Damage detection by using FBGs and strain field pattern recognition techniques

A novel methodology for damage detection and location in structures is proposed. The methodology is based on strain measurements and consists in the development of strain field pattern recognition techniques. The aforementioned are based on PCA (principal component analysis) and damage indices (T 2 and Q). We propose the use of fiber Bragg gratings (FBGs) as strain sensors

A robust procedure for damage detection from strain measurements based on principal component analysis

FBGs are excellent strain sensors, because of its low size and multiplexing capability. Tens to hundred of sensors may be embedded into a structure, as it has already been demonstrated. Nevertheless, they only afford strain measurements at local points, so unless the damage affects the strain readings in a distinguishable manner, damage will go undetected. This paper show the experimental results obtained on the wing of a UAV, instrumented with 32 FBGs, before and after small damages were introduced. The PCA algorithm was able to distinguish the damage cases, even for small cracks. Principal Component Analysis (PCA) is a technique of multivariable analysis to reduce a complex data set to a lower dimension and reveal some hidden patterns that underlie.

Smart aeronautical structures: development and experimental validation of a structural health monitoring system for damage detection

En muchas áreas de la ingeniería, la integridad y confiabilidad de las estructuras son aspectos de extrema importancia. Estos son controlados mediante el adecuado conocimiento de danos existentes. Típicamente, alcanzar el nivel de conocimiento necesario que permita caracterizar la integridad estructural implica el uso de técnicas de ensayos no destructivos. Estas técnicas son a menudo costosas y consumen mucho tiempo. En la actualidad, muchas industrias buscan incrementar la confiabilidad de las estructuras que emplean. Mediante el uso de técnicas de última tecnología es posible monitorizar las estructuras y en algunos casos, es factible detectar daños incipientes que pueden desencadenar en fallos catastróficos. Desafortunadamente, a medida que la complejidad de las estructuras, los componentes y sistemas incrementa, el riesgo de la aparición de daños y fallas también incrementa. Al mismo tiempo, la detección de dichas fallas y defectos se torna más compleja. En años recientes, la industria aeroespacial ha realizado grandes esfuerzos para integrar los sensores dentro de las estructuras, además de desarrollar algoritmos que permitan determinar la integridad estructural en tiempo real. Esta filosofía ha sido llamada “Structural Health Monitoring” (o “Monitorización de Salud Estructural” en español) y este tipo de estructuras han recibido el nombre de “Smart Structures” (o “Estructuras Inteligentes” en español). Este nuevo tipo de estructuras integran materiales, sensores, actuadores y algoritmos para detectar, cuantificar y localizar daños dentro de ellas mismas. Una novedosa metodología para detección de daños en estructuras se propone en este trabajo. La metodología está basada en mediciones de deformación y consiste en desarrollar técnicas de reconocimiento de patrones en el campo de deformaciones. Estas últimas, basadas en PCA (Análisis de Componentes Principales) y otras técnicas de reducción dimensional. Se propone el uso de Redes de difracción de Bragg y medidas distribuidas como sensores de deformación. La metodología se validó mediante pruebas a escala de laboratorio y pruebas a escala real con estructuras complejas. Los efectos de las condiciones de carga variables fueron estudiados y diversos experimentos fueron realizados para condiciones de carga estáticas y dinámicas, demostrando que la metodología es robusta ante condiciones de carga desconocidas. ABSTRACT In many engineering fields, the integrity and reliability of the structures are extremely important aspects. They are controlled by the adequate knowledge of existing damages. Typically, achieving the level of knowledge necessary to characterize the structural integrity involves the usage of nondestructive testing techniques. These are often expensive and time consuming. Nowadays, many industries look to increase the reliability of the structures used. By using leading edge techniques it is possible to monitoring these structures and in some cases, detect incipient damage that could trigger catastrophic failures. Unfortunately, as the complexity of the structures, components and systems increases, the risk of damages and failures also increases. At the same time, the detection of such failures and defects becomes more difficult. In recent years, the aerospace industry has done great efforts to integrate the sensors within the structures and, to develop algorithms for determining the structural integrity in real time. The ‘philosophy’ has being called “Structural Health Monitoring” and these structures have been called “smart structures”. These new types of structures integrate materials, sensors, actuators and algorithms to detect, quantify and locate damage within itself. A novel methodology for damage detection in structures is proposed. The methodology is based on strain measurements and consists in the development of strain field pattern recognition techniques. The aforementioned are based on PCA (Principal Component Analysis) and other dimensional reduction techniques. The use of fiber Bragg gratings and distributed sensing as strain sensors is proposed. The methodology have been validated by using laboratory scale tests and real scale tests with complex structures. The effects of the variable load conditions were studied and several experiments were performed for static and dynamic load conditions, demonstrating that the methodology is robust under unknown load conditions.

Multiobjective structural damage identification in uncertain environments

Evolutionary algorithms are suitable to solve damage identification problems in a multiobjective context. However, the performance of these methods can deteriorate quickly with increasing noise intensities originating numerous uncertainties. In this paper, a statistic structural damage detection method formulated in a multiobjective context is proposed. The statistic analysis is implemented to take into account the uncertainties existing in the structural model and measured structural modal parameters. The presented method is verified by a number of simulated damage scenarios. The effects of noise and damage levels on damage detection are investigated.

Damage Assessment of Structures with Uncertainty

Evolutionary algorithms are suitable to solve damage identification problems in a multiobjective context. However, the performance of these methods can deteriorate quickly with increasing noise intensities originating numerous uncertainties. In this work, a statistic structural damage detection method formulated in a multiobjective context is proposed, taking into account the uncertainties existing. The presented method is verified by a number of simulated damage scenarios. The effects of noise on damage detection are investigated.

Damage identification from power spectrum density transmissibility

Damage identification under real operating conditions of the structure during its daily use would be suitable and attractive to civil engineers due to the difficulty and problems of carrying out controlled forced excitation tests on this kind of structures. In this case, output-only response measurements would be available, and an output-only damage identification procedure should be implemented. Transmissibility, defined on an output-to-output relationship, is getting increased attention in damage detection applications because of its dependence with output-only data and its sensitivity to local structural changes. In this paper, a method based on the power spectrum density transmissibility (PSDT) is proposed to detect structural damage.

Statistical Multi-Objective Structural Damage Identification based on Dynamic Parameters

Evolutionary algorithms are suitable to solve damage identification problems in a multi-objective context. However, the performance of these methods can deteriorate quickly with increasing noise intensities originating numerous uncertainties. In this paper, a statistic structural damage detection method formulated in a multi-objective context is proposed. The statistic analysis is implemented to take into account the uncertainties existing in the structural model and measured structural modal parameters. The presented method is verified by a number of simulated damage scenarios. The effects of noise and damage levels on damage detection are investigated.

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.

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.

Structural health monitoring network system with wireless communications inside closed aerospace structures

Structural Health Monitoring (SHM) requires integrated "all in one" electronic devices capable of performing analysis of structural integrity and on-board damage detection in aircraft?s structures. PAMELA III (Phased Array Monitoring for Enhanced Life Assessment, version III) SHM embedded system is an example of this device type. This equipment is capable of generating excitation signals to be applied to an array of integrated piezoelectric Phased Array (PhA) transducers stuck to aircraft structure, acquiring the response signals, and carrying out the advanced signal processing to obtain SHM maps. PAMELA III is connected with a host computer in order to receive the configuration parameters and sending the obtained SHM maps, alarms and so on. This host can communicate with PAMELA III through an Ethernet interface. To avoid the use of wires where necessary, it is possible to add Wi-Fi capabilities to PAMELA III, connecting a Wi-Fi node working as a bridge, and to establish a wireless communication between PAMELA III and the host. However, in a real aircraft scenario, several PAMELA III devices must work together inside closed structures. In this situation, it is not possible for all PAMELA III devices to establish a wireless communication directly with the host, due to the signal attenuation caused by the different obstacles of the aircraft structure. To provide communication among all PAMELA III devices and the host, a wireless mesh network (WMN) system has been implemented inside a closed aluminum wingbox. In a WMN, as long as a node is connected to at least one other node, it will have full connectivity to the entire network because each mesh node forwards packets to other nodes in the network as required. Mesh protocols automatically determine the best route through the network and can dynamically reconfigure the network if a link drops out. The advantages and disadvantages on the use of a wireless mesh network system inside closed aerospace structures are discussed.

Integrated electronic system for ultrasonic structural health monitoring

A fully integrated on-board electronic system that can perform in-situ structural health monitoring (SHM) of aircraft?s structures using specifically designed equipment for SHM based on guided wave ultrasonic method or Lamb waves? method is introduced. This equipment is called Phased Array Monitoring for Enhanced Life Assessment (PAMELA III) and is an essential part of overall PAMELA SHM? system. PAMELA III can generate any kind of excitation signals, acquire the response signals that propagate throughout the structure being tested, and perform the signal processing for damage detection directly on the structure without need to send the huge amount of raw signals but only the final SHM maps. It monitors the structure by means of an array of integrated Phased Array (PhA) transducers preferably bonded onto the host structure. The PAMELA III hardware for SHM mapping has been designed, built and subjected to laboratory tests, using aluminum and CFRP structures. The 12 channel system has been designed to be low weight (265 grams only), to have a small form factor, to be directly mounted above the integrated PhA transducers without need for cables and to be EMI protected so that the equipment can be taken on board an aircraft to perform required SHM analyses by use of embedded SHM algorithms. Moreover, the autonomous, automatic and on real-time working procedure makes it suitable for the avionic field, sending the corresponding alerts, maps and reports to external equipment.

Debonding identification in FRP-plated RC structures using PZT sensors

The application of the Electro-Mechanical Impedance (EMI) method for damage detection in Structural Health Monitoring has noticeable increased in recent years. EMI method utilizes piezoelectric transducers for directly measuring the mechanical properties of the host structure, obtaining the so called impedance measurement, highly influenced by the variations of dynamic parameters of the structure. These measurements usually contain a large number of frequency points, as well as a high number of dimensions, since each frequency range swept can be considered as an independent variable. That makes this kind of data hard to handle, increasing the computational costs and being substantially time-consuming. In that sense, the Principal Component Analysis (PCA)-based data compression has been employed in this work, in order to enhance the analysis capability of the raw data. Furthermore, a Support Vector Machine (SVM), which has been widespread used in machine learning and pattern recognition fields, has been applied in this study in order to model any possible existing pattern in the PCAcompress data, using for that just the first two Principal Components. Different known non-damaged and damaged measurements of an experimental tested beam were used as training input data for the SVM algorithm, using as test input data the same amount of cases measured in beams with unknown structural health conditions. Thus, the purpose of this work is to demonstrate how, with a few impedance measurements of a beam as raw data, its healthy status can be determined based on pattern recognition procedures.

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

Structural health monitoringby using transmissibility

El control del estado en el que se encuentran las estructuras ha experimentado un gran auge desde hace varias décadas, debido a que los costes de rehabilitación de estructuras tales como los oleoductos, los puentes, los edificios y otras más son muy elevados. En las últimas dos décadas, se han desarrollado una gran cantidad de métodos que permiten identificar el estado real de una estructura, basándose en modelos físicos y datos de ensayos. El ensayo modal es el más común; mediante el análisis modal experimental de una estructura se pueden determinar parámetros como la frecuencia, los modos de vibración y la amortiguación y también la función de respuesta en frecuencia de la estructura. Mediante estos parámetros se pueden implementar diferentes indicadores de daño. Sin embargo, para estructuras complejas y grandes, la implementación de metodologías basadas en la función de respuesta en frecuencia requeriría realizar hipótesis sobre la fuerza utilizada para excitar la estructura. Dado que el análisis modal operacional utiliza solamente las señales de respuesta del sistema para extraer los parámetros dinámicos estructurales y, por tanto, para evaluar el estado de una estructura, el uso de la transmisibilidad sería posible. En este sentido, dentro del análisis modal operacional, la transmisibilidad ha concentrado mucha atención en el mundo científico en la última década. Aunque se han publicado muchos trabajos sobre el tema, en esta Tesis se proponen diferentes técnicas para evaluar el estado de una estructura basándose exclusivamente en la transmisibilidad. En primer lugar, se propone un indicador de daño basado en un nuevo parámetro, la coherencia de transmisibilidad; El indicador se ha valido mediante resultados numéricos y experimentales obtenidos sobre un pórtico de tres pisos. En segundo lugar, la distancia de Mahalanobis se aplica sobre la transmisibilidad como procedimiento para detectar variaciones estructurales provocadas por el daño. Este método se ha validado con éxito sobre una viga libre-libre ensayada experimentalmente. En tercer lugar, se ha implementado una red neuronal basada en medidas de transmisibilidad como metodología de predicción de daño sobre una viga simulada numéricamente. ABSTRACT Structural health monitoring has experienced a huge development from several decades ago since the cost of rehabilitation of structures such as oil pipes, bridges and tall buildings is very high. In the last two decades, a lot of methods able to identify the real stage of a structure have been developed basing on both models and experimental data. Modal testing is the most common; by carrying out the experimental modal analysis of a structure, some parameters, such as frequency, mode shapes and damping, as well as the frequency response function of the structure can be obtained. From these parameters, different damage indicators have been proposed. However, for complex and large structures, any frequency domain approach that relies on frequency response function estimation would be of difficult application since an assumption of the input excitations to the system should be carried out. Operational modal analysis uses only output signals to extract the structural dynamic parameters and, therefore, to identify the structural stage. In this sense, within operational modal analysis, transmissibility has attracted a lot of attention in the scientific field in the last decade. In this work new damage detection approaches based on transmissibility are developed. Firstly, a new theory of transmissibility coherence is developed and it is tested with a three-floor-structure both in simulation and in experimental data analysis; secondly, Mahalanobis distance is taken into use with the transmissibility, and a free-free beam is used to test the approach performance; thirdly, neural networks are used in transmissibility for structural health monitoring; a simulated beam is used to validate the proposed method.