A stochastic model updating method for parameter variability quantification based on response surface models and Monte Carlo simulation

Stochastic model updating must be considered for quantifying uncertainties inherently existing in real-world engineering structures. By this means the statistical properties,instead of deterministic values, of structural parameters can be sought indicating the parameter variability. However, the implementation of stochastic model updating is much more complicated than that of deterministic methods particularly in the aspects of theoretical complexity and low computational efficiency. This study attempts to propose a simple and cost-efficient method by decomposing a stochastic updating process into a series of deterministic ones with the aid of response surface models and Monte Carlo simulation. The response surface models are used as surrogates for original FE models in the interest of programming simplification, fast response computation and easy inverse optimization. Monte Carlo simulation is adopted for generating samples from the assumed or measured probability distributions of responses. Each sample corresponds to an individual deterministic inverse process predicting the deterministic values of parameters. Then the parameter means and variances can be statistically estimated based on all the parameter predictions by running all the samples. Meanwhile, the analysis of variance approach is employed for the evaluation of parameter variability significance. The proposed method has been demonstrated firstly on a numerical beam and then a set of nominally identical steel plates tested in the laboratory. It is found that compared with the existing stochastic model updating methods, the proposed method presents similar accuracy while its primary merits consist in its simple implementation and cost efficiency in response computation and inverse optimization.

Modal analysis of buildings : quantification of uncertainties and model updating

Una estructura vibra con la suma de sus infinitos modos de vibración, definidos por sus parámetros modales (frecuencias naturales, formas modales y coeficientes de amortiguamiento). Estos parámetros se pueden identificar a través del Análisis Modal Operacional (OMA). Así, un equipo de investigación de la Universidad Politécnica de Madrid ha identificado las propiedades modales de un edificio de hormigón armado en Madrid con el método Identificación de los sub-espacios estocásticos (SSI). Para completar el estudio dinámico de este edificio, se ha desarrollado un modelo de elementos finitos (FE) de este edificio de 19 plantas. Este modelo se ha calibrado a partir de su comportamiento dinámico obtenido experimentalmente a través del OMA. Los objetivos de esta tesis son; (i) identificar la estructura con varios métodos de SSI y el uso de diferentes ventanas de tiempo de tal manera que se cuantifican incertidumbres de los parámetros modales debidos al proceso de estimación, (ii) desarrollar FEM de este edificio y calibrar este modelo a partir de su comportamiento dinámico, y (iii) valorar la bondad del modelo. Los parámetros modales utilizados en esta calibración han sido; espesor de las losas, densidades de los materiales, módulos de elasticidad, dimensiones de las columnas y las condiciones de contorno de la cimentación. Se ha visto que el modelo actualizado representa el comportamiento dinámico de la estructura con una buena precisión. Por lo tanto, este modelo puede utilizarse dentro de un sistema de monitorización estructural (SHM) y para la detección de daños. En el futuro, podrá estudiar la influencia de los agentes medioambientales, tales como la temperatura o el viento, en los parámetros modales. A structure vibrates according to the sum of its vibration modes, defined by their modal parameters (natural frequencies, damping ratios and modal shapes). These parameters can be identified through Operational Modal Analysis (OMA). Thus, a research team of the Technical University of Madrid has identified the modal properties of a reinforced-concrete-frame building in Madrid using the Stochastic Subspace Identification (SSI) method and a time domain technique for the OMA. To complete the dynamic study of this building, a finite element model (FE) of this 19-floor building has been developed throughout this thesis. This model has been updated from its dynamic behavior identified by the OMA. The objectives of this thesis are to; (i) identify the structure with several SSI methods and using different time blocks in such a way that uncertainties due to the modal parameter estimation are quantified, (ii) develop a FEM of this building and tune this model from its dynamic behavior, and (iii) Assess the quality of the model, the modal parameters used in this updating process have been; thickness of slabs, material densities, modulus of elasticity, column dimensions and foundation boundary conditions. It has been shown that the final updated model represents the structure with a very good accuracy. Thus, this model might be used within a structural health monitoring framework (SHM). The study of the influence of changing environmental factors (such as temperature or wind) on the model parameters might be considered as a future work.

Vibro-acoustic analysis of spacecraft structures with thin air layers

Esta Tesis presenta un estudio sobre el comportamiento vibroacústico de estructuras espaciales que incluyen capas de aire delgadas, así como sobre su modelización numérica. Las capas de aire pueden constituir un elemento fundamental en estos sistemas, como paneles solares plegados, que se consideran el caso de estudio en este trabajo. Para evaluar la influencia de las capas de aire en la respuesta dinámica del sistema se presenta el uso de modelos unidimensionales. La modelización de estos sistemas se estudia para los rangos de baja y alta frecuencia. En el rango de baja frecuencia se propone un conjunto de estrategias de simulación basadas en técnicas numéricas que se utilizan habitualmente en la industria aeroespacial para facilitar la aplicación de los resultados de la Tesis en los modelos numéricos actuales. Los resultados muestran el importante papel de las capas de aire en la respuesta del sistema. El uso de modelos basados en elementos finitos o de contorno para estos elementos proporciona resultados equivalentes aunque la aplicabilidad de estos últimos puede estar condicionada por la geometría del problema. Se estudia asimismo el uso del Análisis Estadístico de la Energía (SEA) para estos elementos. Una de las estrategias de simulación propuestas, que incluye una formulación energética para el aire que rodea a la estructura, se propone como estimador preliminar de la respuesta del sistema y sus frecuencias propias. Para el rango de alta frecuencia, se estudia la influencia de la definición del propio modelo SEA. Se presenta el uso de técnicas de reducción para determinar una matriz de pérdidas SEA reducida para definiciones incompletas del sistema (si algún elemento que interactúa con el resto no se incluye en el modelo). Esta nueva matriz tiene en cuenta la contribución de las subestructuras que no se consideran parte del modelo y que suelen ignorarse en el procedimiento habitual para reducir el tamaño del mismo. Esta matriz permite también analizar sistemas que incluyen algún componente con problemas de accesibilidad para medir su respuesta. Respecto a la determinación de los factores de pérdidas del sistema, se presenta una metodología que permite abordar casos en los que el método usual, el Método de Inyección de Potencia (PIM), no puede usarse. Se presenta un conjunto de métodos basados en la técnicas de optimización y de actualización de modelos para casos en los que no se puede medir la respuesta de todos los elementos del sistema y también para casos en los que no todos los elementos pueden ser excitados, abarcando un conjunto de casos más amplio que el abordable con el PIM. Para ambos rangos de frecuencia se presentan diferentes casos de análisis: modelos numéricos para validar los métodos propuestos y un panel solar plegado como caso experimental que pone de manifiesto la aplicación práctica de los métodos presentados en la Tesis. ABSTRACT This Thesis presents an study on the vibro-acoustic behaviour of spacecraft structures with thin air layers and their numerical modelling. The air layers can play a key role in these systems as solar wings in folded configuration that constitute the study case for this Thesis. A method based on one-dimensional models is presented to assess the influence of the air layers in the dynamic response of the system. The modelling of such systems is studied for low and high frequency ranges. In the low frequency range a set of modelling strategies are proposed based on numerical techniques used in the industry to facilitate the application of the results in the current numerical models. Results show the active role of the air layers in the system response and their great level of influence. The modelling of these elements by means of Finite Elements (FE) and Boundary Elements (BE) provide equivalent results although the applicability of BE models can be conditioned by the geometry of the problem. The use of Statistical Energy Analysis (SEA) for these systems is also presented. Good results on the system response are found for models involving SEA beyond the usual applicability limit. A simulation strategy, involving energetic formulation for the surrounding fluid is proposed as fast preliminary approach for the system response and the coupled eigenfrequencies. For the high frequency range, the influence of the definition of the SEA model is presented. Reduction techniques are used to determine a Reduced SEA Loss Matrix if the system definition is not complete and some elements, which interact with the rest, are not included. This new matrix takes into account the contribution of the subsystems not considered that are neglected in the usual approach for decreasing the size of the model. It also allows the analysis of systems with accessibility restrictions on some element in order to measure its response. Regarding the determination of the loss factors of a system, a methodology is presented for cases in which the usual Power Injection Method (PIM) can not be applied. A set of methods are presented for cases in which not all the subsystem responses can be measured or not all the subsystems can be excited, as solar wings in folded configuration. These methods, based on error minimising and model updating techniques can be used to calculate the system loss factors in a set of cases wider than the PIM’s. For both frequency ranges, different test problems are analysed: Numerical models are studied to validate the methods proposed; an experimental case consisting in an actual solar wing is studied on both frequency ranges to highlight the industrial application of the new methods presented in the Thesis.

Identification of intermediate debonding damage in FRP-plated RC beams based on multi-objective particle swarm optimization without updated baseline model

Fiber reinforced polymer composites (FRP) have found widespread usage in the repair and strengthening of concrete structures. FRP composites exhibit high strength-to-weight ratio, corrosion resistance, and are convenient to use in repair applications. Externally bonded FRP flexural strengthening of concrete beams is the most extended application of this technique. A common cause of failure in such members is associated with intermediate crack-induced debonding (IC debonding) of the FRP substrate from the concrete in an abrupt manner. Continuous monitoring of the concrete?FRP interface is essential to pre- vent IC debonding. Objective condition assessment and performance evaluation are challenging activities since they require some type of monitoring to track the response over a period of time. In this paper, a multi-objective model updating method integrated in the context of structural health monitoring is demonstrated as promising technology for the safety and reliability of this kind of strengthening technique. The proposed method, solved by a multi-objective extension of the particle swarm optimization method, is based on strain measurements under controlled loading. The use of permanently installed fiber Bragg grating (FBG) sensors embedded into the FRP-concrete interface or bonded onto the FRP strip together with the proposed methodology results in an automated method able to operate in an unsupervised mode.

Flujo de potencia entre estructuras complejas sometidas a excitaciones de alta frecuencia y aplicaciones a la detección de daño estructural

El tema central de investigación en esta Tesis es el estudio del comportamientodinámico de una estructura mediante modelos que describen la distribución deenergía entre los componentes de la misma y la aplicación de estos modelos parala detección de daños incipientes.Los ensayos dinámicos son un modo de extraer información sobre las propiedadesde una estructura. Si tenemos un modelo de la estructura se podría ajustar éstepara que, con determinado grado de precisión, tenga la misma respuesta que elsistema real ensayado. Después de que se produjese un daño en la estructura,la respuesta al mismo ensayo variará en cierta medida; actualizando el modelo alas nuevas condiciones podemos detectar cambios en la configuración del modeloestructural que nos condujeran a la conclusión de que en la estructura se haproducido un daño.De este modo, la detección de un daño incipiente es posible si somos capacesde distinguir una pequeña variación en los parámetros que definen el modelo. Unrégimen muy apropiado para realizar este tipo de detección es a altas frecuencias,ya que la respuesta es muy dependiente de los pequeños detalles geométricos,dado que el tamaño característico en la estructura asociado a la respuesta esdirectamente proporcional a la velocidad de propagación de las ondas acústicas enel sólido, que para una estructura dada es inalterable, e inversamente proporcionala la frecuencia de la excitación. Al mismo tiempo, esta característica de la respuestaa altas frecuencias hace que un modelo de Elementos Finitos no sea aplicable enla práctica, debido al alto coste computacional.Un modelo ampliamente utilizado en el cálculo de la respuesta de estructurasa altas frecuencias en ingeniería es el SEA (Statistical Energy Analysis). El SEAaplica el balance energético a cada componente estructural, relacionando la energíade vibración de estos con la potencia disipada por cada uno de ellos y la potenciatransmitida entre ellos, cuya suma debe ser igual a la potencia inyectada a cadacomponente estructural. Esta relación es lineal y viene caracterizada por los factoresde pérdidas. Las magnitudes que intervienen en la respuesta se consideranpromediadas en la geometría, la frecuencia y el tiempo.Actualizar el modelo SEA a datos de ensayo es, por lo tanto, calcular losfactores de pérdidas que reproduzcan la respuesta obtenida en éste. Esta actualización,si se hace de manera directa, supone la resolución de un problema inversoque tiene la característica de estar mal condicionado. En la Tesis se propone actualizarel modelo SEA, no en término de los factores de pérdidas, sino en términos deparámetros estructurales que tienen sentido físico cuando se trata de la respuestaa altas frecuencias, como son los factores de disipación de cada componente, susdensidades modales y las rigideces características de los elementos de acoplamiento.Los factores de pérdidas se calculan como función de estos parámetros. Estaformulación es desarrollada de manera original en esta Tesis y principalmente sefunda en la hipótesis de alta densidad modal, es decir, que en la respuesta participanun gran número de modos de cada componente estructural.La teoría general del método SEA, establece que el modelo es válido bajounas hipótesis sobre la naturaleza de las excitaciones externas muy restrictivas,como que éstas deben ser de tipo ruido blanco local. Este tipo de carga es difícil dereproducir en condiciones de ensayo. En la Tesis mostramos con casos prácticos queesta restricción se puede relajar y, en particular, los resultados son suficientementebuenos cuando la estructura se somete a una carga armónica en escalón.Bajo estas aproximaciones se desarrolla un algoritmo de optimización por pasosque permite actualizar un modelo SEA a un ensayo transitorio cuando la carga esde tipo armónica en escalón. Este algoritmo actualiza el modelo no solamente parauna banda de frecuencia en particular sino para diversas bandas de frecuencia demanera simultánea, con el objetivo de plantear un problema mejor condicionado.Por último, se define un índice de daño que mide el cambio en la matriz depérdidas cuando se produce un daño estructural en una localización concreta deun componente. Se simula numéricamente la respuesta de una estructura formadapor vigas donde producimos un daño en la sección de una de ellas; como se tratade un cálculo a altas frecuencias, la simulación se hace mediante el Método delos Elementos Espectrales para lo que ha sido necesario desarrollar dentro de laTesis un elemento espectral de tipo viga dañada en una sección determinada. Losresultados obtenidos permiten localizar el componente estructural en que se haproducido el daño y la sección en que éste se encuentra con determinado grado deconfianza.AbstractThe main subject under research in this Thesis is the study of the dynamic behaviourof a structure using models that describe the energy distribution betweenthe components of the structure and the applicability of these models to incipientdamage detection.Dynamic tests are a way to extract information about the properties of astructure. If we have a model of the structure, it can be updated in order toreproduce the same response as in experimental tests, within a certain degree ofaccuracy. After damage occurs, the response will change to some extent; modelupdating to the new test conditions can help to detect changes in the structuralmodel leading to the conclusión that damage has occurred.In this way incipient damage detection is possible if we are able to detect srnallvariations in the model parameters. It turns out that the high frequency regimeis highly relevant for incipient damage detection, because the response is verysensitive to small structural geometric details. The characteristic length associatedwith the response is proportional to the propagation speed of acoustic waves insidethe solid, but inversely proportional to the excitation frequency. At the same time,this fact makes the application of a Finite Element Method impractical due to thehigh computational cost.A widely used model in engineering when dealing with the high frequencyresponse is SEA (Statistical Energy Analysis). SEA applies the energy balance toeach structural component, relating their vibrational energy with the dissipatedpower and the transmitted power between the different components; their summust be equal to the input power to each of them. This relationship is linear andcharacterized by loss factors. The magnitudes considered in the response shouldbe averaged in geometry, frequency and time.SEA model updating to test data is equivalent to calculating the loss factorsthat provide a better fit to the experimental response. This is formulated as an illconditionedinverse problem. In this Thesis a new updating algorithm is proposedfor the study of the high frequency response regime in terms of parameters withphysical meaning such as the internal dissipation factors, modal densities andcharacteristic coupling stiffness. The loss factors are then calculated from theseparameters. The approach is developed entirely in this Thesis and is mainlybased on a high modal density asumption, that is to say, a large number of modescontributes to the response.General SEA theory establishes the validity of the model under the asumptionof very restrictive external excitations. These should behave as a local white noise.This kind of excitation is difficult to reproduce in an experimental environment.In this Thesis we show that in practical cases this assumption can be relaxed, inparticular, results are good enough when the structure is excited with a harmonicstep function.Under these assumptions an optimization algorithm is developed for SEAmodel updating to a transient test when external loads are harmonic step functions.This algorithm considers the response not only in a single frequency band,but also for several of them simultaneously.A damage index is defined that measures the change in the loss factor matrixwhen a damage has occurred at a certain location in the structure. The structuresconsidered in this study are built with damaged beam elements; as we are dealingwith the high frequency response, the numerical simulation is implemented witha Spectral Element Method. It has therefore been necessary to develop a spectralbeam damaged element as well. The reported results show that damage detectionis possible with this algorithm, moreover, damage location is also possible withina certain degree of accuracy.

Modelling of corrosion-induced cover cracking in reinforced concrete by an embedded cohesive crack finite element

Corrosion of a reinforcement bar leads to expansive pressure on the surrounding concrete that provokes internal cracking and, eventually, spalling and delamination. Here, an embedded cohesive crack 2D finite element is applied for simulating the cracking process. In addition, four simplified analytical models are introduced for comparative purposes. Under some assumptions about rust properties, corrosion rate, and particularly, the accommodation of oxide products within the open cracks generated in the process, the proposed FE model is able to estimate time to surface cracking quite accurately. Moreover, emerging cracking patterns are in reasonably good agreement with expectations. As a practical case, a prototype application of the model to an actual bridge deck is reported.

Experimental and numerical study of bond response in structural concrete with corroded steel bars

Corrosion can affect the bond between reinforcing bars and concrete and hence the transfer of longitudinal stresses. Although a number of experimental studies on bond failure have been conducted in recent years, the findings have diverged rather widely, due primarily to differing test conditions. The present paper reports on an experimental programme consisting of eccentric pull-out tests run on corroded steel bars in specimens subjected to accelerated or natural corrosion. An axisymmetric bi-dimensional FE model with finite deformations initially developed to study bond mechanics with sound steel bars, has been enhanced to consider bond effects in corroded steel bars. The model simulation is compared to some of the experimental results for corroded and sound bars and the findings are analysed.

Some advances in extensive bridge monitoring using low cost dynamic characterization

Dynamic measurements will become a standard for bridge monitoring in the near future. This fact will produce an important cost reduction for maintenance. US Administration has a long term intensive research program in order to diminish the estimated current maintenance cost of US$7 billion per year over 20 years. An optimal intervention maintenance program demands a historical dynamical record, as well as an updated mathematical model of the structure to be monitored. In case that a model of the structure is not actually available it is possible to produce it, however this possibility does not exist for missing measurement records from the past. Current acquisition systems to monitor structures can be made more efficient by introducing the following improvements, under development in the Spanish research Project “Low cost bridge health monitoring by ambient vibration tests using wireless sensors”: (a) a complete wireless system to acquire sensor data, (b) a wireless system that permits the localization and the hardware identification of the whole sensor system. The applied localization system has been object of a recent patent, and (c) automatization of the modal identification process, aimed to diminish human intervention. This system is assembled with cheap components and allows the simultaneous use of a large number of sensors at a low placement cost. The engineer’s intervention is limited to the selection of sensor positions, probably based on a preliminary FE analysis. In case of multiple setups, also the position of a number of fixed reference sensors has to be decided. The wireless localization system will obtain the exact coordinates of all these sensors positions. When the selection of optimal positions is difficult, for example because of the lack of a proper FE model, this can be compensated by using a higher number of measuring (also reference) points. The described low cost acquisition system allows the responsible bridge administration to obtain historical dynamic identification records at reasonable costs that will be used in future maintenance programs. Therefore, due to the importance of the baseline monitoring record of a new bridge, a monitoring test just after its construction should be highly recommended, if not compulsory.

Numerical methods in Nonlinear Analysis of shell structures

The design of shell and spatial structures represents an important challenge even with the use of the modern computer technology.If we concentrate in the concrete shell structures many problems must be faced,such as the conceptual and structural disposition, optimal shape design, analysis, construction methods, details etc. and all these problems are interconnected among them. As an example the shape optimization requires the use of several disciplines like structural analysis, sensitivity analysis, optimization strategies and geometrical design concepts. Similar comments can be applied to other space structures such as steel trusses with single or double shape and tension structures. In relation to the analysis the Finite Element Method appears to be the most extended and versatile technique used in the practice. In the application of this method several issues arise. First the derivation of the pertinent shell theory or alternatively the degenerated 3-D solid approach should be chosen. According to the previous election the suitable FE model has to be adopted i.e. the displacement,stress or mixed formulated element. The good behavior of the shell structures under dead loads that are carried out towards the supports by mainly compressive stresses is impaired by the high imperfection sensitivity usually exhibited by these structures. This last effect is important particularly if large deformation and material nonlinearities of the shell may interact unfavorably, as can be the case for thin reinforced shells. In this respect the study of the stability of the shell represents a compulsory step in the analysis. Therefore there are currently very active fields of research such as the different descriptions of consistent nonlinear shell models given by Simo, Fox and Rifai, Mantzenmiller and Buchter and Ramm among others, the consistent formulation of efficient tangent stiffness as the one presented by Ortiz and Schweizerhof and Wringgers, with application to concrete shells exhibiting creep behavior given by Scordelis and coworkers; and finally the development of numerical techniques needed to trace the nonlinear response of the structure. The objective of this paper is concentrated in the last research aspect i.e. in the presentation of a state-of-the-art on the existing solution techniques for nonlinear analysis of structures. In this presentation the following excellent reviews on this subject will be mainly used.

Methodology based on FBG sensors for monitoring of FRP-strengthened beams

Advanced composite materials are increasingly used in the strengthening of reinforced concrete (RC) structures. The use of externally bonded strips made of fibre-reinforced plastics (FRP) as strengthening method has gained widespread acceptance in recent years since it has many advantages over the traditional techniques. However, unfortunately, this strengthening method is often associated with a brittle and sudden failure caused by some form of FRP bond failure, originated at the termination of the FRP material or at intermediate areas in the vicinity of flexural cracks in the RC beam. Up to date, little effort in the early prediction of the debonding in its initial instants even though this effect is not noticeable by simple visual observation. An early detection of this phenomenon might help in taking actions to prevent future catastrophes. Fibre-optic Bragg grating (FBG) sensors are able to measure strains locally with high resolution and accuracy. Furthermore, as their physical size is extremely small compared with other strain measuring components, it enables to be embedded at the concrete-FRP interface for determining the strain distribution without influencing the mechanical properties of the host materials. This paper shows the development of a debonding identification methodology based on strains experimentally measured. For, it a simplified model is implemented to simulate the behaviour of FRP-strengthened reinforced concrete beams. This model is taken as a basis to. develop an model updating procedure able to detect minor debonding at the concrete-FRP interface from experimental strains obtained by using FBG sensors embedded at the interface

A simplified spectral approachfor impedance-based damage identification of frp-strengthened rc beams

Hoy en día, el refuerzo y reparación de estructuras de hormigón armado mediante el pegado de bandas de polímeros reforzados con fibras (FRP) se emplea cada vez con más frecuencia a causa de sus numerosas ventajas. Sin embargo, las vigas reforzadas con esta técnica pueden experimentar un modo de fallo frágil a causa del despegue repentino de la banda de FRP a partir de una fisura intermedia. A pesar de su importancia, el número de trabajos que abordan el estudio de este mecanismo de fallo y su monitorización es muy limitado. Por ello, el desarrollo de metodologías capaces de monitorizar a largo plazo la adherencia de este refuerzo a las estructuras de hormigón e identificar cuándo se inicia el despegue de la banda constituyen un importante desafío a abordar. El principal objetivo de esta tesis es la implementación de una metodología fiable y efectiva, capaz de detectar el despegue de una banda de FRP en una viga de hormigón armado a partir de una fisura intermedia. Para alcanzar este objetivo se ha implementado un procedimiento de calibración numérica a partir de ensayos experimentales. Para ello, en primer lugar, se ha desarrollado un modelo numérico unidimensional simple y no costoso representativo del comportamiento de este tipo vigas de hormigón reforzadas con FRP, basado en un modelo de fisura discreta para el hormigón y el método de elementos espectrales. La formación progresiva de fisuras a flexion y el consiguiente despegue en la interface entre el hormigón y el FRP se formulan mediante la introducción de un nuevo elemento capaz de representar ambos fenómenos simultáneamente sin afectar al procedimiento numérico. Además, con el modelo propuesto, se puede obtener de una forma sencilla la respuesta dinámica en altas frecuencias de este tipo de estructuras, lo cual puede hacer muy útil su uso como herramienta de diagnosis y detección del despegue en su fase inicial mediante una monitorización de la variación de las características dinámicas locales de la estructura. Un método de evaluación no destructivo muy prometedor para la monitorización local de las estructuras es el método de la impedancia usando sensores-actuadores piezoeléctricos (PZT). La impedancia eléctrica de los sensores PZT se puede relacionar con la impedancia mecánica de las estructuras donde se encuentran adheridos Ya que la impedancia mecánica de una estructura se verá afectada por su deterioro, se pueden implementar indicadores de daño mediante una comparación del espectro de admitancia (inversa de la impedancia) a lo largo de distintas etapas durante el periodo de servicio de una estructura. Cualquier cambio en el espectro se podría interpretar como una variación en la integridad de la estructura. La impedancia eléctrica se mide a altas frecuencias con lo cual esta metodología debería ser muy sensible a la detección de estados de daño incipiente local, tal como se desea en la aplicación de este trabajo. Se ha implementado un elemento espectral PZT-FRP como extensión del modelo previamente desarrollado, con el objetivo de poder calcular numéricamente la impedancia eléctrica de sensores PZT adheridos a bandas de FRP sobre una viga de hormigón armado. El modelo, combinado con medidas experimentales captadas mediante sensores PZT, se implementa en el marco de una metodología de calibración de modelos para detectar cuantitativamente el despegue en la interfase entre una banda de FRP y una viga de hormigón. El procedimiento de optimización se resuelve empleando el método del enjambre cooperativo con un algoritmo bagging. Los resultados muestran una gran aproximación en la estimación del daño para el problema propuesto. Adicionalmente, se ha desarrollado también un método adaptativo para el mallado de elementos espectrales con el objetivo de localizar las zonas dañadas a partir de los resultados experimentales, el cual contribuye a aumentar la robustez y efectividad del método propuesto a la hora de identificar daños incipientes en su aparición inicial. Finalmente, se ha llevado a cabo un procedimiento de optimización multi-objetivo para detectar el despegue inicial en una viga de hormigón a escala real reforzada con FRP a partir de las impedancias captadas con una red de sensores PZT instrumentada a lo largo de la longitud de la viga. Cada sensor aporta los datos para definir cada una de las funciones objetivo que definen el procedimiento. Combinando el modelo previo de elementos espectrales con un algoritmo PSO multi-objetivo el procedimiento de detección de daño resultante proporciona resultados satisfactorios considerando la escala de la estructura y todas las incertidumbres características ligadas a este proceso. Los resultados obtenidos prueban la viabilidad y capacidad de los métodos antes mencionados y también su potencial en aplicaciones reales. Abstract Nowadays, the external bonding of fibre reinforced polymer (FRP) plates or sheets is increasingly used for the strengthening and retrofitting of reinforced concrete (RC) structures due to its numerous advantages. However, this kind of strengthening often leads to brittle failure modes being the most dominant failure mode the debonding induced by an intermediate crack (IC). In spite of its importance, the number of studies regarding the IC debonding mechanism and bond health monitoring is very limited. Methodologies able to monitor the long-term efficiency of bonding and successfully identify the initiation of FRP debonding constitute a challenge to be met. The main purpose of this thesisis the implementation of a reliable and effective methodology of damage identification able to detect intermediate crack debonding in FRP-strengthened RC beams. To achieve this goal, a model updating procedure based on numerical simulations and experimental tests has been implemented. For it, firstly, a simple and non-expensive one-dimensional model based on the discrete crack approach for concrete and the spectral element method has been developed. The progressive formation of flexural cracks and subsequent concrete-FRP interfacial debonding is formulated by the introduction of a new element able to represent both phenomena simultaneously without perturbing the numerical procedure. Furthermore, with the proposed model, high frequency dynamic response for these kinds of structures can also be obtained in a very simple and non-expensive way, which makes this procedure very useful as a tool for diagnoses and detection of debonding in its initial stage by monitoring the change in local dynamic characteristics. One very promising active non-destructive evaluation method for local monitoring is impedance-based structural health monitoring(SHM)using piezoelectric ceramic (PZT) sensor-actuators. The electrical impedance of the PZT can be directly related to the mechanical impedance of the host structural component where the PZT transducers are attached. Since the structural mechanical impedance will be affected by the presence of structural damage, comparisons of admittance (inverse of impedance) spectra at various times during the service period of the structure can be used as damage indicator. Any change in the spectra might be an indication of a change in the structural integrity. The electrical impedance is measured at high frequencies with which this methodology appears to be very sensitive to incipient damage in structural systems as desired for our application. Abonded-PZT-FRP spectral beam element approach based on an extension of the previous discrete crack approach is implemented in the calculation of the electrical impedance of the PZT transducer bonded to the FRP plates of a RC beam. This approach in conjunction with the experimental measurements of PZT actuator-sensors mounted on the structure is used to present an updating methodology to quantitatively detect interfacial debonding between a FRP strip and the host RC structure. The updating procedure is solved by using an ensemble particle swarm optimization approach with abagging algorithm, and the results demonstrate a big improvement for the performance and accuracy of the damage detection in the proposed problem. Additionally, an adaptive strategy of spectral element mesh has been also developed to detect damage location with experimental results, which shows the robustness and effectiveness of the proposed method to identify initial and incipient damages at its early stage. Lastly, multi-objective optimization has been carried out to detect debonding damage in a real scale FRP-strengthened RC beam by using impedance signatures. A net of PZT sensors is distributed along the beam to construct impedance-based multiple objectives under gradually induced damage scenario. By combining the spectral element model presented previously and an ensemble multi-objective PSO algorithm, the implemented damage detection process yields satisfactory predictions considering the scale and uncertainties of the structure. The obtained results prove the feasibility and capability of the aforementioned methods and also their potentials in real engineering applications.

Application of PZT and FBG impedance sensors for structural health monitoring of reinforced concrete beams strengthened with FRP composite materials

Esta Tesis tiene como objetivo principal el desarrollo de métodos de identificación del daño que sean robustos y fiables, enfocados a sistemas estructurales experimentales, fundamentalmente a las estructuras de hormigón armado reforzadas externamente con bandas fibras de polímeros reforzados (FRP). El modo de fallo de este tipo de sistema estructural es crítico, pues generalmente es debido a un despegue repentino y frágil de la banda del refuerzo FRP originado en grietas intermedias causadas por la flexión. La detección de este despegue en su fase inicial es fundamental para prevenir fallos futuros, que pueden ser catastróficos. Inicialmente, se lleva a cabo una revisión del método de la Impedancia Electro-Mecánica (EMI), de cara a exponer sus capacidades para la detección de daño. Una vez la tecnología apropiada es seleccionada, lo que incluye un analizador de impedancias así como novedosos sensores PZT para monitorización inteligente, se ha diseñado un procedimiento automático basado en los registros de impedancias de distintas estructuras de laboratorio. Basándonos en el hecho de que las mediciones de impedancias son posibles gracias a una colocación adecuada de una red de sensores PZT, la estimación de la presencia de daño se realiza analizando los resultados de distintos indicadores de daño obtenidos de la literatura. Para que este proceso sea automático y que no sean necesarios conocimientos previos sobre el método EMI para realizar un experimento, se ha diseñado e implementado un Interfaz Gráfico de Usuario, transformando la medición de impedancias en un proceso fácil e intuitivo. Se evalúa entonces el daño a través de los correspondientes índices de daño, intentando estimar no sólo su severidad, sino también su localización aproximada. El desarrollo de estos experimentos en cualquier estructura genera grandes cantidades de datos que han de ser procesados, y algunas veces los índices de daño no son suficientes para una evaluación completa de la integridad de una estructura. En la mayoría de los casos se pueden encontrar patrones de daño en los datos, pero no se tiene información a priori del estado de la estructura. En este punto, se ha hecho una importante investigación en técnicas de reconocimiento de patrones particularmente en aprendizaje no supervisado, encontrando aplicaciones interesantes en el campo de la medicina. De ahí surge una idea creativa e innovadora: detectar y seguir la evolución del daño en distintas estructuras como si se tratase de un cáncer propagándose por el cuerpo humano. En ese sentido, las lecturas de impedancias se emplean como información intrínseca de la salud de la propia estructura, de forma que se pueden aplicar las mismas técnicas que las empleadas en la investigación del cáncer. En este caso, se ha aplicado un algoritmo de clasificación jerárquica dado que ilustra además la clasificación de los datos de forma gráfica, incluyendo información cualitativa y cuantitativa sobre el daño. Se ha investigado la efectividad de este procedimiento a través de tres estructuras de laboratorio, como son una viga de aluminio, una unión atornillada de aluminio y un bloque de hormigón reforzado con FRP. La primera ayuda a mostrar la efectividad del método en sencillos escenarios de daño simple y múltiple, de forma que las conclusiones extraídas se aplican sobre los otros dos, diseñados para simular condiciones de despegue en distintas estructuras. Demostrada la efectividad del método de clasificación jerárquica de lecturas de impedancias, se aplica el procedimiento sobre las estructuras de hormigón armado reforzadas con bandas de FRP objeto de esta tesis, detectando y clasificando cada estado de daño. Finalmente, y como alternativa al anterior procedimiento, se propone un método para la monitorización continua de la interfase FRP-Hormigón, a través de una red de sensores FBG permanentemente instalados en dicha interfase. De esta forma, se obtienen medidas de deformación de la interfase en condiciones de carga continua, para ser implementadas en un modelo de optimización multiobjetivo, cuya solución se haya por medio de una expansión multiobjetivo del método Particle Swarm Optimization (PSO). La fiabilidad de este último método de detección se investiga a través de sendos ejemplos tanto numéricos como experimentales. ABSTRACT This thesis aims to develop robust and reliable damage identification methods focused on experimental structural systems, in particular Reinforced Concrete (RC) structures externally strengthened with Fiber Reinforced Polymers (FRP) strips. The failure mode of this type of structural system is critical, since it is usually due to sudden and brittle debonding of the FRP reinforcement originating from intermediate flexural cracks. Detection of the debonding in its initial stage is essential thus to prevent future failure, which might be catastrophic. Initially, a revision of the Electro-Mechanical Impedance (EMI) method is carried out, in order to expose its capabilities for local damage detection. Once the appropriate technology is selected, which includes impedance analyzer as well as novel PZT sensors for smart monitoring, an automated procedure has been design based on the impedance signatures of several lab-scale structures. On the basis that capturing impedance measurements is possible thanks to an adequately deployed PZT sensor network, the estimation of damage presence is done by analyzing the results of different damage indices obtained from the literature. In order to make this process automatic so that it is not necessary a priori knowledge of the EMI method to carry out an experimental test, a Graphical User Interface has been designed, turning the impedance measurements into an easy and intuitive procedure. Damage is then assessed through the analysis of the corresponding damage indices, trying to estimate not only the damage severity, but also its approximate location. The development of these tests on any kind of structure generates large amounts of data to be processed, and sometimes the information provided by damage indices is not enough to achieve a complete analysis of the structural health condition. In most of the cases, some damage patterns can be found in the data, but none a priori knowledge of the health condition is given for any structure. At this point, an important research on pattern recognition techniques has been carried out, particularly on unsupervised learning techniques, finding interesting applications in the medicine field. From this investigation, a creative and innovative idea arose: to detect and track the evolution of damage in different structures, as if it were a cancer propagating through a human body. In that sense, the impedance signatures are used to give intrinsic information of the health condition of the structure, so that the same clustering algorithms applied in the cancer research can be applied to the problem addressed in this dissertation. Hierarchical clustering is then applied since it also provides a graphical display of the clustered data, including quantitative and qualitative information about damage. The performance of this approach is firstly investigated using three lab-scale structures, such as a simple aluminium beam, a bolt-jointed aluminium beam and an FRP-strengthened concrete specimen. The first one shows the performance of the method on simple single and multiple damage scenarios, so that the first conclusions can be extracted and applied to the other two experimental tests, which are designed to simulate a debonding condition on different structures. Once the performance of the impedance-based hierarchical clustering method is proven to be successful, it is then applied to the structural system studied in this dissertation, the RC structures externally strengthened with FRP strips, where the debonding failure in the interface between the FRP and the concrete is successfully detected and classified, proving thus the feasibility of this method. Finally, as an alternative to the previous approach, a continuous monitoring procedure of the FRP-Concrete interface is proposed, based on an FBGsensors Network permanently deployed within that interface. In this way, strain measurements can be obtained under controlled loading conditions, and then they are used in order to implement a multi-objective model updating method solved by a multi-objective expansion of the Particle Swarm Optimization (PSO) method. The feasibility of this last proposal is investigated and successfully proven on both numerical and experimental RC beams strengthened with FRP.

Análisis dinámico experimental y numérico de una presa bóveda : ajuste del modelo

El objetivo de este trabajo es analizar las propiedades dinámicas de una presa bóveda de doble curvatura (presa de La Tajera, Guadalajara) para ajustar un modelo de elementos finitos. Para ello se han utilizado acelerómetros de alta sensibilidad sincronizados inalámbricamente. Se han obtenido las frecuencias, amortiguamientos y formas modales frente a los efectos de las acciones de tipo ambiental (viento, paso de vehículos). Se ha modelado mediante elementos finitos la presa y su cimiento incorporando el efecto del nivel del embalse. Con las propiedades dinámicas de la estructura halladas numéricamente se ha realizado un plan de medidas en los puntos que se consideraban más significativos. Tras realizar las medidas, se ha procedido al análisis de resultados mediante un Análisis Modal Operacional. Ello permite estimar los parámetros modales (frecuencias, amortiguamientos y formas modales) experimentalmente y se ha valorado el alcance de los mismos. Posteriormente viene la parte fundamental de este trabajo, que es el ajuste del modelo de elementos finitos inicial considerando el comportamiento dinámico obtenido experimentalmente. El modelo actualizado puede utilizarse dentro de un sistema de detección de daños, o por ejemplo, para el estudio del comportamiento ante un sismo considerando la interacción presa-embalse-cimiento. The purpose of this paper is to study the dynamic characteristics of a double curvature arch dam (La Tajera arch dam) for a Finite Element Model Updating. To achieve it, high sensitivity accelerometers synchronized wirelessly have been used. The system modal dampings, natural frequencies mode shapes are identified using output only identification techniques under environmental loads (wind, vehicles). Firstly, a finite element model of the dam-reservoir-foundation system was created. Once the dynamic properties of the structure were numerically obtained, a testing plan was then carried out identifying the most significant test points. After the measurements were carried out, an Operational Modal Analysis was performed to obtain experimentally the structure dynamic properties: natural frequencies, modal dampings and mode shapes. experimentally and to assess its reach. Then, the finite element model updating of the initial model was carried out to match the recorded dynamic behavior. The updated model may be used within a structural health monitoring and damage detection system or, as it is proposed on this thesis, for the analysis of the seismic response of arch dam-reservoir-foundation coupled systems

Modelos de elementos finitos explícitos para explosiones en estructuras reticuladas de hormigón armado : aplicaciones al estudio del colapso de edificios

La frecuencia con la que se producen explosiones sobre edificios, ya sean accidentales o intencionadas, es reducida, pero sus efectos pueden ser catastróficos. Es deseable poder predecir de forma suficientemente precisa las consecuencias de estas acciones dinámicas sobre edificaciones civiles, entre las cuales las estructuras reticuladas de hormigón armado son una tipología habitual. En esta tesis doctoral se exploran distintas opciones prácticas para el modelado y cálculo numérico por ordenador de estructuras de hormigón armado sometidas a explosiones. Se emplean modelos numéricos de elementos finitos con integración explícita en el tiempo, que demuestran su capacidad efectiva para simular los fenómenos físicos y estructurales de dinámica rápida y altamente no lineales que suceden, pudiendo predecir los daños ocasionados tanto por la propia explosión como por el posible colapso progresivo de la estructura. El trabajo se ha llevado a cabo empleando el código comercial de elementos finitos LS-DYNA (Hallquist, 2006), desarrollando en el mismo distintos tipos de modelos de cálculo que se pueden clasificar en dos tipos principales: 1) modelos basados en elementos finitos de continuo, en los que se discretiza directamente el medio continuo mediante grados de libertad nodales de desplazamientos; 2) modelos basados en elementos finitos estructurales, mediante vigas y láminas, que incluyen hipótesis cinemáticas para elementos lineales o superficiales. Estos modelos se desarrollan y discuten a varios niveles distintos: 1) a nivel del comportamiento de los materiales, 2) a nivel de la respuesta de elementos estructurales tales como columnas, vigas o losas, y 3) a nivel de la respuesta de edificios completos o de partes significativas de los mismos. Se desarrollan modelos de elementos finitos de continuo 3D muy detallados que modelizan el hormigón en masa y el acero de armado de forma segregada. El hormigón se representa con un modelo constitutivo del hormigón CSCM (Murray et al., 2007), que tiene un comportamiento inelástico, con diferente respuesta a tracción y compresión, endurecimiento, daño por fisuración y compresión, y rotura. El acero se representa con un modelo constitutivo elastoplástico bilineal con rotura. Se modeliza la geometría precisa del hormigón mediante elementos finitos de continuo 3D y cada una de las barras de armado mediante elementos finitos tipo viga, con su posición exacta dentro de la masa de hormigón. La malla del modelo se construye mediante la superposición de los elementos de continuo de hormigón y los elementos tipo viga de las armaduras segregadas, que son obligadas a seguir la deformación del sólido en cada punto mediante un algoritmo de penalización, simulando así el comportamiento del hormigón armado. En este trabajo se denominarán a estos modelos simplificadamente como modelos de EF de continuo. Con estos modelos de EF de continuo se analiza la respuesta estructural de elementos constructivos (columnas, losas y pórticos) frente a acciones explosivas. Asimismo se han comparado con resultados experimentales, de ensayos sobre vigas y losas con distintas cargas de explosivo, verificándose una coincidencia aceptable y permitiendo una calibración de los parámetros de cálculo. Sin embargo estos modelos tan detallados no son recomendables para analizar edificios completos, ya que el elevado número de elementos finitos que serían necesarios eleva su coste computacional hasta hacerlos inviables para los recursos de cálculo actuales. Adicionalmente, se desarrollan modelos de elementos finitos estructurales (vigas y láminas) que, con un coste computacional reducido, son capaces de reproducir el comportamiento global de la estructura con una precisión similar. Se modelizan igualmente el hormigón en masa y el acero de armado de forma segregada. El hormigón se representa con el modelo constitutivo del hormigón EC2 (Hallquist et al., 2013), que también presenta un comportamiento inelástico, con diferente respuesta a tracción y compresión, endurecimiento, daño por fisuración y compresión, y rotura, y se usa en elementos finitos tipo lámina. El acero se representa de nuevo con un modelo constitutivo elastoplástico bilineal con rotura, usando elementos finitos tipo viga. Se modeliza una geometría equivalente del hormigón y del armado, y se tiene en cuenta la posición relativa del acero dentro de la masa de hormigón. Las mallas de ambos se unen mediante nodos comunes, produciendo una respuesta conjunta. En este trabajo se denominarán a estos modelos simplificadamente como modelos de EF estructurales. Con estos modelos de EF estructurales se simulan los mismos elementos constructivos que con los modelos de EF de continuo, y comparando sus respuestas estructurales frente a explosión se realiza la calibración de los primeros, de forma que se obtiene un comportamiento estructural similar con un coste computacional reducido. Se comprueba que estos mismos modelos, tanto los modelos de EF de continuo como los modelos de EF estructurales, son precisos también para el análisis del fenómeno de colapso progresivo en una estructura, y que se pueden utilizar para el estudio simultáneo de los daños de una explosión y el posterior colapso. Para ello se incluyen formulaciones que permiten considerar las fuerzas debidas al peso propio, sobrecargas y los contactos de unas partes de la estructura sobre otras. Se validan ambos modelos con un ensayo a escala real en el que un módulo con seis columnas y dos plantas colapsa al eliminar una de sus columnas. El coste computacional del modelo de EF de continuo para la simulación de este ensayo es mucho mayor que el del modelo de EF estructurales, lo cual hace inviable su aplicación en edificios completos, mientras que el modelo de EF estructurales presenta una respuesta global suficientemente precisa con un coste asumible. Por último se utilizan los modelos de EF estructurales para analizar explosiones sobre edificios de varias plantas, y se simulan dos escenarios con cargas explosivas para un edificio completo, con un coste computacional moderado. The frequency of explosions on buildings whether they are intended or accidental is small, but they can have catastrophic effects. Being able to predict in a accurate enough manner the consequences of these dynamic actions on civil buildings, among which frame-type reinforced concrete buildings are a frequent typology is desirable. In this doctoral thesis different practical options for the modeling and computer assisted numerical calculation of reinforced concrete structures submitted to explosions are explored. Numerical finite elements models with explicit time-based integration are employed, demonstrating their effective capacity in the simulation of the occurring fast dynamic and highly nonlinear physical and structural phenomena, allowing to predict the damage caused by the explosion itself as well as by the possible progressive collapse of the structure. The work has been carried out with the commercial finite elements code LS-DYNA (Hallquist, 2006), developing several types of calculation model classified in two main types: 1) Models based in continuum finite elements in which the continuous medium is discretized directly by means of nodal displacement degrees of freedom; 2) Models based on structural finite elements, with beams and shells, including kinematic hypothesis for linear and superficial elements. These models are developed and discussed at different levels: 1) material behaviour, 2) response of structural elements such as columns, beams and slabs, and 3) response of complete buildings or significative parts of them. Very detailed 3D continuum finite element models are developed, modeling mass concrete and reinforcement steel in a segregated manner. Concrete is represented with a constitutive concrete model CSCM (Murray et al., 2007), that has an inelastic behaviour, with different tension and compression response, hardening, cracking and compression damage and failure. The steel is represented with an elastic-plastic bilinear model with failure. The actual geometry of the concrete is modeled with 3D continuum finite elements and every and each of the reinforcing bars with beam-type finite elements, with their exact position in the concrete mass. The mesh of the model is generated by the superposition of the concrete continuum elements and the beam-type elements of the segregated reinforcement, which are made to follow the deformation of the solid in each point by means of a penalty algorithm, reproducing the behaviour of reinforced concrete. In this work these models will be called continuum FE models as a simplification. With these continuum FE models the response of construction elements (columns, slabs and frames) under explosive actions are analysed. They have also been compared with experimental results of tests on beams and slabs with various explosive charges, verifying an acceptable coincidence and allowing a calibration of the calculation parameters. These detailed models are however not advised for the analysis of complete buildings, as the high number of finite elements necessary raises its computational cost, making them unreliable for the current calculation resources. In addition to that, structural finite elements (beams and shells) models are developed, which, while having a reduced computational cost, are able to reproduce the global behaviour of the structure with a similar accuracy. Mass concrete and reinforcing steel are also modeled segregated. Concrete is represented with the concrete constitutive model EC2 (Hallquist et al., 2013), which also presents an inelastic behaviour, with a different tension and compression response, hardening, compression and cracking damage and failure, and is used in shell-type finite elements. Steel is represented once again with an elastic-plastic bilineal with failure constitutive model, using beam-type finite elements. An equivalent geometry of the concrete and the steel is modeled, considering the relative position of the steel inside the concrete mass. The meshes of both sets of elements are bound with common nodes, therefore producing a joint response. These models will be called structural FE models as a simplification. With these structural FE models the same construction elements as with the continuum FE models are simulated, and by comparing their response under explosive actions a calibration of the former is carried out, resulting in a similar response with a reduced computational cost. It is verified that both the continuum FE models and the structural FE models are also accurate for the analysis of the phenomenon of progressive collapse of a structure, and that they can be employed for the simultaneous study of an explosion damage and the resulting collapse. Both models are validated with an experimental full-scale test in which a six column, two floors module collapses after the removal of one of its columns. The computational cost of the continuum FE model for the simulation of this test is a lot higher than that of the structural FE model, making it non-viable for its application to full buildings, while the structural FE model presents a global response accurate enough with an admissible cost. Finally, structural FE models are used to analyze explosions on several story buildings, and two scenarios are simulated with explosive charges for a full building, with a moderate computational cost.

Dynamic chanel model LMS updating for RSS-based localization

Received signal strength-based localization systems usually rely on a calibration process that aims at characterizing the propagation channel. However, due to the changing environmental dynamics, the behavior of the channel may change after some time, thus, recalibration processes are necessary to maintain the positioning accuracy. This paper proposes a dynamic calibration method to initially calibrate and subsequently update the parameters of the propagation channel model using a Least Mean Squares approach. The method assumes that each anchor node in the localization infrastructure is characterized by its own propagation channel model. In practice, a set of sniffers is used to collect RSS samples, which will be used to automatically calibrate each channel model by iteratively minimizing the positioning error. The proposed method is validated through numerical simulation, showing that the positioning error of the mobile nodes is effectively reduced. Furthermore, the method has a very low computational cost; therefore it can be used in real-time operation for wireless resource-constrained nodes.