Non-destructive evaluation tool for monitoring and detection of structural damage by using neural network.

This work studies the capability of generalization of Neural Network using vibration based measurement data aiming at operating condition and health monitoring of mechanical systems. The procedure uses the backpropagation algorithm to classify the input patters of a system with different stiffness ratios. It has been investigated a large set of input data, containing various stiffness ratios as well as a reduced set containing only the extreme ones in order to study generalizing capability of the network. This allows to definition of Neural Networks capable to use a reduced set of data during the training phase. Once it is successfully trained, it could identify intermediate failure condition. Several conditions and intensities of damages have been studied by using numerical data. The Neural Network demonstrated a good capacity of generalization for all case. Finally, the proposal was tested with experimental data.

Structural damage detection by fuzzy clustering

The development of strategies for structural health monitoring (SHM) has become increasingly important because of the necessity of preventing undesirable damage. This paper describes an approach to this problem using vibration data. It involves a three-stage process: reduction of the time-series data using principle component analysis (PCA), the development of a data-based model using an auto-regressive moving average (ARMA) model using data from an undamaged structure, and the classification of whether or not the structure is damaged using a fuzzy clustering approach. The approach is applied to data from a benchmark structure from Los Alamos National Laboratory, USA. Two fuzzy clustering algorithms are compared: fuzzy c-means (FCM) and Gustafson-Kessel (GK) algorithms. It is shown that while both fuzzy clustering algorithms are effective, the GK algorithm marginally outperforms the FCM algorithm. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Damage detection in nonlinear structures using discrete-time volterra series

Structural damage identification is basically a nonlinear phenomenon; however, nonlinear procedures are not used currently in practical applications due to the complexity and difficulty for implementation of such techniques. Therefore, the development of techniques that consider the nonlinear behavior of structures for damage detection is a research of major importance since nonlinear dynamical effects can be erroneously treated as damage in the structure by classical metrics. This paper proposes the discrete-time Volterra series for modeling the nonlinear convolution between the input and output signals in a benchmark nonlinear system. The prediction error of the model in an unknown structural condition is compared with the values of the reference structure in healthy condition for evaluating the method of damage detection. Since the Volterra series separate the response of the system in linear and nonlinear contributions, these indexes are used to show the importance of considering the nonlinear behavior of the structure. The paper concludes pointing out the main advantages and drawbacks of this damage detection methodology. © (2013) Trans Tech Publications.

Structural damage detection in an aeronautical panel using analysis of variance

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Severe structural damage of the seemingly non-diseased infrarenal aortic aneurysm neck

OBJECTIVE: The success of open and endovascular repair of abdominal aortic aneurysms (AAA) is hampered by postoperative dilatation of the anatomical neck of the AAA, which is used for graft attachment. The purpose of this study was to determine whether the macroscopically non-diseased infrarenal aortic neck of AAA is histologically and biochemically altered at the time of operative repair. METHODS: We harvested full-thickness aortic wall samples as longitudinal stripes spanning from AAA neck to aneurysmal sac in 22 consecutive patients undergoing open surgical AAA repair. Control tissue was obtained from five organ donors and five deceased subjects undergoing autopsy without evidence of aneurysmal disease. We assessed aortic media thickness, number of intact elastic lamellar units, media destruction, and neovascularization grade and performed immunohistochemistry for matrix metalloproteinase (MMP)-9 and phosphorylated c-Jun N-terminal kinase (p-JNK). MMP-9 and p-JNK protein expressions were quantified using Western Blots. RESULTS: The median thickness of the aortic media was 1150 mum in control tissue (range, 1000-1300), 510 mum in aortic necks (250-900), and 200 mum in aortic sacs (50-500, P from nonparametric test for trend <.001). The number of intact elastic lamellar units was 33 in controls (range, 33-55), 12 in aortic necks (0-31) and three in aortic sacs (0-10, P < .001). The expression of MMP-9 and p-JNK as assessed by Western Blots (P = .007 and .061, respectively) and zymography (P for trend <.001) were up regulated in both the AAA neck and sac compared with controls. Except for p-JNK expression, differences between tissues were similar after the adjustment for age, gender, and type of sampling. CONCLUSION: The seemingly non-diseased infrarenal AAA neck in patients with AAA undergoing surgical repair shows histological signs of destruction and upregulation of potential drug targets.

Inhibition of ErbB2 by receptor tyrosine kinase inhibitors causes myofibrillar structural damage without cell death in adult rat cardiomyocytes

Inhibition of ErbB2 (HER2) with monoclonal antibodies, an effective therapy in some forms of breast cancer, is associated with cardiotoxicity, the pathophysiology of which is poorly understood. Recent data suggest, that dual inhibition of ErbB1 (EGFR) and ErbB2 signaling is more efficient in cancer therapy, however, cardiac safety of this therapeutic approach is unknown. We therefore tested an ErbB1-(CGP059326) and an ErbB1/ErbB2-(PKI166) tyrosine kinase inhibitor in an in-vitro system of adult rat ventricular cardiomyocytes and assessed their effects on 1. cell viability, 2. myofibrillar structure, 3. contractile function, and 4. MAPK- and Akt-signaling alone or in combination with Doxorubicin. Neither CGP nor PKI induced cardiomyocyte necrosis or apoptosis. PKI but not CGP caused myofibrillar structural damage that was additive to that induced by Doxorubicin at clinically relevant doses. These changes were associated with an inhibition of excitation-contraction coupling. PKI but not CGP decreased p-Erk1/2, suggesting a role for this MAP-kinase signaling pathway in the maintenance of myofibrils. These data indicate that the ErbB2 signaling pathway is critical for the maintenance of myofibrillar structure and function. Clinical studies using ErbB2-targeted inhibitors for the treatment of cancer should be designed to include careful monitoring for cardiac dysfunction.

Structural damage estimation using dynamic data and multi-objective optimization

Peer reviewed

Updating of Finite Element Models using static and dynamic optical strains with application to damage assessment

In the recent years, vibration-based structural damage identification has been subject of significant research in structural engineering. The basic idea of vibration-based methods is that damage induces mechanical properties changes that cause anomalies in the dynamic response of the structure, which measures allow to localize damage and its extension. Vibration measured data, such as frequencies and mode shapes, can be used in the Finite Element Model Updating in order to adjust structural parameters sensible at damage (e.g. Young’s Modulus). The novel aspect of this thesis is the introduction into the objective function of accurate measures of strains mode shapes, evaluated through FBG sensors. After a review of the relevant literature, the case of study, i.e. an irregular prestressed concrete beam destined for roofing of industrial structures, will be presented. The mathematical model was built through FE models, studying static and dynamic behaviour of the element. Another analytical model was developed, based on the ‘Ritz method’, in order to investigate the possible interaction between the RC beam and the steel supporting table used for testing. Experimental data, recorded through the contemporary use of different measurement techniques (optical fibers, accelerometers, LVDTs) were compared whit theoretical data, allowing to detect the best model, for which have been outlined the settings for the updating procedure.

Exploring isospectral cantilever beams using electromagnetism inspired optimization technique

Isospectral beams have identical free vibration frequency spectrum for a specific boundary condition. The problem of finding non-uniform beams which are isospectral to a given uniform beam, with fixed-free boundary condition, leads to a multimodal optimization problem. The first Q natural frequencies of the given uniform Euler-Bernoulli beam are determined using analytical solution. The first Q natural frequencies of a non-uniform beam are obtained with the help of finite element modeling. In order to obtain the non-uniform beams isospectral to a given uniform beam, an error function is designed, which calculates the difference between the spectra of the given uniform beam and the non-uniform beam. In our study, this error function is minimized using electromagnetism inspired optimization technique, a population based iterative algorithm inspired by the attraction-repulsion physics of electromagnetism. Numerical results show the existence of the isospectral non-uniform beams for a given uniform beam, which occur as local minima. Non-uniform beams isospectral to a damaged beam, are also explored using the proposed methodology to illustrate the fact that accurate structural damage identification is difficult by just frequency measurements. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Identificação de danos estruturais via método de Monte Carlo com cadeias de Markov

O presente trabalho apresenta um estudo referente à aplicação da abordagem Bayesiana como técnica de solução do problema inverso de identificação de danos estruturais, onde a integridade da estrutura é continuamente descrita por um parâmetro estrutural denominado parâmetro de coesão. A estrutura escolhida para análise é uma viga simplesmente apoiada do tipo Euler-Bernoulli. A identificação de danos é baseada em alterações na resposta impulsiva da estrutura, provocadas pela presença dos mesmos. O problema direto é resolvido através do Método de Elementos Finitos (MEF), que, por sua vez, é parametrizado pelo parâmetro de coesão da estrutura. O problema de identificação de danos é formulado como um problema inverso, cuja solução, do ponto de vista Bayesiano, é uma distribuição de probabilidade a posteriori para cada parâmetro de coesão da estrutura, obtida utilizando-se a metodologia de amostragem de Monte Carlo com Cadeia de Markov. As incertezas inerentes aos dados medidos serão contempladas na função de verossimilhança. Três estratégias de solução são apresentadas. Na Estratégia 1, os parâmetros de coesão da estrutura são amostrados de funções densidade de probabilidade a posteriori que possuem o mesmo desvio padrão. Na Estratégia 2, após uma análise prévia do processo de identificação de danos, determina-se regiões da viga potencialmente danificadas e os parâmetros de coesão associados à essas regiões são amostrados a partir de funções de densidade de probabilidade a posteriori que possuem desvios diferenciados. Na Estratégia 3, após uma análise prévia do processo de identificação de danos, apenas os parâmetros associados às regiões identificadas como potencialmente danificadas são atualizados. Um conjunto de resultados numéricos é apresentado levando-se em consideração diferentes níveis de ruído para as três estratégias de solução apresentadas.

Aperfeiçoamento do algoritmo algébrico sequencial para a identificação de variações abruptas de impedância acústica via otimização

Neste trabalho são utilizados a técnica baseada na propagação de ondas acústicas e o método de otimização estocástica Luus-Jaakola (LJ) para solucionar o problema inverso relacionado à identificação de danos em barras. São apresentados o algoritmo algébrico sequencial (AAS) e o algoritmo algébrico sequencial aperfeiçoado (AASA) que modelam o problema direto de propagação de ondas acústicas em uma barra. O AASA consiste nas modificações introduzidas no AAS. O uso do AASA resolve com vantagens o problema de identificação de danos com variações abruptas de impedância. Neste trabalho são obtidos, usando-se o AAS-LJ e o AASA-LJ, os resultados de identificação de cinco cenários de danos. Três deles com perfil suave de impedância acústica generalizada e os outros dois abruptos. Além disso, com o objetivo de simular sinais reais de um experimento, foram introduzidos variados níveis de ruído. Os resultados alcançados mostram que o uso do AASA-LJ na resolução de problemas de identificação de danos em barras é bastante promissor, superando o AAS-LJ para perfis abruptos de impedância.

Identificação de danos estruturais utilizando dados no domínio do tempo provenientes de ensaios de vibração

O presente trabalho aborda o problema de identificação de danos em uma estrutura a partir de sua resposta impulsiva. No modelo adotado, a integridade estrutural é continuamente descrita por um parâmetro de coesão. Sendo assim, o Modelo de Elementos Finitos (MEF) é utilizado para discretizar tanto o campo de deslocamentos, quanto o campo de coesão. O problema de identificação de danos é, então, definido como um problema de otimização, cujo objetivo é minimizar, em relação a um vetor de parâmetros nodais de coesão, um funcional definido a partir da diferença entre a resposta impulsiva experimental e a correspondente resposta prevista por um MEF da estrutura. A identificação de danos estruturais baseadas no domínio do tempo apresenta como vantagens a aplicabilidade em sistemas lineares e/ou com elevados níveis de amortecimento, além de apresentar uma elevada sensibilidade à presença de pequenos danos. Estudos numéricos foram realizados considerando-se um modelo de viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada. Para a determinação do posicionamento ótimo do sensor de deslocamento e do número de pontos da resposta impulsiva, a serem utilizados no processo de identificação de danos, foi considerado o Projeto Ótimo de Experimentos. A posição do sensor e o número de pontos foram determinados segundo o critério D-ótimo. Outros critérios complementares foram também analisados. Uma análise da sensibilidade foi realizada com o intuito de identificar as regiões da estrutura onde a resposta é mais sensível à presença de um dano em um estágio inicial. Para a resolução do problema inverso de identificação de danos foram considerados os métodos de otimização Evolução Diferencial e Levenberg-Marquardt. Simulações numéricas, considerando-se dados corrompidos com ruído aditivo, foram realizadas com o intuito de avaliar a potencialidade da metodologia de identificação de danos, assim como a influência da posição do sensor e do número de dados considerados no processo de identificação. Com os resultados obtidos, percebe-se que o Projeto Ótimo de Experimentos é de fundamental importância para a identificação de danos.

Identificação de danos estruturais a partir do modelo de superfície de resposta

A identificação de danos estruturais é uma questão de fundamental importância na engenharia, visto que uma estrutura está sujeita a processos de deterioração e a ocorrência de danos durante a sua vida útil. A presença de danos compromete o desempenho e a integridade estrutural, podendo colocar vidas humanas em risco e resultam em perdas econômicas consideráveis. Técnicas de identificação de danos estruturais e monitoramento de estruturas fundamentadas no ajuste de um Modelo de Elementos Finitos (MEF) são constantes na literatura especializada. No entanto, a obtenção de um problema geralmente mal posto e o elevado custo computacional, inerente a essas técnicas, limitam ou até mesmo inviabilizam a sua aplicabilidade em estruturas que demandam um modelo de ordem elevada. Para contornar essas dificuldades, na formulação do problema de identificação de danos, pode-se utilizar o Modelo de Superfície de Reposta (MSR) em substituição a um MEF da estrutura. No presente trabalho, a identificação de danos estruturais considera o ajuste de um MSR da estrutura, objetivando-se a minimização de uma função de erro definida a partir das frequências naturais experimentais e das correspondentes frequências previstas pelo MSR. Estuda-se o problema de identificação de danos estruturais em uma viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada, considerando as frequências naturais na formulação do problema inverso. O comportamento de uma viga de Euler-Bernoulli simplesmente apoiada na presença de danos é analisado, com intuito de se verificar as regiões onde a identificação dos mesmos pode apresentar maior dificuldade. No processo de identificação de danos, do presente trabalho, são avaliados os tipos de superfícies de resposta, após uma escolha apropriada do tipo de superfície de resposta a ser utilizado, determina-se a superfície de resposta considerando os dados experimentais selecionados a partir do projeto ótimo de experimentos. A utilização do método Evolução Diferencial (ED) no problema inverso de identificação de danos é considerado inerente aos resultados numéricos obtidos, a estratégia adotada mostrou-se capaz de localizar e quantificar os danos com elevada acurácia, mostrando a potencialidade do modelo de identificação de danos proposto.