Vibration-based damage localisation: Impulse response identification and model updating methods

Structural health monitoring has gained more and more interest over the recent decades. As the technology has matured and monitoring systems are employed commercially, the development of more powerful and precise methods is the logical next step in this field. Especially vibration sensor networks with few measurement points combined with utilisation of ambient vibration sources are attractive for practical applications, as this approach promises to be cost-effective while requiring minimal modification to the monitored structures. Since efficient methods for damage detection have already been developed for such sensor networks, the research focus shifts towards extracting more information from the measurement data, in particular to the localisation and quantification of damage. Two main concepts have produced promising results for damage localisation. The first approach involves a mechanical model of the structure, which is used in a model updating scheme to find the damaged areas of the structure. Second, there is a purely data-driven approach, which relies on residuals of vibration estimations to find regions where damage is probable. While much research has been conducted following these two concepts, different approaches are rarely directly compared using the same data sets. Therefore, this thesis presents advanced methods for vibration-based damage localisation using model updating as well as a data-driven method and provides a direct comparison using the same vibration measurement data. The model updating approach presented in this thesis relies on multiobjective optimisation. Hence, the applied numerical optimisation algorithms are presented first. On this basis, the model updating parameterisation and objective function formulation is developed. The data-driven approach employs residuals from vibration estimations obtained using multiple-input finite impulse response filters. Both approaches are then verified using a simulated cantilever beam considering multiple damage scenarios. Finally, experimentally obtained data from an outdoor girder mast structure is used to validate the approaches. In summary, this thesis provides an assessment of model updating and residual-based damage localisation by means of verification and validation cases. It is found that the residual-based method exhibits numerical performance sufficient for real-time applications while providing a high sensitivity towards damage. However, the localisation accuracy is found to be superior using the model updating method

Damage detection in multi-layered plates using ultrasonic guided waves

This thesis investigates ultrasonic guided waves (GW) in multi-layered plates with the focus on higher order modes. The aim is to develop techniques for hybrid structures such as of adhesive bonds and composite pressure vessels (COPV) which are widely used in automotive and aerospace industries and are still challenging to inspect non-destructively. To be able to analyse GW, numerical methods and precise material properties are required. For this purpose, an efficient semi-analytical approach, the Scaled Boundary Finite Element Method, is used. The material properties are inferred by a GW-based optimisation procedure and a sensitivity study is performed to demonstrate the influence of properties on GW. Then, an interesting feature, called mode repulsion, is investigated with respect to weak and strong adhesive bonds. The results show that the coupling between two layers influences the distance between coupled modes in a mode repulsion region, thus allowing for the characterisation of adhesive bonds. At next, wave-damage interaction is studied in the hybrid structure as of the COPV. Results show that the wave energy can be concentrated in a certain layer enabling damage localisation within different layers. Further investigations are carried out on the hybrid plate with an impact-induced damage. Two well-known wavenumber mapping techniques, which allow to quantify the damage in three dimensions, are implemented and their comparison is done for the first time.In dieser Arbeit werden geführte Ultraschallwellen (GUW) in mehrschichtigen Platten untersucht, wobei der Schwerpunkt auf Moden höherer Ordnung liegt. Ziel ist die Entwicklung von zerstörungsfreien Prüfmethoden für hybride Strukturen wie Klebeverbindungen und Komposit-Druckbehälter, die in Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet sind und deren Prüfung immer noch eine Herausforderung darstellt. Für die GUW-Analyse werden numerische Methoden und präzise Materialeigenschaften benötigt. Hier wird die Scaled Boundary Finite Element Methode verwendet und die Materialeigenschaften werden durch ein GUW-basiertes Optimierungsverfahren hergeleitet. Um den Einfluss der Eigenschaften auf GUW zu analysieren wird eine Sensitivitätsstudie durchgeführt. Anschließend wird vermiedene Kreuzung in Bezug auf schwache und starke Klebeverbindungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kopplungsstärke den Abstand zwischen gekoppelten Moden in einer vermiedenen Kreuzung beeinflusst und somit eine Charakterisierung von Klebeverbindungen ermöglicht. Als Nächstes wird dieWechselwirkung zwischen GUW und Schaden in einer Hybridstruktur wie beim Komposit-Druckbehälter untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wellenenergie in einer bestimmten Schicht konzentriert werden kann. Damit wird die Schadenslokalisierung in dieser Schicht ermöglicht. Weiter wird die Quantifizierung der Impakt-Schäden in der Hybridplatte angestrebt, die durch Erstellung einer Wellenzahlkarte erfolgt

Zustandsorientierte Instandhaltung und Teleservice für Schüttgut-Materialflusssysteme

Condition based maintenance, teleservice, materials handling equipmentMagdeburg, Univ., Fak. für Maschinenbau, Diss., 2002von Sergiy Alexandrovitsh Kaverynsky

Externe Vorspannung: Theoretische und experimentelle Untersuchung von Feldumlenkstellen (Feldlisenen) bei externer Vorspannung in Hohlkastenbrücken

Mit der vorliegenden Arbeit soll ein Beitrag geleistet werden, die lokalen Tragmechanismen eines Brückenhohlkastens im Bereich der Feldumlenkstellen (Feldlisenen) zu untersuchen und zu optimieren. Beim Entwurf einer Brücke gewinnt die Frage der Dauerhaftigkeit u.a. in Deutschland und der Schweiz eine immer zentralere und grössere Bedeutung. Dadurch können die laufenden Kosten reduziert werden, während ausserhalb dieser beiden Länder im Allgemeinen mehr Gewicht auf die rationelle Fertigung und die Kostenersparnis in der Bauphase gelegt werden. Die Dauerhaftigkeit von extern vorgespannten Brücken mit ihren relativ geringen Wartungs- und Unterhalts- bzw. Instandstellungskosten sind das Hauptargument für diese Bauweise. Bei Vorspannung ohne Verbund sind für externe Spannglieder grössere Verankerungskonstruktionen erforderlich, weil die Spannglieder nicht im Steg selbst, sondern mit einem Mindestabstand zum Steg in Lisenen vorgespannt werden müssen. Über diese Verankerungsstellen werden in Hohlkastenbrücken grosse Kräfte konzentriert in die Stege, Boden- und Fahrbahnplatten eingeleitet. Im Sinne von Gewichtsreduktion des Brückenbauwerks sollen die Feldlisenen möglichst schlank und Platz sparend ausgeführt werden. Nur durch eine sorgfältige Bemessung und Konstruktion der Verankerungs- und Umlenkstellen kann die Voraussetzung für sichere und dauerhafte Brückenbauwerke gewährleistet werden. Die Bruchsicherheit ist dadurch nicht beeinträchtigt. Von grösstem Interesse ist jedoch die Gebrauchstauglichkeit, das heisst die Rissbreiten mit Rücksicht auf Korrosionsschäden in der Bewehrung. Bei den ersten in Deutschland extern vorgespannten Brücken schlug Prof. Eibl für den Stahl III vor, die Spannungen von 240 N/mm2 auf 220 N/mm2 zu begrenzen. In der Richtlinie für externe Vorspannung von 1998 wurden die Spannungen weiter auf 180 N/mm2 reduziert. Um eine unkontrollierte Rissbildung in den hoch bewehrten Verankerungskonstruktionen zu verhindern, sind genaue Kenntnisse der Kraftflüsse und für die Praxis taugliche Bemessungsmodelle notwendig. Die Geometrie und die statische Berechnung der gewählten Umlenkkonstruktion müssen entsprechend gewichtet werden. In dieser Arbeit werden an zwei Vergleichsmodellen die lokalen Tragmechanismen einer extern vorgespannten Hohlkastenbrücke im Bereich der Feldumlenkstelle (Feldlisene) untersucht. Mit linear-elastischen und nichtlinearen numerischen Berechnungen wird abgeklärt, ob unter dem Ansatz einer Spannungserhöhung im Bewehrungsstahl auf 285 N/mm2, die Gebrauchstauglichkeit noch gewährleistet werden kann. Den Berechnungen wird eine Krafteinleitung von 2 x 3 MN mit Umlenkkräften von 4 x 0,64 MN zu Grunde gelegt. Die Berechnungen zeigen, dass das Ziel, mit einer Bewehrung von As = 3,35 % m2/m unter Gebrauchslasten keine Rissbreiten über 0,2 mm auftreten, erreicht werden kann. Die Berechnungen werden zudem an einem Brückenmodell im Massstab 1:1 in einem Belastungsversuch an der Empa in Dübendorf auf ihre Aussagekraft und Richtigkeit überprüft und bestätigt.This present work which is aimed at contributing to local carrying mechanisms of a bridging box girder in the field of belt reversals, should be investigated and optimized. In designing a bridge the main concern is that of durability; especially in Germany and Switzerland, this is invariably acquiring a more central meaning. In this way recurring expenses can be reduced, whilst beyond these two countries in general more weight is laid on the rational manufacture and cost saving in the construction phases. The durability of externally pre-stressed bridges with their relatively low maintenance and service as well as repair costs are the main arguments for this method of construction. Larger anchorage construction is necessary for pre-tensioning external tensions. This is because the tensions are themselves not placed on the ligament itself, but must be pre-stressed in pilaster strips with a minimum distance. Over these anchorage locations immense energy is concentrated in the large box girder bridges, and thus induced in the ligament, ground and track supporting layers. As far as weight reduction of the bridging structure is concerned, the field pilaster strips should be designed as thin as possible and also be able to save space. Only through careful measuring and construction of the anchor and turning points can the requirements for safe and lasting bridge construction works be guaranteed. The bridge safety is thus not affected. However, the greatest interest is that of userfriendliness, i.e. the width of the fissure with consideration of corrosion damages in the armouring. At the first external pre-stressed bridge in Germany, Prof. Eibl suggested that for the steel III, stressing of 240/Nmm2 should be limited to 220 N/mm2. In the guideline for external pre-stressing of 1998, the tensions were further reduced to 180 N/mm2. In order to prevent an uncontrolled crack formation in the highly armoured anchorage construction, concrete knowledge of the distribution of forces for the applicable measurement models is necessary. The geometry and the statistical calculation of the selected deflect construction must be weighed accordingly. In this project two comparative models were inspected, which tested the local load mechanism of an external pre-stressed box girder bridge in the field redirecting area. With linear elasticity and numerical calculations it is possible to clarify if the serviceability can be allowed under the accretion of a stress increase in the armouring steel to 285 N/mm2. The calculations are based on a load transmission of 2 x 3 MN with a deviation force of 4 x 0,64 MN. The calculations will have a force transmission of 2 x 3 MN with turning forces of 4 x 0.64 MN forming the basis. The calculations portray that the goal to avoid any fissures over 0,2 mm can be achieved, with an armoring of As = 3,35 % m2/m under the service load. Additionally, the calculations will be assessed of their validity and accuracy on a scale of 1:1 in a loading test at the EMPA (the Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research) in Dübendorf and be therefore confirmed

Exemplary investigation of structural health monitoring methods on a bridge

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einer beispielhaften Untersuchung zum Einsatz von Monitoringmethoden an einer Brücke. Messtechnikgestützte Überwachungsstrategien bieten die Möglichkeit die Zuverlässigkeit der derzeit rein visuell stattfindenden Brückeninspektion in Deutschland nachhaltig zu verbessern. Im Rahmen der Arbeit wird das globale Monitoringkonzept erörtert und an einem Anwendungsbeispiel umgesetzt. Dabei werden gesamtheitliche Brückenverformungen und -schwingungen zur Identifizierung von Strukturveränderungen infolge Schäden in Betracht gezogen. Als Testobjekt diente eine Straßenbrücke, die ersetzt und abgerissen wurde. Kurz vor dem Brückenabriss konnten realitätsnahe Schädigungsszenen ins Tragwerk eingebracht werden. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Klärung der physikalischen nichtlinearen Beeinflussung der charakteristischen Eigenfrequenzen von Stahlbeton-, Spannbeton- bzw. Verbundbrücken infolge klimatischer Temperatureinwirkung. Die Temperaturen modifizieren die Monitoringparameter. Der Umfang dieser Veränderungen kann dabei das Maß von schädigungsinduzierten Frequenzverschiebungen erreichen. Aus diesem Grund bildet die eindeutige Interpretierbarkeit des Temperatureinflusses auf die global überwachten Monitoringparameter die Basis einer zuverlässigen Zustandsüberwachung. Aus den Ergebnissen der Schädigungstests geht hervor, dass unter Anwendung geeigneter Messtechniken und moderner Auswertealgorithmen Schädigungen frühzeitig erkannt werden können. Die Kombination von verschiedenartigen Überwachungskenngrößen zeigt sich als effektiv und zuverlässigkeitssteigernd.The determination of bridge’s health condition by using global structural monitoring systems is the main topic of this work. Surveilling strategies based on measurements offer the possibility to improve the reliability of visual bridge inspections. The global monitoring concept is discussed and proofed on a real bridge structure. The deflection and vibration behavior was monitored during damage tests. An old bridge that had to be replaced was used as a test object. Before the pulldown of the bridge, realistic damage scenarios were indicated in the structure. The changes to the monitored parameters due to the damage cases were analysed. Another main topic was based on the answers to the questions how thermal effects could change the monitored modal parameters and how to separate these natural influences from damage events. The quantity of thermal-based changes of the modal parameters can reach the expected modal shifts due to structural damages. To obtain a reliable monitoring system it’s necessary to identify the physical and mechanical reasons of the mentioned thermal influences. The results of the damage tests show that all simulated damages could be identified by the global monitoring concept. The combination of different structural characteristics as monitoring parameter leads to an improved damage identification process