Numerical and experimental investigation of spectral domain vibration based indicators for structural health monitoring

Structural health monitoring has been defined as the acquisition, validation and analysis of technical data to facilitate life- cycle management decisions. It is the result of a convergent path from many previous existing disciplines the two most influential being condition monitoring for rotary machinery and non-destructive testing. Vibration based testing presents the greatest stage of maturity of all non-destructive techniques applied to structural health monitoring. Although modal domain use is convention, spectral domain data is by nature more complete in information and requires less manipulation. The use of spectral-domain measurements brings the need to develop new damage detection indicators, as much of the literature existing is focused on modal derived damage indicators. In this work, an integrated methodology for the evaluation of some spectral domain vibration based indicators for structural health monitoring is proposed. These indicators, namely the CFDAC and SCIs, are based on the correlation between covariance matrices of frequency response functions obtained from experimental modal analysis. An extensive numerical campaign is performed on a simple structure (consisting on a 1-edge clamped square aluminium plate) over multiple structural alteration scenarios to assess the sensibility and stability of the proposed indexes in front of common acquisition parameters. The ability of the proposed indicators to assess structural alteration progression is also evaluated. This numerical analysis is used as well to observe the relationship between proposed indicators and the residual stiffness of the simple structure evaluated in terms of relative shift from the pristine condition. Finally, the numerical methodology proposed is applied to a different and more complex typology of structure, a 3d latticed and downscaled power transmission tower to investigate the validity of the methodology for other structural configurations. Some of the cases studied in the numeric campaign are later reproduced in experimental scenarios using two specimens of aluminium plates and a downscaled prototype of a power transmission tower. Stability analysis on the indicators are reproduced and confirmed. For the aluminium plates, the relationship between indicators and residual stiffness is also obtained, showing close agreement with numerical data. Sensibility of the indicators to detect different damage typologies is found to be very similar to the one obtained in the initial numerical analysis. Results for the downscaled prototype model tower shown more dispersion than the results observed in the numerical investigation due to the influence of the boundary conditions in the model. The research finally applies the structural damage alteration indexes studied to the detection of degradation in a real scale structure in an operational environment. An installation consisting of 3 full-scale medium-voltage power transmission towers is constructed. An experimental modal analysis campaign is performed on the central tower of the installation by introducing a series of intentionally made structural alterations on the structure. Spectral indicators developed are applied to the detection of those structural modifications with noticeable success. Cases involving changes in the structural components of the tower are successfully detected. Changes in the interface between power lines and their supports of the tower are hardly noticeable using this methodology. Results of this investigation show that spectral domain damage indicators present some advantages over modal domain and temporal domain based indicators such as convenient condensing procedures without loss of information through the Fourier transform, added post-process simplicity and enhanced sensitivity to degradation that state of the art indexes.Es coneix com monitorització de la salut estructural a l'adquisició, validació i anàlisis de dades tècniques que faciliten la presa de decisions al llarg del cicle de vida d'un sistema. Aquesta tecnologia és resultat de la convergència tecnològica d'altres disciplines, com la monitorització operacional per màquines rotatòries i les tècniques d'assaig no destructiu. Els mètodes d'assaig basats en vibracions presenten el major grau de maduresa d'entre totes elles. Malgrat que la pràctica industrial sovint usa informació condensada en el domini modal, les dades en domini espectral son per naturalesa més completes i requereixen de menys post-procés. La utilització del domini espectral requereix desenvolupar nous indicadors d'alteració ja que la major part de la literatura existent se centra en indicadors basats en el domini modal. Es proposa una metodologia integrada per a la avaluació d'alguns indicadors d'alteració estructural en domini modal basats en vibració i aplicats a la monitorització de la salut estructural. Aquests indicadors, referits com a CFDAC i SCIs, estan basats en la correlació entre les matrius de covariància generades a partir de les funcions de resposta en freqüència obtingudes mitjançant anàlisi modal experimental. Es realitza una extensa campanya numèrica en una estructura senzilla (una placa d'alumini quadrada i encastada) a través d'una multitud d'estats estructuralment alterats per avaluar la sensibilitat i l'estabilitat dels indicadors enfront els paràmetres d?adquisició més comuns. En segon lloc, també s?avalua la capacitat dels indicadors per avaluar l'alteració estructural introduïda en cada cas. L'anàlisi numèrica s'utilitza a continuació per observar una possible relació entre els indicadors proposats i la rigidesa residual avaluada com a variació relativa respecte el seu valor intacte. Finalment, la metodologia numèric proposada s'aplica a una tipologia estructural diferent i més complexa, una estructura reticulada 3d que reprodueix una torre de transmissió d'energia elèctrica a escala per investigar la validesa de la metodologia en altres configuracions estructurals. Alguns dels casos estudiats a la campanya numèrica es reprodueixen experimentalment en un parell d?espècimens de placa d'alumini i en un prototip a escala de torre de transmissió elèctrica. Els anàlisis d'estabilitat numèrics sobre els indicadors es reprodueixen experimentalment, tot confirmant els resultats obtinguts. Per les plaques d'alumini, s'estudia la relació entre els indicadors i la rigidesa residual mostrant una correlació molt propera amb els resultats numèrics. La sensibilitat dels indicadors en la detecció de diferents tipologies de dany també s'observa molt similar als casos numèrics. Pere altra banda, els resultats experimentals sobre el prototip de torre a escala presenten més dispersió respecte a la corresponent campanya numèrica degut a la variabilitat en les condicions de contorn. Els indicadors proposats s'apliquen finalment en la detecció d'alteracions estructurals en una torre a escala real en condicions operacionals. Es construeix una línia que consisteix en tres torres de mitja tensió i s'executen anàlisis modals experimentals en la torre central de la mencionada instal·lació tot introduint una sèrie d'alteracions estructurals intencionals. Els indicadors espectrals presentats s'apliquen a la detecció de dites alteracions amb un èxit apreciable. Els casos que incorporen canvis en els membres de l'estructura son detectats amb èxit, mentre que la detecció en els casos que incorporen modificacions sobre les interfícies cable-estructura son més difusament detectables. Els resultats de la investigació mostren que els indicadors estructurals espectrals estudiats presenten algunes avantatges sobre els indicadors basats en domini com ara un procés de condensació més senzill sense pèrdua d'informació vibratòria (...

Numerical and experimental investigation of spectral domain vibration based indicators for structural health monitoring

Structural health monitoring has been defined as the acquisition, validation and analysis of technical data to facilitate life- cycle management decisions. It is the result of a convergent path from many previous existing disciplines the two most influential being condition monitoring for rotary machinery and non-destructive testing. Vibration based testing presents the greatest stage of maturity of all non-destructive techniques applied to structural health monitoring. Although modal domain use is convention, spectral domain data is by nature more complete in information and requires less manipulation. The use of spectral-domain measurements brings the need to develop new damage detection indicators, as much of the literature existing is focused on modal derived damage indicators. In this work, an integrated methodology for the evaluation of some spectral domain vibration based indicators for structural health monitoring is proposed. These indicators, namely the CFDAC and SCIs, are based on the correlation between covariance matrices of frequency response functions obtained from experimental modal analysis. An extensive numerical campaign is performed on a simple structure (consisting on a 1-edge clamped square aluminium plate) over multiple structural alteration scenarios to assess the sensibility and stability of the proposed indexes in front of common acquisition parameters. The ability of the proposed indicators to assess structural alteration progression is also evaluated. This numerical analysis is used as well to observe the relationship between proposed indicators and the residual stiffness of the simple structure evaluated in terms of relative shift from the pristine condition. Finally, the numerical methodology proposed is applied to a different and more complex typology of structure, a 3d latticed and downscaled power transmission tower to investigate the validity of the methodology for other structural configurations. Some of the cases studied in the numeric campaign are later reproduced in experimental scenarios using two specimens of aluminium plates and a downscaled prototype of a power transmission tower. Stability analysis on the indicators are reproduced and confirmed. For the aluminium plates, the relationship between indicators and residual stiffness is also obtained, showing close agreement with numerical data. Sensibility of the indicators to detect different damage typologies is found to be very similar to the one obtained in the initial numerical analysis. Results for the downscaled prototype model tower shown more dispersion than the results observed in the numerical investigation due to the influence of the boundary conditions in the model. The research finally applies the structural damage alteration indexes studied to the detection of degradation in a real scale structure in an operational environment. An installation consisting of 3 full-scale medium-voltage power transmission towers is constructed. An experimental modal analysis campaign is performed on the central tower of the installation by introducing a series of intentionally made structural alterations on the structure. Spectral indicators developed are applied to the detection of those structural modifications with noticeable success. Cases involving changes in the structural components of the tower are successfully detected. Changes in the interface between power lines and their supports of the tower are hardly noticeable using this methodology. Results of this investigation show that spectral domain damage indicators present some advantages over modal domain and temporal domain based indicators such as convenient condensing procedures without loss of information through the Fourier transform, added post-process simplicity and enhanced sensitivity to degradation that state of the art indexes.Es coneix com monitorització de la salut estructural a l'adquisició, validació i anàlisis de dades tècniques que faciliten la presa de decisions al llarg del cicle de vida d'un sistema. Aquesta tecnologia és resultat de la convergència tecnològica d'altres disciplines, com la monitorització operacional per màquines rotatòries i les tècniques d'assaig no destructiu. Els mètodes d'assaig basats en vibracions presenten el major grau de maduresa d'entre totes elles. Malgrat que la pràctica industrial sovint usa informació condensada en el domini modal, les dades en domini espectral son per naturalesa més completes i requereixen de menys post-procés. La utilització del domini espectral requereix desenvolupar nous indicadors d'alteració ja que la major part de la literatura existent se centra en indicadors basats en el domini modal. Es proposa una metodologia integrada per a la avaluació d'alguns indicadors d'alteració estructural en domini modal basats en vibració i aplicats a la monitorització de la salut estructural. Aquests indicadors, referits com a CFDAC i SCIs, estan basats en la correlació entre les matrius de covariància generades a partir de les funcions de resposta en freqüència obtingudes mitjançant anàlisi modal experimental. Es realitza una extensa campanya numèrica en una estructura senzilla (una placa d'alumini quadrada i encastada) a través d'una multitud d'estats estructuralment alterats per avaluar la sensibilitat i l'estabilitat dels indicadors enfront els paràmetres d?adquisició més comuns. En segon lloc, també s?avalua la capacitat dels indicadors per avaluar l'alteració estructural introduïda en cada cas. L'anàlisi numèrica s'utilitza a continuació per observar una possible relació entre els indicadors proposats i la rigidesa residual avaluada com a variació relativa respecte el seu valor intacte. Finalment, la metodologia numèric proposada s'aplica a una tipologia estructural diferent i més complexa, una estructura reticulada 3d que reprodueix una torre de transmissió d'energia elèctrica a escala per investigar la validesa de la metodologia en altres configuracions estructurals. Alguns dels casos estudiats a la campanya numèrica es reprodueixen experimentalment en un parell d?espècimens de placa d'alumini i en un prototip a escala de torre de transmissió elèctrica. Els anàlisis d'estabilitat numèrics sobre els indicadors es reprodueixen experimentalment, tot confirmant els resultats obtinguts. Per les plaques d'alumini, s'estudia la relació entre els indicadors i la rigidesa residual mostrant una correlació molt propera amb els resultats numèrics. La sensibilitat dels indicadors en la detecció de diferents tipologies de dany també s'observa molt similar als casos numèrics. Pere altra banda, els resultats experimentals sobre el prototip de torre a escala presenten més dispersió respecte a la corresponent campanya numèrica degut a la variabilitat en les condicions de contorn. Els indicadors proposats s'apliquen finalment en la detecció d'alteracions estructurals en una torre a escala real en condicions operacionals. Es construeix una línia que consisteix en tres torres de mitja tensió i s'executen anàlisis modals experimentals en la torre central de la mencionada instal·lació tot introduint una sèrie d'alteracions estructurals intencionals. Els indicadors espectrals presentats s'apliquen a la detecció de dites alteracions amb un èxit apreciable. Els casos que incorporen canvis en els membres de l'estructura son detectats amb èxit, mentre que la detecció en els casos que incorporen modificacions sobre les interfícies cable-estructura son més difusament detectables. Els resultats de la investigació mostren que els indicadors estructurals espectrals estudiats presenten algunes avantatges sobre els indicadors basats en domini com ara un procés de condensació més senzill sense pèrdua d'informació vibratòria (...)Postprint (published version

Probabilistic Multi-Objective Inverse Analysis for Damage Identification Using Piezoelectric Impedance Measurement Under Uncertainties

Piezoelectric impedance sensing is promising for highly accurate damage identification because of its high-frequency active interrogative nature and simplicity in data acquisition. To fully unleash the potential, effective inverse analysis is needed in order to pinpoint the damage location and identify the severity. The inverse analysis, however, may be underdetermined since there exists a very large number of unknowns (i.e., locations and severity levels) to be solved in a finite element model but only limited measurements are available in actual practice. To uncover the true damage scenario, an inverse analysis strategy built upon the multi-objective optimization, which aims at matching the multiple sets of measurements with model predictions in the damage parametric space, can be formulated to identify a small set of solutions. This solution set then allows the incorporation of empirical knowledge to facilitate final decision-making. The main disadvantage of the conventional inverse analysis strategy is that it overlooks uncertainties that exist in both baseline structural modeling and actual measurements. To address this, in this research, we formulate a probabilistic multi-objective optimization-based inverse analysis framework, which is fundamentally built upon the differential evolution Markov chain Monte Carlo (DEMC) technique. The new approach can yield the Pareto optimal set (solutions) and the respective Pareto front, which are represented in a probabilistic sense to account for uncertainties. Comprehensive case studies with experimental investigations are conducted to demonstrate the effectiveness of this new approach

Weight optimization of steel lattice transmission towers based on Differential Evolution and machine learning classification technique

Transmission towers are tall structures used to support overhead power lines. They play an important role in the electrical grids. There are several types of transmission towers in which lattice towers are the most common type. Designing steel lattice transmission towers is a challenging task for structural engineers due to a large number of members. Therefore, discovering effective ways to design lattice towers has attracted the interest of researchers. This paper presents a method that integrates Differential Evolution (DE), a powerful optimization algorithm, and a machine learning classification model to minimize the weight of steel lattice towers. A classification model based on the Adaptive Boosting algorithm is developed in order to eliminate unpromising candidates during the optimization process. A feature handling technique is also introduced to improve the model quality. An illustrated example of a 160-bar tower is conducted to demonstrate the efficiency of the proposed method. The results show that the application of the Adaptive Boosting model saves about 38% of the structural analyses. As a result, the proposed method is 1.5 times faster than the original DE algorithm. In comparison with other algorithms, the proposed method obtains the same optimal weight with the least number of structural analyses

Experimental and Novel Analytic Results for Couplings in Ordered Submicroscopic Systems: from Optomechanics to Thermomechanics

Theoretical modelling of challenging multiscale problems arising in complex (and sometimes bioinspired) solids are presented. Such activities are supported by analytical, numerical and experimental studies. For instance, this is the case for studying the response of hierarchical and nano-composites, nanostructured solid/semi-fluid membranes, polymeric nanocomposites, to electromagnetic, mechanical, thermal, and sometimes biological, electrical, and chemical agents. Such actions are notoriously important for sensors, polymeric films, artificial muscles, cell membranes, metamaterials, hierarchical composite interfaces and other novel class of materials. The main purpose of this project is to make significant advancements in the study of such composites, with a focus on the electromagnetic and mechanical performances of the mentioned structures, with particular regards to novel concept devices for sensing. These latter ones have been studied with different configuration, from 3D colloidal to 2D quasi-hemispherical micro voids elastomeric grating as strain sensors. Exhibited time-rate dependent behavior and structural phenomena induced by the nano/micro-structure and their adaptation to the applied actions, have been explored. Such, and similar, ordered submicroscopic systems undergoing thermal and mechanical stimuli often exhibit an anomalous response. Indeed, they neither follow Fourier’s law for heat transport nor their mechanical time-dependent behavior exhibiting classical hereditariness. Such features are known both for natural and artificial materials, such as bone, lipid membranes, metallic and polymeric “spongy” composites (like foams) and many others. Strong efforts have been made in the last years to scale-up the thermal, mechanical and micro-fluidic properties of such solids, to the extent of understanding their effective bulk and interface features. The analysis of the physical grounds highlighted above has led to findings that allow the describing of those materials’ effective characteristics through their fractional-order response. Fractional-order frameworks have also been employed in analyzing heat transfer to the extent of generalizing the classical Fourier and Cattaneo transport equations and also for studying consolidation phenomenon. Overall, the research outcomes have fulfilled all the research objectives of this thesis thanks to the strong interconnection between several disciplines, ranging from mechanics to physics, from structural health monitoring to chemistry, both from an analytical and numerical point of view to the experimental one