In this study, the feasibility of vibration-based damage detection methods for the wind turbine tower (WTT) structure is evaluated. First, a frequency-based damage detection (FBDD) is outlined. A damage-localization algorithm is visited to locate damage from changes in natural frequencies. Second, a mode-shape-based damage detection (MBDD) method is outlined. A damage index algorithm is utilized to localize damage from estimating changes in modal strain energies. Third, a finite element (FE) model based on a real WTT is established by using commercial software, Midas FEA. Several damage scenarios are numerically simulated in the FE model of the WTT. Finally, both FBDD and MBDD methods are employed to identify the damage scenarios simulated in the WTT. Damage regions are chosen close to the bolt connection of WTT segments; from there, the stiffness of damage elements are reduced.
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.
Kim, Jeong-Tae;Park, Jae-Hyung;Yoon, Han-Sam;Yi, Jin-Hak
Smart Structures and Systems
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제3권3호
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pp.263-280
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2007
In this paper, an improved GA-based damage detection algorithm using a set of combined modal features is proposed. Firstly, a new GA-based damage detection algorithm is formulated for beam-type structures. A schematic of the GA-based damage detection algorithm is designed and objective functions using several modal features are selected for the algorithm. Secondly, experimental modal tests are performed on free-free beams. Modal features such as natural frequency, mode shape, and modal strain energy are experimentally measured before and after damage in the test beams. Finally, damage detection exercises are performed on the test beam to evaluate the feasibility of the proposed method. Experimental results show that the damage detection is the most accurate when frequency changes combined with modal strain-energy changes are used as the modal features for the proposed method.
Dorvash, Siavash;Pakzad, Shamim N.;LaCrosse, Elizabeth L.
Smart Structures and Systems
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제14권2호
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pp.85-104
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2014
Damage detection is a challenging, complex, and at the same time very important research topic in civil engineering. Identifying the location and severity of damage in a structure, as well as the global effects of local damage on the performance of the structure are fundamental elements of damage detection algorithms. Local damage detection is essential for structural health monitoring since local damages can propagate and become detrimental to the functionality of the entire structure. Existing studies present several methods which utilize sensor data, and track global changes in the structure. The challenging issue for these methods is to be sensitive enough in identifYing local damage. Autoregressive models with exogenous terms (ARX) are a popular class of modeling approaches which are the basis for a large group of local damage detection algorithms. This study presents an algorithm, called Influence-based Damage Detection Algorithm (IDDA), which is developed for identification of local damage based on regression of the vibration responses. The formulation of the algorithm and the post-processing statistical framework is presented and its performance is validated through implementation on an experimental beam-column connection which is instrumented by dense-clustered wired and wireless sensor networks. While implementing the algorithm, two different sensor networks with different sensing qualities are utilized and the results are compared. Based on the comparison of the results, the effect of sensor noise on the performance of the proposed algorithm is observed and discussed in this paper.
For several decades many researchers have studied various algorithms, known as non-destructive testing, to identify abnormalities within a structure. Damage detection technique using vibration signal is a kind of these methods. Many researchers have published lots of papers dealing vibration signal to identify structural damage. All the methods for damage detection using vibration signal can be divided into two big categories. The first category is the method that requires some reference model such as finite element model, and the second is the method that does not require any reference model but needs only experimental data. This paper will be devoted to classify damage detection methods that utilize vibration signal.
In this paper, practical methods to utilize PZT's dual piezoelectric effects (i.e., dynamic strain and electro-mechanical (E/M) impedance responses) for damage detection in beam-type structures are presented. In order to achieve the objective, the following approaches are implemented. Firstly, PZT material's dual piezoelectric characteristics on dynamic strain and E/M impedance are investigated. Secondly, global vibration-based and local impedance-based methods to detect the occurrence and the location of damage are presented. Finally, the vibration-based and impedance-based damage detection methods using the dual piezoelectric responses are evaluated from experiments on a lab-scaled beam for several damage scenarios. Damage detection results from using PZT sensor are compared with those obtained from using accelerometer and electric strain gauge.
A novel concept of transmissibility based on a wavelet transform for structural damage detection is presented in this paper. The main objective of the research was the development of a method for detecting slight damage at the incipient stage. As a vibration-based approach, the concept of transmissibility has attracted considerable interest because of its advantages and effectiveness in damage detection. However, like other vibration-based methods, transmissibility-based approaches suffer from insensitivity to slight local damage because of the regularity of the traditional Fourier transform. Therefore, the powerful signal processing techniques must be found to solve this problem. Wavelet transform that is able to capture subtle information in measured signals has received extensive attention in the field of damage detection in recent decades. In this paper, we first propose a novel transmissibility concept based on the wavelet transform. Outlier analysis was adopted to construct a damage detection algorithm with wavelet-based transmissibility. The feasibility of the proposed method was numerically investigated with a typical six-degrees-of-freedom spring-mass system, and comparative investigations were performed with a conventional transmissibility approach. The results demonstrate that the proposed transmissibility is more sensitive than conventional transmissibility, and the former is a promising tool for structural damage detection at the incipient stage.
In this paper, damage assessment in wind-turbine towers using vibration-based artificial neural networks (ANNs) is numerically investigated. At first, a vibration-based ANNs algorithm is designed for damage detection in a wind turbine tower. The ANNs architecture consists of an input, an output, and hidden layers. Modal parameters of the wind turbine tower such as mode shapes and frequencies are utilized as the input and the output layer composes of element stiffness indices. Next, the finite element model of a real wind-turbine tower is established as the test structure. The natural frequencies and mode shapes of the test structure are computed under various damage cases of single and multiple damages to generate training patterns. Finally, the ANNs are trained using the generated training patterns and employed to detect damaged elements and severities in the test structure.
In recent years, the wind energy has played an increasingly important role in national energy sector of many countries. To harvest more electric power, the wind turbine (WT) tower structure becomes physically larger, which may cause more risks during long-term operation. Associated with the great development of WT projects, the number of accidents related to large-scaled WT has also been increased. Therefore, a structural health monitoring (SHM) system for WT structures is needed to ensure their safety and serviceability during operational time. The objective of this study is to develop a hybrid damage detection method for WT tower structures by measuring vibration and impedance responses. To achieve the objective, the following approaches are implemented. Firstly, a hybrid damage detection scheme which combines vibration-based and impedance-based methods is proposed as a sequential process in three stages. Secondly, a series of vibration and impedance tests are conducted on a lab-scaled model of the WT structure in which a set of bolt-loosening cases is simulated for the segmental joints. Finally, the feasibility of the proposed hybrid damage detection method is experimentally evaluated via its performance during the damage detection process in the tested model.
구조물의 진동 자료를 이용하는 유전알고리즘(GA) 기반 손상검색기법에 있어, 사용되는 모드 특징의 선택은 손상검색 결과의 정확도를 높이는데 중요하다. 본 연구의 목적은 고유진동수와 모드변형에너지를 이용하여 손상검색의 정확도를 높이는 것이다. 이와 같은 연구 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 연구를 수행하였다. 먼저, 모드 변형에너지를 유도하고 고유진동수와 모드변형에너지를 이용하는 새로운 GA 기반 손상검색기법을 제안하였다. 다음으로 제안된 기법의 효율성을 검증하기 위하여 양단 자유보의 손상시나리오를 제시하고, 손상시나리오에 따른 진동모드 실험을 실시하였다. 마지막으로 실험 자료를 바탕으로 제안된 기법과 기존의 고유진동수와 모드형상을 이용하는 기법으로 손상검색을 실시하여 결과를 비교하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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