Extending the measurement range of high-speed speckle pattern interferometry

A digital speckle pattern interferometer based on a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) camera was developed. The temporal evolution of dynamic deformation was measured using inter-frame phase stepping. A numerical and analytical investigation showed that the maximum surface velocity that can be reliably measured with inter-frame phase stepping corresponds to ±0.3 times the surface velocity at which the interferogram is sampled at the Nyquist limit (vNyq). The flexibility of the CMOS detector readout was used to identify regions of interest with full-field time-averaged measurements and then to interrogate those regions with time-resolved measurements sampled at up to 70 kHz. To increase the surface velocity measurement range, spatial phase stepping was introduced to the high-speed CMOS system. A pair of binary phase gratings introduced double-channel sensing with a fixed phase step between the two channels. The maximum surface velocity was increased to ±1.0vNyq. Sub-Nyquist theory was implemented for the dynamic measurements and the measurement range with a continuous-wave laser illumination was increased by an order of magnitude with respect to inter-frame phase stepping to ±3.0vNyq. A numerical and analytical investigation showed that with a reduced exposure, for example from pulsed laser illumination, the maximum surface velocity that can be reliably measured is ±15.9vNyq and the surface acceleration is ±253.3vNyq with the current set-up. Due to spatial variations in speckle intensity, some low-modulating and saturated pixels within the small regions of interest interrogated at up to 70 kHz could not be analysed. The nonlinear LinlogTM response of the CMOS camera was used to increase the valid measurement area on the object surface by incorporating pixels that would be below a modulation threshold or saturated if recorded with a linear CCD detector

Beurteilung der Resttragfähigkeit von Bauwerken mit Hilfe der Fuzzy-Logik und Entscheidungstheorie

Whereas the design of new structures is almost completely regulated by codes, there are no objective ways for the evaluation of existing facilities. Experts often are not familiar with the new tasks in system identification and try to retrieve at least some information from available documents. They therefore make compromises which, for many stakeholders, are not satisfying. Consequently, this publication presents a more objective and more realistic method for condition assessment. Necessary basics for this task are fracture mechanics combined with computational analysis, methods and techniques for geometry recording and material investigation, ductility and energy dissipation, risk analysis and uncertainty consideration. Present tools for evaluation perform research on how to analytically conceptualize a structure directly from given loads and measured response. Since defects are not necessarily visible or in a direct way detectable, several damage indices are combined and integrated in a model of the real system. Fuzzy-sets are ideally suited to illustrate parametric/data uncertainty and system- or model uncertainty. Trapezoidal membership functions may very well represent the condition state of structural components as function of damage extent or performance. Tthe residual load-bearing capacity can be determined by successively performing analyses in three steps. The "Screening assessment" shall eliminate a large majority of structures from detailed consideration and advise on immediate precautions to save lives and high economic values. Here, the defects have to be explicitly defined and located. If this is impossible, an "approximate evaluation" should follow describing system geometry, material properties and failure modes in detail. Here, a fault-tree helps investigate defaults in a systematic way avoiding random search or negligence of important features or damage indices. In order to inform about the structural system it is deemed essential not only due to its conceptual clarity, but also due to its applicational simplicity. It therefore represents an important prerequisite in condition assessment though special circumstances might require "fur-ther investigations" to consider the actual material parameters and unaccounted reserves due to spatial or other secondary contributions. Here, uncertainties with respect to geometry, material, loading or modeling should in no case be neglected, but explicitly quantified. Postulating a limited set of expected failure modes is not always sufficient, since detectable signature changes are seldom directly attributable and every defect might -together with other unforeseen situations- become decisive. So, a determination of all possible scenarios to consider every imaginable influence would be required. Risk is produced by a combination of various and ill-defined failure modes. Due to the interaction of many variables there is no simple and reliable way to predict which failure mode is dominant. Risk evaluation therefore comprises the estimation of the prognostic factor with respect to undesir-able events, component importance and the expected damage extent.Während die Bemessung von Tragwerken im allgemeinen durch Vorschriften geregelt ist, gibt es für die Zustandsbewertung bestehender Bauwerken noch keine objektiven Richtlinien. Viele Experten sind mit der neuen Problematik (Systemidentifikation anhand von Belastung und daraus entstehender Strukturantwort) noch nicht vertraut und begnügen sich daher mit Kompromißlösungen. Für viele Bauherren ist dies unbefriedigend, weshalb hier eine objektivere und wirklichkeitsnähere Zustandsbewertung vorgestellt wird. Wichtig hierfür sind theoretische Grundlagen der Schadensanalyse, Methoden und Techniken zur Geometrie- und Materialerkundung, Duktilität und Energieabsorption, Risikoanalyse und Beschreibung von Unsicherheiten. Da nicht alle Schäden offensichtlich sind, kombiniert man zur Zeit mehrere Zustandsindikatoren, bereitet die registrierten Daten gezielt auf, und integriert sie vor einer endgültigen Bewertung in ein validiertes Modell. Werden deterministische Nachweismethoden mit probabilstischen kombiniert, lassen sich nur zufällige Fehler problemlos minimieren. Systematische Fehler durch ungenaue Modellierung oder vagem Wissen bleiben jedoch bestehen. Daß Entscheidungsträger mit unsicheren, oft sogar widersprüchlichen Angaben subjektiv urteilen, ist also nicht zu vermeiden. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie mit Hilfe eines dreistufigen Bewertungsverfahrens Tragglieder in Qualitätsklassen eingestuft werden können. Abhängig von ihrem mittleren Schadensausmaß, ihrer Strukturbedeutung I (wiederum von ihrem Stellenwert bzw. den Konsequenzen ihrer Schädigung abhängig) und ihrem Prognosefaktor L ergibt sich ihr Versagensrisiko mit. Das Risiko für eine Versagen der Gesamtstruktur wird aus der Topologie ermittelt. Wenn das mittlere Schadensausmaß nicht eindeutig festgelegt werden kann, oder wenn die Material-, Geometrie- oder Lastangaben vage sind, wird im Rahmen "Weitergehender Untersuchungen" ein mathematisches Verfahren basierend auf der Fuzzy-Logik vorgeschlagen. Es filtert auch bei komplexen Ursache-Wirkungsbeziehungen die dominierende Schadensursache heraus und vermeidet, daß mit Unsicherheiten behaftete Parameter für zuverlässige Absolutwerte gehalten werden. Um den mittleren Schadensindex und daraus das Risiko zu berechnen, werden die einzelnen Schadensindizes (je nach Fehlermodus) abhängig von ihrer Bedeutung mit Wichtungsfaktoren belegt,und zusätzlich je nach Art, Bedeutung und Zuverlässigkeit der erhaltenen Information durch Gamma dividiert. Hiermit wurde ein neues Verfahren zur Analyse komplexer Versagensmechanismen vorgestellt, welches nachvollziehbare Schlußfolgerungen ermöglicht