System identification is a fundamental step towards the application of structural health monitoring and damage detection techniques. On this respect, the development of evolved identification strategies is a priority for obtaining reliable and repeatable baseline modal parameters of an undamaged structure to be adopted as references for future structural health assessments. The paper presents the identification of the modal parameters of the Guangzhou New Television Tower, China, using a data-driven stochastic subspace identification (SSI-data) approach complemented with an appropriate automatic mode selection strategy which proved to be successful in previous literature studies. This well-known approach is based on a clustering technique which is adopted to discriminate structural modes from spurious noise ones. The method is applied to the acceleration measurements made available within the task I of the ANCRiSST benchmark problem, which cover 24 hours of continuous monitoring of the structural response under ambient excitation. These records are then subdivided into a convenient number of data sets and the variability of modal parameter estimates with ambient temperature and mean wind velocity are pointed out. Both 10 minutes and 1 hour long records are considered for this purpose. A comparison with finite element model predictions is finally carried out, using the structural matrices provided within the benchmark, in order to check that all the structural modes contained in the considered frequency interval are effectively identified via SSI-data.
A two-stage damage detection method is proposed and demonstrated for structural health monitoring. In the first stage, the subset selection method is applied for the identification of the multiple damage locations. In the second stage, the damage severities of the identified damaged elements are determined applying SSGA to solve the optimization problem. In this method, the sensitivities of residual force vectors with respect to damage parameters are employed for the subset selection process. This approach is particularly efficient in detecting multiple damage locations. The SEREP is applied as needed to expand the identified mode shapes while using a limited number of sensors. Uncertainties in the stiffness of the elements are also considered as a source of modeling errors to investigate their effects on the performance of the proposed method in detecting damage in real-life structures. Through a series of illustrative examples, the proposed two-stage damage detection method is demonstrated to be a reliable tool for identifying and quantifying multiple damage locations within diverse structural systems.
Vibration-based damage detection methods are popular for structural health monitoring. However, they can only detect fairly large damages. Usually impact pulse, ambient vibrations and sine-wave forces are applied as the excitations. In this paper, we propose the method to use the chaotic excitation to vibrate structures. The attractors built from the output responses are used for the minor damage detection. After the damage is detected, it is further quantified using the Kalman Filter. Simulations are conducted. A 5-story building is subjected to chaotic excitation. The structural responses and related attractors are analyzed. The results show that the attractor distances increase monotonously with the increase of the damage degree. Therefore, damages, including minor damages, can be effectively detected using the proposed approach. With the Kalman Filter, damage which has the stiffness decrease of about 5% or lower can be quantified. The proposed approach will be helpful for detecting and evaluating minor damages at the early stage.
This paper presents a flexibility based method for damage identification from static measurements in beam-type structures. The response of the beam at the Damaged State is decomposed into the response at the Reference State plus the response at an Incremental State, which represents the effect of damage. The damage is localized by detecting slope discontinuities in the deflection of the structure at the Incremental State. A denoising filtering technique is applied to reduce the effect of experimental noise. The extent of the damage is estimated through comparing the experimental flexural stiffness of the damaged cross-sections with the corresponding values provided by analytical models of cracked beams. The paper illustrates the method by showing a numerical example with two cracks and an experimental case study of a simply supported steel beam with one artificially introduced notch type crack at three damage levels. A Digital Image Correlation system was used to accurately measure the deflections of the beam at a dense measurement grid under a set of point loads. The results indicate that the method can successfully detect and quantify a small damage from the experimental data.
When monitoring the structural integrity of a bridge using data collected through accelerometers, identifying the profile of the load exerted on the bridge from the vehicles passing over it becomes a crucial task. In this study, the speed and location of vehicles on the deck of a bridge is reconfigured using real-time video to implicitly associate the load applied to the bridge with the response from the bridge sensors to develop an image-based deep learning network model. Instead of directly measuring the load that a moving vehicle exerts on the bridge, the intention in the proposed method is to replace the correlation between the movement of vehicles from CCTV images and the corresponding response by the bridge with a neural network model. Given the framework of an input-output-based system identification, CCTV images secured from the bridge and the acceleration measurements from a cantilevered beam are combined during the process of training the neural network model. Since in reality, structural damage cannot be induced in a bridge, the focus of the study is on identifying local changes in parameters by adding mass to a cantilevered beam in the laboratory. The study successfully identified the change in the material parameters in the beam by using the deep-learning neural network model. Also, the method correctly predicted the acceleration response of the beam. The proposed approach can be extended to the structural health monitoring of actual bridges, and its sensitivity to damage can also be improved through optimization of the network training.
This paper investigates the Synergetics based Damage Detection Method (SDDM) for frame structures by using surface-bonded PZT (Lead Zirconate Titanate) patches. After analyzing the mechanism of pattern recognition from Synergetics, the operating framework with cooperation-competition-update process of SDDM was proposed. First, the dynamic identification equation of structural conditions was established and the adjoint vector (AV) set of original vector (OV) set was obtained by Generalized Inverse Matrix (GIM).Then, the order parameter equation and its evolution process were deduced through the strict mathematics ratiocination. Moreover, in order to complete online structural condition update feature, the iterative update algorithm was presented. Subsequently, the pathway in which SDDM was realized through the modified Synergetic Neural Network (SNN) was introduced and its assessment indices were confirmed. Finally, the experimental platform with a two-story frame structure was set up. The performances of the proposed methodology were tested for damage identifications by loosening various screw nuts group scenarios. The experiments were conducted in different damage degrees, the disturbance environment and the noisy environment, respectively. The results show the feasibility of SDDM using piezoceramic sensors and actuators, and demonstrate a strong ability of anti-disturbance and anti-noise in frame structure applications. This proposed approach can be extended to the similar structures for damage identification.
It is very important to well understand the dynamic characteristics of damaged structures to successfully develop or to choose a most appropriate structural damage identification method (SDIM) as the means of non-destructive testing. In this pope., the dynamic equation of motion for damaged plates is derived by introducing a damage distribution function, which may characterize the effective state of structural damages. It is found that structural damages may induce the coupling between modal coordinates. The effects of damages on the vibration characteristics of a plate depending on their locations, sizes, and magnitudes are numerically investigated in a systematic way. The numerical investigations are also given to the effects of damage-induced modal coupling on the changes in vibration characteristics and to the minimum number of natural modes required to predict sufficiently accurate vibration characteristics of damaged plates.
The effect of structural uncertainties or measurement errors on damage detection results makes the robustness become one of the most important features during identification. Due to the wide use of vibration signatures on damage detection, the development of vibration-based techniques has attracted a great interest. In this work, a review on vibration-based robust detection techniques is presented, in which the robustness is considerably improved through modeling error compensation, environmental variation reduction, denoising, or proper sensing system design. It is hoped that this study can give help on structural health monitoring or damage mitigation control.
Naderi, Arash;Sohrabi, Mohammad Reza;Ghasemi, Mohammad Reza;Dizangian, Babak
Structural Engineering and Mechanics
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v.75
no.5
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pp.585-594
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2020
Detecting the damage of indeterminate trusses is of major importance in the literature. This paper proposes a quick approach in this regard, utilizing a precise mathematical approach based on Finite Element Method. Different to a general two-step method defined in the literature essentially based on optimization approach, this method consists of three steps including Damage-Suspected Element Identification step, Imminent Damaged Element Identification step, and finally, Damage Severity Detection step and does not need any optimizing algorithm. The first step focuses on the identification of damage-suspected elements using an index based on modal residual force vector. In the second step, imminent damage elements are identified among the damage-suspected elements detected in the previous step using a specific technique. Ultimately, in the third step, a novel relation is derived to calculate the damage severity of each imminent damaged element. To show the efficiency and quick function of the proposed method, three examples including a 25-bar planar truss, a 31-bar planar truss, and a 52-bar space truss are studied; results of which indicate that the method is innovatively capable of suitably detecting, for indeterminate trusses, not only damaged elements but also their individual damage severity by carrying out solely one analysis.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.1
no.2
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pp.1-15
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1997
This paper presents substructural identification methods for the assessment of local damages in complex and large structural systems. For this purpose, an auto-regressive and moving average with stochastic input (ARMAX) model is derived for a substructure to process the measurement data impaired by noises. Using the substructural methods, the number of unknown parameters for each identification can be significantly reduced, hence the convergence and accuracy of estimation can be improved. Secondly, the damage index is defined as the ratio of the current stiffness to the baseline value at each element for the damage assessment. The indirect estimation method was performed using the estimated results from the identification of the system matrices from the substructural identification. To demonstrate the proposed techniques, several simulation and experimental example analyses are carried out for structural models of a 2-span truss structure, a 3-span continuous beam model and 3-story building model. The results indicate that the present substructural identification method and damage estimation methods are effective and efficient for local damage estimation of complex structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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