A local damage identification method using measured structural static displacement is proposed in this study. Based on the residual force vector deduced from the static equilibrium equation, residual strain energy (RSE) is introduced, which can localize the damage in the element level. In the case of all the nodal displacements are used, the RSE can localize the true location of damage, while incomplete displacement measurements are used, some suspicious damaged elements can be found. A model updating method based on static displacement response sensitivity analysis is further utilized for accurate identification of damage location and extent. The proposed method is verified by two numerical examples. The results indicate that the proposed method is efficient for damage identification. The advantage of the proposed method is that only limited static displacement measurements are needed in the identification, thus it is easy for engineering application.
Kim, Jeong-Tae;Ho, Duc-Duy;Nguyen, Khac-Duy;Hong, Dong-Soo;Shin, Sung Woo;Yun, Chung-Bang;Shinozuka, Masanobu
Smart Structures and Systems
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v.11
no.5
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pp.533-553
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2013
In this paper, system identification of a cable-stayed bridge in Korea, the Hwamyung Bridge, is performed using vibration responses measured by a wireless sensor system. First, an acceleration based-wireless sensor system is employed for the structural health monitoring of the bridge, and wireless sensor nodes are deployed on a deck, a pylon and several selected cables. Second, modal parameters of the bridge are obtained both from measured vibration responses and finite element (FE) analysis. Frequency domain decomposition and stochastic subspace identification methods are used to obtain the modal parameters from the measured vibration responses. The FE model of the bridge is established using commercial FE software package. Third, structural properties of the bridge are updated using a modal sensitivity-based method. The updating work improves the accuracy of the FE model so that structural behaviors of the bridge can be represented better using the updated FE model. Finally, cable forces of the selected cables are also identified and compared with both design and lift-off test values.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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1998.04a
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pp.340-346
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1998
In order to improve the prediction of dynamic behavior in structures, several lower vibration modes from FFT analysis through experiments are used to update the mechanical properties followed by the updated frequencies from numerical analysis. Performance index consists of the sum of error norms between the chosen frequencies and corresponding frequencies from numerical analysis. As an updating process of the natural frequencies, the optimization algorithm based on conjugate gradient method is adopted. The gradient of performance index is calculated using the sensitivity of selected eigenvalues with respect to each design parameter. The mechanical properties of lamina, E$\_$l/, E$\_$2/, .nu.$\_$12/ and G$\_$12/, are design parameters for the updating process. The proposed method is applied to predict the dynamic behavior of composite laminated plates of [0]$\_$8T/ and [.+-.45]$\_$2S/ separately or interchangeably. Also, the mixed case for [0]$\_$8T/ and [.+-.45]$\_$2S/ is exarm'ned to check the possibility for the improved prediction generally. The good agreement is obtained between the measured frequencies and the numerical ones. Based on the results for all the cases studied, the proposed approach has a clear potential in characterizing the mechanical properties of composite lamina.
This paper proposes a structural damage identification approach based on the power spectral density transmissibility (PSDT), which is developed to formulate the relationship between two sets of auto-spectral density functions of output responses. The accuracy of response reconstruction with PSDT is investigated and the damage identification in structures is conducted with measured acceleration responses from the damaged state. Numerical studies on a seven-storey plane frame structure are conducted to investigate the performance of the proposed damage identification approach. The initial finite element model of the structure and measured acceleration measurements from the damaged structure are used for the identification with a dynamic response sensitivity-based model updating method. The simulated damages can be identified accurately without and with a 5% noise effect included in the simulated responses. Experimental studies on a steel plane frame structure in the laboratory are performed to further verify the accuracy of response reconstruction with PSDT and validate the proposed damage identification approach. The locations of the introduced damage are detected accurately and the stiffness reductions in the damaged elements are identified close to the true values. The identification results demonstrated the accuracy of response reconstruction as well as the correctness and efficiency of the proposed damage identification approach.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2009.04a
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pp.425-428
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2009
This paper presents a sensitivity-based finite element (FE)-model update procedure for prestressed concrete (PSC) girder bridge model using vibration test results. Firstly, the stiffness parameters of the structure such as flexural rigidity of concrete and flexural rigidity of tendon are chosen as updating parameters. Next, the numerical frequencies of first two bending modes are calculated using a three-dimensional FE model which is established for the PSC girder. Then, the corresponding experimental frequencies which are obtained from forced vibration tests are selected. In order to perform the model update, the eigensensitivity-based method is employed. Finally, the effect of prestress-loss on the stiffness parameters is evaluated.
A composite element method (CEM) is presented to analyze the free and forced vibrations of a cracked Euler-Bernoulli beam with axial force. The cracks are introduced by using Christides and Barr crack model with an adjustment on one crack parameter. The effects of the cracks and axial force on the reduction of natural frequencies and the dynamic responses of the beam are investigated. The time response sensitivities with respect to the crack parameters (i.e., crack location, crack depth) and the axial force are calculated. The natural frequencies obtained from the proposed method are compared with the analytical results in the literature, and good agreement is found. This study shows that the cracks in the beam may have significant effects on the dynamic responses of the beam. In the inverse problem, a response sensitivity-based model updating method is proposed to identify both a single crack and multiple cracks from measured dynamic responses. The cracks can be identified successfully even using simulated noisy acceleration responses.
The accurate prediction of elastoplasticity under prescribed workloads is essential in the optimization of engineering structures. Mechanical experiments are carried out with the goal of obtaining reliable sets of material parameters for a chosen constitutive law via inverse identification. In this work, two sample geometries made of high strength steel plates were evaluated to determine the optimal configuration for the identification of Ludwik's nonlinear isotropic hardening law. Finite element model updating(FEMU) was used to calibrate the material parameters. FEMU computes the parameter changes based on the Hessian matrix, and the sensitivity fields that report changes of computed fields with respect to material parameter changes. A sensitivity analysis was performed to determine the influence of the sample geometry on parameter identifiability. It was concluded that the sample with thinned gauge region with a large curvature radius provided more reliable material parameters.
The structural responses are often used to identify the structural local damages. However, it is usually difficult to gain the responses of the track, as the sensors cannot be installed on the track directly. The vehicles running on a track excite track vibration and can also serve as response receivers because the vehicle dynamic response contains the vibration information of the track. A damage identification method using the vehicle responses and sensitivity analysis is proposed for the vehicle-track coupling system in this paper. Different from most damage identification methods of vehicle-track coupling system, which require the structural responses, only the vehicle responses are required in the proposed method. The local damages are identified by a sensitivity-based model updating process. In the vehicle-track coupling system, the track is modeled as a discrete point supported Euler-Bernoulli beam, and two vehicle models are proposed to investigate the accuracy and efficiency of damage identification. The measured track irregularity is considered in the calculation of vehicle dynamic responses. The measurement noises are also considered to study their effects to the damage identification results. The identified results demonstrate that the proposed method is capable to identify the local damages of the track accurately in different noise levels with only the vehicle responses.
Because of the inevitable uncertainties such as structural parameters, external excitations and measurement noises, the effects of uncertainties should be taken into consideration in structural damage detection. In this paper, two probabilistic structural damage detection approaches are proposed to account for the underlying uncertainties in structural parameters and external excitation. The first approach adopts the statistical moment-based structural damage detection (SMBDD) algorithm together with the sensitivity analysis of the damage vector to the uncertain parameters. The approach takes the advantage of the strength SMBDD, so it is robust to measurement noise. However, it requests the number of measured responses is not less than that of unknown structural parameters. To reduce the number of measurements requested by the SMBDD algorithm, another probabilistic structural damage detection approach is proposed. It is based on the integration of structural damage detection using temporal moments in each time segment of measured response time history with the sensitivity analysis of the damage vector to the uncertain parameters. In both approaches, probability distribution of damage vector is estimated from those of uncertain parameters based on stochastic finite element model updating and probabilistic propagation. By comparing the two probability distribution characteristics for the undamaged and damaged models, probability of damage existence and damage extent at structural element level can be detected. Some numerical examples are used to demonstrate the performances of the two proposed approaches, respectively.
The comprehension and structural modeling of masonry constructions is fundamental to safeguard the integrity of built cultural assets and intervene through adequate actions, especially in earthquake-prone regions. Despite the availability of several modeling strategies and modern computing power, modeling masonry remains a great challenge because of still demanding computational efforts, constraints in performing destructive or semi-destructive in-situ tests, and material uncertainties. This paper investigates the shear behavior of masonry walls by applying a plane-stress FE continuum model with the Modified Masonry-like Material (MMLM). Epistemic uncertainty affecting input parameters of the MMLM is considered in a probabilistic framework. After appointing a suitable probability density function to input quantities according to prior engineering knowledge, uncertainties are propagated to outputs relying on gPCE-based surrogate models to considerably speed up the forward problem-solving. The sensitivity of the response to input parameters is evaluated through the computation of Sobol' indices pointing out the parameters more worthy to be further investigated, when dealing with the seismic assessment of masonry buildings. Finally, masonry mechanical properties are calibrated in a probabilistic setting with the Bayesian approach to the inverse problem based on the available measurements obtained from the experimental load-displacement curves provided by shear compression in-situ tests.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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