Damage detection of structures is one of the most important topics in structural health monitoring. In practice, the response is not available at all structural degrees of freedom, and due to the installation of sensors at some degrees of freedom, responses exist only in limited number of degrees of freedom. This paper is investigated the damage detection of structures by applying two approaches, AllDOF and Dynamic Condensation Method (DCM), based on the Modified Modal Strain Energy Method (MMSEBI). In the AllDOF method, mode shapes in all degrees of freedom is available, but in the DCM the mode shapes only in some degrees of freedom are available. Therefore by methods like the DCM, mode shapes are obtained in slave degrees of freedom. So, in the first step, the responses at slave degrees of freedom extracted using the responses at master degrees of freedom. Then, using the reconstructed mode shape and obtaining the modified modal strain energy, the damages are detected. Two standard examples are used in different damage cases to evaluate the accuracy of the mentioned method. The results showed the capability of the DCM is acceptable for low mode shapes to detect the damage in structures. By increasing the number of modes, the AllDOF method identifies the locations of the damage more accurately.
We present a semi-rigid connection estimation method by using cross modal strain energy method. While rigid or pinned assumptions are adopted for steel frames in traditional modeling via finite element method, the actual behavior of the connections is usually neither. Semi-rigid joints enable connections to be modeled as partially restrained, which improves the quality of the model. To identify the connection stiffness and update the FE model, a newly-developed cross modal strain energy (CMSE) method is extended to incorporate the connection stiffness estimation. Meanwhile, the relations between the correction coefficients for the CMSE method are derived, which enables less modal information to be used in the estimation procedure. To illustrate the capability of the proposed parameter estimation algorithm, a four-story frame structure is demonstrated in the numerical studies. Several cases, including Semi-rigid joint(s) on single connection and on multi-connections, without and with measurement noise, are investigated. Numerical results indicate that an excellent updating is achievable and the connection stiffness can be estimated by CMSE method.
This paper uses dynamic computer simulation techniques to develop and apply a multi-criteria procedure using non-destructive vibration-based parameters for damage assessment in truss bridges. In addition to changes in natural frequencies, this procedure incorporates two parameters, namely the modal flexibility and the modal strain energy. Using the numerically simulated modal data obtained through finite element analysis of the healthy and damaged bridge models, algorithms based on modal flexibility and modal strain energy changes before and after damage are obtained and used as the indices for the assessment of structural health state. The application of the two proposed parameters to truss-type structures is limited in the literature. The proposed multi-criteria based damage assessment procedure is therefore developed and applied to truss bridges. The application of the approach is demonstrated through numerical simulation studies of a single-span simply supported truss bridge with eight damage scenarios corresponding to different types of deck and truss damage. Results show that the proposed multi-criteria method is effective in damage assessment in this type of bridge superstructure.
This paper presents the status improvement of an old damaged deck type rural road steel truss bridge through the modal parametric study after partial retrofitting. The dynamic and static tests on bridge were carried out as in damaged state and after partial retrofitting. The dynamic testing on the steel bridge was carried out using accelerometers under similar environmental conditions with same speed of the moving vehicle. The comparison of the modal parameters i.e., frequency, mode shape mode shape curvature, modal strain energy, along with the deflection parameter are studied with respect to structural analytical model parameters. The status up gradation for the upper and downstream truss obtained was different due to differential level of damage in the bridge. Also after retrofitting the structural elemental behavior obtained was not same as desired. The damage level obtained through static tests carried out using total station indicated further retrofitting requirement.
Moradipour, Parviz;Chan, Tommy H.T.;Gallag, Chaminda
Structural Engineering and Mechanics
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v.54
no.1
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pp.105-119
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2015
Structural damage detection using modal strain energy (MSE) is one of the most efficient and reliable structural health monitoring techniques. However, some of the existing MSE methods have been validated for special types of structures such as beams or steel truss bridges which demands improving the available methods. The purpose of this study is to improve an efficient modal strain energy method to detect and quantify the damage in complex structures at early stage of formation. In this paper, a modal strain energy method was mathematically developed and then numerically applied to a fixed-end beam and a three-story frame including single and multiple damage scenarios in absence and presence of up to five per cent noise. For each damage scenario, all mode shapes and natural frequencies of intact structures and the first five mode shapes of assumed damaged structures were obtained using STRAND7. The derived mode shapes of each intact and damaged structure at any damage scenario were then separately used in the improved formulation using MATLAB to detect the location and quantify the severity of damage as compared to those obtained from previous method. It was found that the improved method is more accurate, efficient and convergent than its predecessors. The outcomes of this study can be safely and inexpensively used for structural health monitoring to minimize the loss of lives and property by identifying the unforeseen structural damages.
Theoretical and numerical assessments of approximate evaluations and simplified analyses of piezoelectric structures transverse shear modal effective electromechanical coupling coefficient (EMCC) are presented. Therefore, the latter is first introduced theoretically and its approximate evaluations are reviewed; then, three-dimensional (3D) and simplified two-dimensional (2D) plane-strain (PStrain) and plane-stress (PStress) piezoelectric constitutive behaviors of electroded shear piezoceramic patches are derived and corresponding expected short-circuit (SC) and open-circuit (OC) frequencies and resulting EMCC are discussed; next, using a piezoceramic shear sandwich beam cantilever typical benchmark, a 3D finite element (FE) assessment of different evaluation techniques of the shear modal effective EMCC is conducted, including the equipotential (EP) constraints effect; finally, 2D PStrain and PStress FE modal analyses under SC and OC electric conditions, are conducted and corresponding results (SC/OC frequencies and resulting effective EMCC) are compared to 3D ones. It is found that: (i) physical EP constraints reduce drastically the shear modal effective EMCC; (ii) PStress and PStrain results depend strongly on the filling foam stiffness, rendering inadequate the use of popular equivalent single layer models for the transverse shear-mode sandwich configuration; (iii) in contrary to results of piezoelectric shunted damping and energy harvesting popular single-degree-of-freedom-based models, transverse shear modal effective EMCC values are very small in particular for the first mode which is the common target of these applications.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2005.05a
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pp.124-127
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2005
As computer capability and test skill become more and more advanced, finite element method and modal test are being widely applied in engineering design. In order to correlate and reconcile the inevitable discrepancies between the analytical and experimental models, many techniques have been developed. Among these methods, multiple-system methods are known as the effective tools in that they can supply the rich modal data available which are experimentally obtained. These abundant modal data can help structural system parameters estimated well. Multiple-system methods can be classified into the structural modification methods and feedback controller methods. The structural modification methods need the physical attachment of structures and their concept may limit the application of them. To overcome this drawback, the feedback controller methods are addressed which enable us to get more modal data without the structural change. Mode decoupling controller(MDC), one of them, is to use acceleration out)ut feedback to perturb an open-loop system. The output feedback controller generally cannot guarantee the stability of a closed-loop system. However, MDC can solve this problem under the certain constraints. So far, MDC utilizes accelerations as the sensor signals. In this research, strain sensors are going to be picked up to apply to the MDC. Strain output is recently used for structural system identification due to the drastically improved and miniaturized strain sensor. In this paper, we show that the MDC using strain output has differences compared with acceleration output in estimating the structural system parameters. The associated simulation is performed to demonstrate the above mentioned characteristics.
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.
Damage detection based on measured vibration data has received intensive studies recently. Frequently, the damage to a structure may be reflected by a change of some system parameters, such as a degradation of the stiffness. In this paper, we apply a method to nondestructively locate and estimate the severity of damage in corrosion pipeline for which a few natural frequencies or mode shapes are available. The method is based on the strain modal sensitivity ratio (SMSR) and the orthogonality conditions sensitivities (OCS) applied to vibration features identified during the monitoring of the pipeline. The advantage of these methods is that it only requires measuring few modal parameters. The SMSR-based and OCS-based damage detection methods are illustrated using computer-simulated and laboratory testing data. The results show that the current method provides a precise indication of both the location and the extent of corrosion pipeline.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.16
no.3
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pp.333-342
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2003
The objective of this paper is to present an algorithm to locate and size damage in a beam structure. The method uses the changes in the modal strain energy distribution. A damage index, utilized to identify possible location and corresponding severity of local damage, is formulated and expressed in terms of modal displacements that can be obtained from mode shapes of the undamaged and the damaged structures. The possible damage locations in the structure arc determined by the application of damage indicator according to previously developed decision rules. The robustness and effectiveness of the method arc demonstrated using numerical examples of beam structures with simulated damage.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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