A sudden change of stiffness in a structure, associated with the events such as weld fracture and brace breakage, will cause a discontinuity in acceleration response time histories recorded in the vicinity of damage location at damage time instant. A new damage index is proposed and implemented in this paper to detect the damage time instant, location, and severity of a structure due to a sudden change of structural stiffness. The proposed damage index is suitable for online structural health monitoring applications. It can also be used in conjunction with the empirical mode decomposition (EMD) for damage detection without using the intermittency check. Numerical simulation using a five-story shear building under different types of excitation is executed to assess the effectiveness and reliability of the proposed damage index and damage detection approach for the building at different damage levels. The sensitivity of the damage index to the intensity and frequency range of measurement noise is also examined. The results from this study demonstrate that the damage index and damage detection approach proposed can accurately identify the damage time instant and location in the building due to a sudden loss of stiffness if measurement noise is below a certain level. The relation between the damage severity and the proposed damage index is linear. The wavelet-transform (WT) and the EMD with intermittency check are also applied to the same building for the comparison of detection efficiency between the proposed approach, the WT and the EMD.
Bagherahmadi, Seyed Ahdiye;Seyedpoor, Seyed Mohammad
Structural Engineering and Mechanics
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v.67
no.4
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pp.327-336
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2018
In this study, an efficient damage index is proposed to identify multiple damage cases in structural systems using the concepts of frequency response function (FRF) matrix and strain energy of a structure. The index is defined based on the change of strain energy of an element due to damage. For obtaining the strain energy stored in elements, the columnar coefficients of the FRF matrix is used. The new indicator is named here as frequency response function strain energy based index (FRFSEBI). In order to assess the performance of the proposed index for structural damage detection, some benchmark structures having a number of damage scenarios are considered. Numerical results demonstrate that the proposed index even with considering noise can accurately identify the actual location and approximate severity of the damage. In order to demonstrate the high efficiency of the proposed damage index, its performance is also compared with that of the flexibility strain energy based index (FSEBI) provided in the literature.
This paper presents a feasibility study on structural damage alarming and localization of long-span cable-supported bridges using multi-novelty indices formulated by monitoring-derived modal parameters. The proposed method which requires neither structural model nor damage model is applicable to structures of arbitrary complexity. With the intention to enhance the tolerance to measurement noise/uncertainty and the sensitivity to structural damage, an improved novelty index is formulated in terms of auto-associative neural networks (ANNs) where the output vector is designated to differ from the input vector while the training of the ANNs needs only the measured modal properties of the intact structure under in-service conditions. After validating the enhanced capability of the improved novelty index for structural damage alarming over the commonly configured novelty index, the performance of the improved novelty index for damage occurrence detection of large-scale bridges is examined through numerical simulation studies of the suspension Tsing Ma Bridge (TMB) and the cable-stayed Ting Kau Bridge (TKB) incurred with different types of structural damage. Then the improved novelty index is extended to formulate multi-novelty indices in terms of the measured modal frequencies and incomplete modeshape components for damage region identification. The capability of the formulated multi-novelty indices for damage region identification is also examined through numerical simulations of the TMB and TKB.
Structural Health Monitoring (SHM) is an effective alternative to conventional inspections which are time-consuming and subjective. SHM can detect damage early and reduce maintenance cost and thereby help reduce the likelihood of catastrophic structural events to infrastructure such as bridges. After reviewing the Damage Index Method (DIM), an Iterative Damage Index Method (IDIM) is proposed to improve the accuracy of damage detection. These two damage detection techniques are compared based on damage on two structures, a simply supported beam and a pedestrian bridge. Compared to the traditional damage detection algorithm, the proposed IDIM is shown to be less arbitrary and more accurate.
A new structural damage index for seismic fragility analysis of reinforced concrete columns is developed based on a local tensile damage variable of the Lee and Fenves plastic-damage model. The proposed damage index is formulated from the nonlinear regression of experimental column test data. In contrast to the response-based damage index, the proposed damage index is well-defined in the form of a single monotonically-increasing function of the volume weighted average of local damage distribution, and provides the necessary computability and objectivity. It is shown that the present damage index can be appropriately zoned to be used in seismic fragility analysis. An application example in the computational seismic fragility evaluation of reinforced concrete columns validates the effectiveness of the proposed damage index.
Khosraviani, Mohammad Javad;Bahar, Omid;Ghasemi, Seyed Hooman
Structural Engineering and Mechanics
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v.77
no.2
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pp.151-165
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2021
This paper aims to present a novelty damage detection method to identify damage locations by the simultaneous use of both the energy and displacement damage indices. Using this novelty method, the damaged location and even the damaged floor are accurately detected. As a first method, a combination of the instantaneous frequency energy index (EDI) and the structural acceleration responses are used. To evaluate the first method and also present a rapid assessment method, the Displacement Damage Index (DDI), which consists of the error reliability (β) and Normal Probability Density Function (NPDF) indices, are introduced. The innovation of this method is the simultaneous use of displacement-acceleration responses during one process, which is more effective in the rapid evaluation of damage patterns with velocity vectors. In order to evaluate the effectiveness of the proposed method, various damage scenarios of the ASCE benchmark problem, and the effects of measurement noise were studied numerically. Extensive analyses show that the rapid proposed method is capable of accurately detecting the location of sparse damages through the building. Finally, the proposed method was validated by experimental studies of a six-story steel building structure with single and multiple damage cases.
One of the suitable structural damage detection methods using vibrational characteristics are damage-index-based methods. In this study, a damage index for identifying damages in plate structures using frequency response function (FRF) data has been provided. One of the significant challenges of identifying the damages in plate structures is high number of degrees of freedom resulting in decreased damage identifying accuracy. On the other hand, FRF data are of high volume and this dramatically decreases the computing speed and increases the memory necessary to store the data, which makes the use of this method difficult. In this study, FRF data are compressed using two-dimensional principal component analysis (2D-PCA), and then converted into damage index vectors. The damage indices, each of which represents a specific condition of intact or damaged structures are stored in a database. After computing damage index of structure with unknown damage and using algorithm of lookup tables, the structural damage including the severity and location of the damage will be identified. In this study, damage detection accuracy using the proposed damage index in square-shaped structural plates with dimensions of 3, 7 and 10 meters and with boundary conditions of four simply supported edges (4S), three clamped edges (3C), and four clamped edges (4C) under various single and multiple-element damage scenarios have been studied. Furthermore, in order to model uncertainties of measurement, insensitivity of this method to noises in the data measured by applying values of 5, 10, 15 and 20 percent of normal Gaussian noise to FRF values is discussed.
Identification of damage location based on modal measurement is an important problem in structural health monitoring. The damage index method that attempts to evaluate the changes in modal strain energy distribution has been found to be effective under certain circumstances. In this paper two damage index methods using bending strain energy and shear strain energy have been evaluated for numerous cases at different locations and degrees of damage. The objective is to evaluate the feasibility of the damage index method to localize the damage on large span concrete bridge. Finite element models were used as the test structures. Finally this method was used to predict the damage location in an actual structure, using the results of a modal survey from a large concrete bridge.
In the present work a constitutive model is developed which permits the assessment of the structural performance through a criterion based on cumulative damage. For it, a damage index is defined and is evaluated through the application of the Miner's rule in low-cycle fatigue. However, the damage index is not considered as a posteriori variable since is incorporated explicitly as an internal variable in the constitutive equations which produces a direct coupling between the damage and the structural mechanical behaviour allowing the possibility of considering as a whole different coupled phenomena. For the elaboration of this damage model, the concepts of the mechanics of continuum medium are applied on lumped dissipative models in order to obtain a coupled simplified model. As a result an elastoplastic model coupled with damage and fatigue damage is obtained.
This paper presents a novel structural damage detection method with a new damage index based on the statistical moments of dynamic responses of a structure under a random excitation. After a brief introduction to statistical moment theory, the principle of the new method is put forward in terms of a single-degree-of-freedom (SDOF) system. The sensitivity of statistical moment to structural damage is discussed for various types of structural responses and different orders of statistical moment. The formulae for statistical moment-based damage detection are derived. The effect of measurement noise on damage detection is ascertained. The new damage index and the proposed statistical moment-based damage detection method are then extended to multi-degree-of-freedom (MDOF) systems with resort to the leastsquares method. As numerical studies, the proposed method is applied to both single and multi-story shear buildings. Numerical results show that the fourth-order statistical moment of story drifts is a more sensitive indicator to structural stiffness reduction than the natural frequencies, the second order moment of story drift, and the fourth-order moments of velocity and acceleration responses of the shear building. The fourth-order statistical moment of story drifts can be used to accurately identify both location and severity of structural stiffness reduction of the shear building. Furthermore, a significant advantage of the proposed damage detection method lies in that it is insensitive to measurement noise.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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