Enhanced Concrete Bridge Assessment Using Artificial Intelligence and Mixed Reality

Conventional methods for visual assessment of civil infrastructures have certain limitations, such as subjectivity of the collected data, long inspection time, and high cost of labor. Although some new technologies (i.e. robotic techniques) that are currently in practice can collect objective, quantified data, the inspector\u27s own expertise is still critical in many instances since these technologies are not designed to work interactively with human inspector. This study aims to create a smart, human-centered method that offers significant contributions to infrastructure inspection, maintenance, management practice, and safety for the bridge owners. By developing a smart Mixed Reality (MR) framework, which can be integrated into a wearable holographic headset device, a bridge inspector, for example, can automatically analyze a certain defect such as a crack that he or she sees on an element, display its dimension information in real-time along with the condition state. Such systems can potentially decrease the time and cost of infrastructure inspections by accelerating essential tasks of the inspector such as defect measurement, condition assessment and data processing to management systems. The human centered artificial intelligence (AI) will help the inspector collect more quantified and objective data while incorporating inspector\u27s professional judgment. This study explains in detail the described system and related methodologies of implementing attention guided semi-supervised deep learning into mixed reality technology, which interacts with the human inspector during assessment. Thereby, the inspector and the AI will collaborate/communicate for improved visual inspection

Modelling the electrical resistivity of green carbon anodes for aluminium industry

L’aluminium primaire produit de nos jours est obtenu par l’électrolyse de l’alumine à 960 °C, suivant le procédé proposé par Charles Martin Hall, et Paul Louis-Toussain Héroult, en 1886. Ce procédé, communément appelé Hall-Héroult, du nom de ceux qui l’ont proposé, consiste à imposer un courant électrique au travers un mélange de cryolithe fondue dans laquelle est dissoute l’alumine. Le courant circule entre les anodes et la cathode de carbone. Les anodes sont principalement composées de coke de pétrole calciné et du reste non consommé des anodes usagées, que l’on appelle mégot. Toutes ces particules carbonées sont liées à l’aide de brai de houille (pitch). Une fois le bloc anodique formé, il doit être cuit afin de lui conférer une bonne tenue mécanique. Pour permettre un rendement efficace lors de ce procédé, les anodes, qui amènent le courant, doivent avoir une résistivité électrique la plus faible possible. De plus, ces anodes, consommables, servent aussi d’apport pour le carbone nécessaire à la réaction d’électrolyse, leur composition chimique doit par conséquent être suffisamment pure pour ne pas affecter la qualité de l’aluminium produit. Le projet de recherche présenté ici se focalise sur l’étude et la compréhension du comportement électrique de l’anode avant sa cuisson à des fins de contrôle de qualité en cours de fabrication. Pour déterminer la résistivité électrique d’un matériau composite, le modèle mathématique de Nielsen semble être un outil très intéressant et polyvalent dans différentes applications de modélisation de la résistivité électrique. Pour utiliser ce modèle, il est nécessaire de connaître certaines propriétés des différentes phases constituant l’anode. Dans le cas présent, le matériau anodique sera limité à une fraction de tailles de particules de coke de pétrole et la matrice liante, composée du pitch et de particules fines de coke de pétrole. Les propriétés à connaître sont, pour les particules de coke, leur résistivité électrique intrinsèque, leur rapport de forme, ainsi que la compacité maximale qui puisse être obtenu avec ce matériau. Seule la résistivité électrique de la matrice liante est à connaître nécessairement. Dans l’industrie de l’aluminium, seule la résistivité électrique d’un lit des particules est mesurée pour suivre l’évolution de ce paramètre suivant les différents lots utilisés. Pour implémenter la résistivité électrique du coke dans le modèle de Nielsen, il est nécessaire de déterminer la résistivité électrique intrinsèque du coke. Afin de déterminer cette valeur, des mesures de résistivité électriques ont été faites en utilisant une méthode quatre pointes, qui permet de mesurer la résistivité électrique des matériaux dont la résistivité est faible. Ensuite, le vide inter particulaire présent dans le volume de mesure est retranché afin de ne compter que le volume occupé par le matériau. Finalement, les contacts entre particules ont été estimés par calcul numérique, en utilisant la méthode des éléments discrets. Le nombre, la surface moyenne et la disposition de ces contacts ont été évalués afin d’être implémentés dans un modèle mathématique permettant de calculer la résistivité électrique du coke. Différentes mesures ont permis de proposer une valeur cohérente et acceptable pour la résistivité électrique du coke. Afin de mesurer la résistivité électrique de la matrice liante ainsi que de l’anode, une méthode précise est requise. La méthode standardisée utilisée par l’industrie montre de grands écarts à la moyenne et des valeurs souvent peu reproductibles. La méthode de mesure de la résistivité électrique proposée par Van der Pauw permet d’obtenir des résultats avec une plus grande reproductibilité et un écart à la moyenne fortement amoindri. Cette méthode peut être utile pour mesurer la résistivité électrique des sections coupées dans une carotte d’anode ou de matrice liante moulée. Différentes mesures, effectuées sur des échantillons type anode de différentes compositions ont révélé que la résistivité électrique mesurée en laboratoire ne correspond pas à celle calculée en utilisant le modèle de Nielsen, intégrant les paramètres physiques des matériaux utilisés. Pour expliquer la divergence entre le modèle et les mesures de laboratoire, une analyse en microscopie optique a été effectuée. Il a été révélé que l’épaisseur de la couche de matrice liante entre les particules demeure trop grande pour permettre la création d’un chemin électrique de particule à particule dans le matériau. Ceci implique que la résistivité électrique de la matrice liante impose principalement la résistivité électrique du composite, dans ce cas.Primary aluminium produced nowadays is obtained by electrolysis of alumina at 960 °C, following the process proposed by Charles Martin Hall, and Paul Louis Toussain Héroult, in 1886. This process, named Hall-Héroult, due to the name of its creators, consists in applying an electrical current trough a mix of molten cryolithe in which is dissolved alumina. The current flows between the carbon anodes and the cathode. Anodes are mostly composed of calcined petroleum coke aggregates and remnant particles of used anodes, butt particles. Those carbonaceous particles are tied together using coal tar pitch. Once the anode bloc is formed, it is backed to gain mechanical strength. To allow an efficient yield during the electrolysis process, anodes, through which the current flows, shall have the lowest electrical resistivity. Furthermore, those consumable anodes, are also required to bring the carbon as reactant for the electrolytic reaction, consequently, their chemical composition must be pure enough not to diminish the produced aluminium quality. The research project presented focuses on the study and understanding of electrical behaviour of the anode prior to its backing, for quality control during manufacturing process. To determine the electrical resistivity of a composite material, Nielsen’s model appears as an interesting tool, reliable for multiple electrical modelling applications. Using this model implies knowing several properties of the different phases present in the anode. In the present case, anode material is restricted to a specific size fraction of coke particles and binder matrix, made of pitch and fine particles. The properties to know are, for the coke particles, their intrinsic electrical resistivity, aspect ratio, and the maximal packing fraction that can be reached. Only electrical resistivity is required for the binder matrix. In aluminium industry, only the electrical resistivities of beds of particles are measured to follow the evolution of this parameter depending the batch used. To implement the electrical resistivity of coke particles in Nielsen model, its intrinsic electrical resistivity is required. To obtain this value, measurement were performed using four probes setting, which allows measuring the electrical resistivity of material presenting low resistivity. Then, inter-particles void present in the measurement volume shall be removed in order to only take account of the volume occupied by the material investigated. Finally, the contacts between particles are estimated by numerical calculation, using discrete element method. The number, average surface and disposition of the contacts were assessed to implement them in a mathematical model allowing calculating the electrical resistivity of coke. Several measures lead to the proposition of a consistent and reliable value for electrical resistivity of coke. To measure the electrical resistivity of binder matrix, as well as the anode’s, an accurate method is required. The standardised method used in the industry reveals strong standard deviation and rather not often reproducible values. The method of measurement of electrical resistivity of continuous phases proposed by Van der Pauw allows retrieving highly reproducible results, with a much lower standard deviation. This technique can be useful to measure the electrical resistivity of slices cut out of anode cores or cast binder matrix. Several measurements, performed on anode like samples with different composition revealed that the electrical resistivity measured in laboratory does not fit with the one calculated using Nielsen’s model, using the physical parameters of the characterized materials. To explain the difference, between the model and laboratory measurements, an optical microscopic analysis was performed. It was disclosed that the binder matrix layer between particles remain too thick to allow the creation of an electrical path from particle to particle within the material. This implies that the electrical resistivity of the binder matrix mostly dictates the one of the composite material, in this case

Two-dimensional inverse scattering problems of small and extended scatterers

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Assessment of plastics in the National Trust: a case study at Mr Straw's House

The National Trust is a charity that cares for over 300 publically accessible historic buildings and their contents across England, Wales and Northern Ireland. There have been few previous studies on preservation of plastics within National Trust collections, which form a significant part of the more modern collections of objects. This paper describes the design of an assessment system which was successfully trialled at Mr Straws House, a National Trust property in Worksop, UK. This system can now be used for future plastic surveys at other National Trust properties. In addition, the survey gave valuable information about the state of the collection, demonstrating that the plastics that are deteriorating are those that are known to be vulnerable, namely cellulose nitrate/acetate, PVC and rubber. Verifying this knowledge of the most vulnerable plastics enables us to recommend to properties across National Trust that these types should be seen as a priority for correct storage and in-depth recording

Seismic Waves

The importance of seismic wave research lies not only in our ability to understand and predict earthquakes and tsunamis, it also reveals information on the Earth's composition and features in much the same way as it led to the discovery of Mohorovicic's discontinuity. As our theoretical understanding of the physics behind seismic waves has grown, physical and numerical modeling have greatly advanced and now augment applied seismology for better prediction and engineering practices. This has led to some novel applications such as using artificially-induced shocks for exploration of the Earth's subsurface and seismic stimulation for increasing the productivity of oil wells. This book demonstrates the latest techniques and advances in seismic wave analysis from theoretical approach, data acquisition and interpretation, to analyses and numerical simulations, as well as research applications. A review process was conducted in cooperation with sincere support by Drs. Hiroshi Takenaka, Yoshio Murai, Jun Matsushima, and Genti Toyokuni

Development of a Weldability Testing System to Quantify Hot Cracking Susceptibility of Inconel 718 Pre-Welded Sheets

RÉSUMÉ Les défauts de fissuration à chaud sont fréquemment observés lors du soudage à l'arc sous gaz avec électrode de tungstène (GTAW), de feuilles d'Inconel 718. Dans le but de résoudre ce problème et d'améliorer la qualité des soudures, un projet de recherche a été mené par professeure Brochu de l’École Polytechnique de Montréal. Dans le cadre de ce dernier, des soudures ayant une variété de microstructures ont été produites en faisant varier les paramètres de soudage. Dans certaines de ces microstructures, un joint de grain central rectiligne a été observé : une caractéristique qui semblerait être à l’origine des fissures. Par la suite, des tentatives pour produire une soudure sans joint de grain central furent amorcées. Suite à ce projet, il a été jugé nécessaire de tester la susceptibilité à la fissuration à chaud des différents joints soudés. Ainsi, le but de ce projet est de développer un système et une méthode expérimentale permettant de déterminer l’effet de la microstructure de soudures existantes sur leur susceptibilité à la fissuration à chaud, et ce à un moindre coût. La procédure adoptée pour la conception et le développement du système est divisée en plusieurs étapes, soit l’analyse de la littérature et des méthodes d'essai de soudabilité existantes, la conception du système et le développement de la procédure expérimentale permettant d’évaluer les capacités du système. En ce qui a trait à l’analyse de la littérature, les propriétés mécaniques de différents superalliages de nickel, particulièrement les alliages de type IN718, ont été comparées à d’autres matériaux. Les maints types de fissures pouvant se former lors du procédé de soudage de ces alliages ont ensuite été examinés. Les méthodes d'essai de soudabilité les plus courantes pour quantifier la sensibilité à la fissuration à chaud des matériaux y sont décrites. Il a été conclu de la revue de littérature que les méthodes d'essai impliquant l’application d’une contrainte externe sont plus efficaces que les autres puisqu’elles offrent un meilleur contrôle sur le déroulement du test. Dans le chapitre suivant, les capacités et les limites des différentes méthodes décrites précédemment ont été analysées et comparées afin de vérifier leur capacité à répondre aux attentes et aux spécificités techniques du projet. Il a été conclu que la méthode d'essai de ductilité à chaud est celle qui répond au plus grand nombre de critères pour ce projet. Le chapitre 4 décrit le processus de conception de la méthode d'essai de ductilité à chaud qui comprend divers obstacles et défis qui ont dû être surmontés.----------ABSTRACT Hot cracking defects are frequently observed during the gas tungsten arc welding of Inconel 718 sheets. In order to solve this problem and improve the quality of the welds, a research project was carried out by prof. Brochu, École Polytechnique de Montréal. In their study, a series of welds with different microstructures were produced using various welding parameters. In some of these microstructures, longitudinal centerline grain boundary was observed: a characteristic that is seemingly a weak point for crack initiation. Subsequently, multiple attempts to produce a weld with no evidence of the centerline grain boundaries were initiated. Following up with the project by prof. Brochu, it was deemed necessary to test the hot cracking susceptibility of the different welds that were produced. Thus, this project’s goal is to develop a system and an experimental method that are capable of determining the effect of the microstructure of the existing welds on their hot cracking susceptibility, and all of this at the lowest possible price. The procedure adopted to design and develop the system is divided in multiple steps, namely the literature review, the analysis of the existing weldability testing methods, the design of the system and the development of the experimental procedure allowing to evaluate the capabilities of the system. In the literature review, the mechanical properties of several nickel base superalloys, particularly the IN718 alloys, were compared with other materials. The several types of welding cracks occurring during the welding processes of such alloys were then explained. The main part of this chapter describes the common weldability testing methods used to quantify susceptibility of the materials to hot cracking. It was concluded that the tests including the application of an external load are more efficient than the others since they provide a better control over the testing process. In the next chapter, the capacities and the limitations of the different methods described above were analyzed and compared in order to verify their capability to satisfy the expectations and the technical specificities of this project. It was concluded that the hot ductility test is the method that meets the highest number of requirements of the project. Chapter 4 describes the designing process of the hot ductility testing system which includes various obstacles and challenges that had to be overcome during this endeavor

Computer vision-based structural assessment exploiting large volumes of images

Visual assessment is a process to understand the state of a structure based on evaluations originating from visual information. Recent advances in computer vision to explore new sensors, sensing platforms and high-performance computing have shed light on the potential for vision-based visual assessment in civil engineering structures. The use of low-cost, high-resolution visual sensors in conjunction with mobile and aerial platforms can overcome spatial and temporal limitations typically associated with other forms of sensing in civil structures. Also, GPU-accelerated and parallel computing offer unprecedented speed and performance, accelerating processing the collected visual data. However, despite the enormous endeavor in past research to implement such technologies, there are still many practical challenges to overcome to successfully apply these techniques in real world situations. A major challenge lies in dealing with a large volume of unordered and complex visual data, collected under uncontrolled circumstance (e.g. lighting, cluttered region, and variations in environmental conditions), while just a tiny fraction of them are useful for conducting actual assessment. Such difficulty induces an undesirable high rate of false-positive and false-negative errors, reducing the trustworthiness and efficiency of their implementation. To overcome the inherent challenges in using such images for visual assessment, high-level computer vision algorithms must be integrated with relevant prior knowledge and guidance, thus aiming to have similar performance with those of humans conducting visual assessment. Moreover, the techniques must be developed and validated in the realistic context of a large volume of real-world images, which is likely contain numerous practical challenges. In this dissertation, the novel use of computer vision algorithms is explored to address two promising applications of vision-based visual assessment in civil engineering: visual inspection, and visual data analysis for post-disaster evaluation. For both applications, powerful techniques are developed here to enable reliable and efficient visual assessment for civil structures and demonstrate them using a large volume of real-world images collected from actual structures. State-of-art computer vision techniques, such as structure-from-motion and convolutional neural network techniques, facilitate these tasks. The core techniques derived from this study are scalable and expandable to many other applications in vision-based visual assessment, and will serve to close the existing gaps between past research efforts and real-world implementations

Uncertainties in the Estimation of the Shear-Wave Velocity and the Small-Strain Damping Ratio from Surface Wave Analysis

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen