experimental evaluation of the structural health monitoring (SHM) capability of piezoelectric wafer active sensors (PWAS) at elevated temperatures. This is important because the technologies for structural sensing and monitoring need to account for the thermal effect and compensate for it. Permanently installed PWAS transducers have been One of the extensively employed sensor technologies for in-situ continuous SHM. In this paper, the electro-mechanical impedance spectroscopy (EMIS) method has been utilized as a dynamic descriptor of PWAS behavior and as a high frequency standing wave local modal technique. Another SHM technology utilizes PWAS as far-field transient transducers to excite and detect guided waves propagating through the structure. This paper first presents how the EMIS method is used to qualify and quantify circular PWAS resonators in an increasing temperature environment up to 230 deg C. The piezoelectric material degradation with temperature was investigated and trends of variation with temperature were deduced from experimental measurements. These effects were introduced in a wave propagation simulation software called Wave Form Revealer (WFR). The thermal effects on the substrate material were also considered. Thus, the changes in the propagating guided wave signal at various temperatures could be simulated. The paper ends with summary and conclusions followed by suggestions for further work.
In this paper, a low cost, low power but multifunctional wireless sensor node is presented for the impedance-based SHM using piezoelectric sensors. Firstly, a miniaturized impedance measuring chip device is utilized for low cost and low power structural excitation/sensing. Then, structural damage detection/sensor self-diagnosis algorithms are embedded on the on-board microcontroller. This sensor node uses the power harvested from the solar energy to measure and analyze the impedance data. Simultaneously it monitors temperature on the structure near the piezoelectric sensor and battery power consumption. The wireless sensor node is based on the TinyOS platform for operation, and users can take MATLAB$^{(R)}$ interface for the control of the sensor node through serial communication. In order to validate the performance of this multifunctional wireless impedance sensor node, a series of experimental studies have been carried out for detecting loose bolts and crack damages on lab-scale steel structural members as well as on real steel bridge and building structures. It has been found that the proposed sensor nodes can be effectively used for local wireless health monitoring of structural components and for constructing a low-cost and multifunctional SHM system as "place and forget" wireless sensors.
Rojas-Mercedes, Norberto;Erazo, Kalil;Di Sarno, Luigi
Earthquakes and Structures
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v.22
no.5
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pp.503-515
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2022
This paper presents the development of seismic fragility curves for a precast reinforced concrete bridge instrumented with a structural health monitoring (SHM) system. The bridge is located near an active seismic fault in the Dominican Republic (DR) and provides the only access to several local communities in the aftermath of a potential damaging earthquake; moreover, the sample bridge was designed with outdated building codes and uses structural detailing not adequate for structures in seismic regions. The bridge was instrumented with an SHM system to extract information about its state of structural integrity and estimate its seismic performance. The data obtained from the SHM system is integrated with structural models to develop a set of fragility curves to be used as a quantitative measure of the expected damage; the fragility curves provide an estimate of the probability that the structure will exceed different damage limit states as a function of an earthquake intensity measure. To obtain the fragility curves a digital twin of the bridge is developed combining a computational finite element model and the information extracted from the SHM system. The digital twin is used as a response prediction tool that minimizes modeling uncertainty, significantly improving the predicting capability of the model and the accuracy of the fragility curves. The digital twin was used to perform a nonlinear incremental dynamic analysis (IDA) with selected ground motions that are consistent with the seismic fault and site characteristics. The fragility curves show that for the maximum expected acceleration (with a 2% probability of exceedance in 50 years) the structure has a 62% probability of undergoing extensive damage. This is the first study presenting fragility curves for civil infrastructure in the DR and the proposed methodology can be extended to other structures to support disaster mitigation and post-disaster decision-making strategies.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.28
no.4
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pp.401-408
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2015
Conventional model updating methods for the structures have used global structural responses which are modal parameters obtained through vibration measurements. Although models updated by modal parameters estimate global structural responses accurately, they have difficulties to predict local responses for safety assesment of structural members. The safety of structural members in the structures has been evaluated through the stress estimation based on strain measurements. Thus, this study additionally uses measured strain responses of structural members to perform model updating besides modal parameters. In the proposed method, the objective functions are set to the differences of the global and local responses obtained from updated model and measurement and those functions are minimized by NSGA-II, one of the multi-objective optimization techniques. The strain responses predicted from updated model are used for safety assessment of the steel frame structures. The proposed method are verified by numerical and experimental studies through the impact hammer tests for a steel frame specimen.
A wind velocity power spectrum (WVPS) with high fidelity is extremely important for accurate prediction of structural buffeting response. WVPS heavily depends on the geographical locations, local terrains and topographies. Hence, field measurement of wind characteristics may be the unique way to obtain the accurate WVPS for a specific region. In this paper, a systematic analysis and discussions of existing WVPSs were performed. Six recorded strong wind data from the structural health monitoring systems (SHMS) of Runyang Suspension Bridge (RSB) and Sutong Cable-stayed Bridge (SCB) in Jiangsu Province of China were selected for analysis. The measured and pre-processed wind velocity data was first transformed from time domain to frequency domain to obtain the measured spectrum. The spectrum for each strong wind was then fitted using the nonlinear least square method and compared with both the fitted spectrum from statistical analysis and the recommended spectrum in specifications. The modified Kaimal spectrum was proved to be the "best" choice for the coastal area of East Jiangsu Province. Finally, a suitable WVPS formula fit for the coastal area of East Jiangsu Province was presented based on the modified Kaimal spectrum. Results in this study provide a more accurate and reliable WVPS for wind-resistant design of engineering structures in the coastal area of East Jiangsu Province.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.24
no.1
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pp.107-117
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2011
In this study, the effect of temperature-induced uncertainty to damage monitoring using acceleration-impedance response features is analyzed for presterssed concrete(PSC) girder bridges. Firstly, a damage monitoring algorithm using global and local vibration features is designed. As global and local features, acceleration and electro-mechanical impedance features are selected respectively. Secondly, the temperature effect on the acceleration and impedance features for a lab-scaled PSC girder is experimentally analyzed. From the experimental results, compensation models for temperature-acceleration features and temperature-impedance features are estimated. Finally, the feasibility of the acceleration-impedance-based damage monitoring technique using the compensation model is evaluated in the PSC girder for which a set of prestress-loss and flexural stiffness loss cases were dynamically tested.
Recently, researchers in the field of structural health monitoring (SHM) have been rigorously striving to replace the conventional NDE techniques with the smart material based SHM techniques, employing smart materials such as piezoelectric materials. For instance, the electromechanical impedance (EMI) technique employing piezo-impedance (lead zirconate titanate, PZT) transducer is known for its sensitivity in detecting local damage. For practical applications, various external factors such as fluctuations of temperature and loading, affecting the effectiveness of the EMI technique ought to be understood and compensated. This paper aims at investigating the damage monitoring capability of EMI technique in the presence of axial stress with fixed boundary condition. A compensation technique using effective frequency shift (EFS) by cross-correlation analysis was incorporated to compensate the effect of loading and boundary stiffening. Experimental tests were conducted by inducing damages on lab-sized aluminium beams in the presence of tensile and compressive forces. Two types of damages, crack propagation and bolts loosening were simulated. With EFS for compensation, both cross-correlation coefficient (CC) index and reduction in peak frequency were found to be efficient in characterizing damages in the presence of varying axial loading.
Katkhuda, Hasan N.;Dwairi, Hazim M.;Shatarat, Nasim
Structural Engineering and Mechanics
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v.34
no.3
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pp.351-366
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2010
A novel system identification and structural health assessment procedure of steel framed structures with semi-rigid connections is presented in this paper. It is capable of detecting damages at the local element level under normal operating conditions; i.e., serviceability limit state. The procedure is a linear time-domain system identification technique in which the structure responses are required, whereas the dynamic excitation force is not required to identify the structural parameters. The procedure tracks changes in the stiffness properties of all the elements in a structure. It can identify damage-free and damaged structural elements very accurately when excited by different types of dynamic loadings. The method is elaborated with the help of several numerical examples. The results indicate that the proposed algorithm identified the structures correctly and detected the pre-imposed damages in the frames when excited by earthquake, impact, and harmonic loadings. The algorithm can potentially be used for structural health assessment and monitoring of existing structures with minimum disruption of operations. Since the procedure requires only a few time points of response information, it is expected to be economic and efficient.
Kim, Byung-Soo;Kwon, Hyeok-Sang;Kim, Jin-Wook;Roh, Yong-Rae
The Journal of the Acoustical Society of Korea
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v.28
no.4
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pp.308-317
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2009
In the present work, a sensor system composed of an oscillator sensor and a Lamb wave sensor is proposed for the purpose of structural health monitoring. The oscillator sensing system detecting the shift of a structural resonant frequency in proportion to the amount of defects in the structure is a pretty sensitive and simple device, but its detectable range is limited to its local zone. The Lamb wave sensor system, however, is applicable to global detection of the defects. This study is aimed at investigating the feasible combination of the two systems to exploits their merits simultaneously. The scheme to use PZT patches as the oscillator sensor as well as the Lamb wave sensor was proposed to identify the position, length and number of cracks by means of TOF and amplitude of signals, and its validity was confirmed through experiments.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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