Dynamics of Civil Structures, Volume 2
Proceedings of the 41st IMAC, A Conference and Exposition on Structural Dynamics 2023
- 2024
- Buch
- Herausgegeben von
- Hae Young Noh
- Matthew Whelan
- P. Scott Harvey
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
Über dieses Buch
Dynamics of Civil Structures, Volume 2: Proceedings of the 41st IMAC, A Conference and Exposition on Structural Dynamics, 2023, der zweite zehnbändige Band der Konferenz versammelt Beiträge zu diesem wichtigen Bereich der Forschung und Technik. Die Sammlung präsentiert frühe Erkenntnisse und Fallstudien zu grundlegenden und angewandten Aspekten der Dynamik ziviler Strukturen, darunter Aufsätze zu: Strukturelle Schwingungen, strukturelle GesundheitsüberwachungMensch-Struktur-InteraktionSchwingungskontrolle und SchadensminderungInnovative Sensorik für strukturelle AnwendungenSmart Structures and AutomationModal Identification of Structural Systems Dynamics of Buildings, Brücken und Off-Shore-Plattformen
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Über dieses Buch
Dynamics of Civil Structures, Volume 2: Proceedings of the 41st IMAC, A Conference and Exposition on Structural Dynamics, 2023, the second volume of ten from the Conference brings together contributions to this important area of research and engineering. The collection presents early findings and case studies on fundamental and applied aspects of the Dynamics of Civil Structures, including papers on:
Structural VibrationsStructural Health MonitoringHuman-Structure InteractionVibration Control and MitigationInnovative Sensing for Structural ApplicationsSmart Structures and AutomationModal Identification of Structural SystemsDynamics of Buildings, Bridges, and Off-Shore Platforms
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Inhaltsverzeichnis
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Frontmatter
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Chapter 1. Forced Response Measurements on a Seven-Story Timber Building
A. Linderholt, P. Landel, M. JohanssonDas Kapitel beschreibt die Schwingungstestkampagne am siebenstöckigen Holzhaus Eken in Mariestad, Schweden, das Teil des Dyna-TTB-Projekts ist. Mithilfe von Massenträgheitskräften, die von einem APS 420 Shaker und empfindlichen Beschleunigungssensoren erzeugt wurden, konnten die fundamentalen und globalen Eigenmodi erfolgreich extrahiert werden. Zu den wichtigsten Ergebnissen zählen die erste Biegemodus-Frequenz von 2,4 Hz mit 1,6% relativer viskoser Dämpfung und die erste Drehmodus-Frequenz von 2,7 Hz mit 1,9% Dämpfung. Diese Ergebnisse tragen zur Wissensbasis über die Dämpfung in Holzhochhäusern bei, die für die zukünftige Planung und Konstruktion hoher Holzkonstruktionen unverzichtbar ist.KI-Generiert
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AbstractWithin the project Dyna-TTB, vibrational tests have been conducted on eight high-rise timber buildings, in Europe. A main objective of the project is to gain knowledge about damping in timber buildings to assist in predicting the accelerations, at the top of a building, due to wind-induced vibrations.One of the buildings is Eken (the oak) in Mariestad in Sweden. That building is seven stories tall, thus questionable as a tall timber building, yet an interesting test object. The building structure is made up of glue laminated timber beams and columns stabilized with glulam trusses.Forced vibration were conducted on Eken with the aim to estimate the building’s dynamic properties from test data. Estimates of the eigenfrequencies, mode shapes, and their scalings are useful both in the calculations of wind-induced vibrations and to calibrate numerical models. However, the most important outcome is estimates of the modal damping values. The damping impacts the acceleration and thus the serviceability of the building, and at the same time, it is very hard to model damping. So, during the design phase, one must rely on previous test data (of which very few exist for taller timber buildings) and rule of thumbs. It is therefore important to gain knowledge about the damping for timber buildings in order to enable good designs of future and taller timber buildings. -
Chapter 2. Application of a Structural Digital Twin on a Laboratory Model for Performance Monitoring of Aging and Degradation
Lauren Thomas, Timothy Kernicky, Matthew Whelan, Youngjin Park, Robert CoxDas Kapitel befasst sich mit der Anwendung eines strukturellen digitalen Zwillings auf ein Labormodell, wobei der Schwerpunkt auf der Leistungsüberwachung von Alterung und Degradation liegt. Es beginnt damit, die von Tao et al. beschriebene fünfdimensionale Architektur eines vollständigen digitalen Zwillings zu skizzieren. und Jiang et al. Anschließend beschreiben die Autoren detailliert die Entwicklung von Modellen für eine modulare Laborwand, die so konzipiert, so gebaut und so ist, wie sie ist. Das so konzipierte Modell wird auf der Grundlage erster Konstruktionsspezifikationen erstellt, während das so konstruierte Modell geometrische Messungen und Materialprüfberichte enthält. Das Ist-Modell, das durch eine Aktualisierung des probabilistischen Modells aufrechterhalten wird, nutzt Daten zur Leistungsüberwachung, um Veränderungen in der Struktur im Laufe der Zeit zu verfolgen. Das Kapitel enthält auch eine Fallstudie über eine Stahlplatten-Verbundwand im Modellmaßstab, die den Einsatz eines digitalen Zwillings für das Alterungsmanagement demonstriert. Experimentelle Modalanalyse und statische Belastungstests werden eingesetzt, um die Vorhersagetreue der Modelle zu überprüfen. Die Autoren schließen mit der Hervorhebung der Vorteile der Verknüpfung bestehender geometrischer Daten und Leistungsmessungen mit dem virtuellen Modell, wodurch die Vorhersagefähigkeiten des digitalen Zwillings verbessert werden.KI-Generiert
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AbstractThe application of digital twin technology offers the potential to significantly enhance the reliability and performance of structural health monitoring techniques by providing detailed information on, and measurements of, the as-built properties and performance of structures. In addition, a digital twin provides greater support for the application of probabilistic methods for prognostication and risk assessment following model updating and diagnostics provided by structural health monitoring. To date, digital twins have been predominantly applied in the advanced manufacturing space, although the increased use of modular and prefabricated construction has driven interest in the extension of digital twin technology to both civil and nuclear structures. This chapter details the implementation of a structural digital twin and investigates its influence on the performance of a Bayesian vibration-based structural health monitoring approach. In this chapter, a digital twin is developed throughout the construction of a model-scale steel-plate composite modular wall in a laboratory environment. Throughout the design, fabrication, and erection of the specimen, design calculations, numerical models, LiDAR point clouds, physical measurements of geometric features, and quality control inspection data are integrated into a digital twin framework to develop an as-built representation of the structural geometry, material properties, and condition throughout the stages of construction. The modular nature of the construction results in different effective section properties for wall modules as the early-age elastic properties of the structural concrete are developed. This time dependency of the section properties is leveraged to produce a series of datasets where structural parameters in the model evolve due to aging. Probabilistic model updating using modal parameters obtained from experimental modal analyses is used for structural identification of the as-built model. Static loading of the specimen with supplemental instrumentation is used to validate the parameter estimates. The performance of the vibration-based structural identification is evaluated both with and without the as-built information produced by the structural digital twin framework. -
Chapter 3. Full-Scale Multi-Dataset OMA on a 368-Meter High TV and Radio Transmission Tower
L. Gaile, S. D. R. Amador, E. Lydakis, R. BrinckerDas Kapitel präsentiert eine detaillierte Fallstudie der Operational Modal Analysis (OMA), die auf einen 368 Meter hohen Fernseh- und Radioturm in Riga angewendet wurde. Darin werden die Herausforderungen und Methoden untersucht, die mit der Schätzung von Modalparametern wie Eigenfrequenzen, Dämpfungsverhältnissen und Modus-Formen mithilfe von Umgebungsschwingungen verbunden sind. Die Studie vergleicht historische Testergebnisse von 1989 mit modernen OMA-Techniken und zeigt signifikante Verbesserungen bei der Genauigkeit und der Fähigkeit, komplexe Modus-Formen zu identifizieren. Das Kapitel behandelt auch die Synchronisierung von Messdaten aus verschiedenen Quellen und die Grenzen der Dämpfungsverhältnis-Identifikation in kurzen OMA-Prüfprogrammen. Die praktische Anwendung von OMA-Techniken auf dieser hohen und historisch bedeutsamen Struktur bietet wertvolle Einblicke in die Entwicklung und Einsatzbereitschaft dieser Methoden für die industrielle Anwendung.KI-Generiert
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AbstractThe state-of-the-art OMA algorithms have been used to identify the dynamic parameters from output-only vibration data acquired in a testing campaign carried out on a remarkable 368 m high steel structure, namely, the Riga Television and Radio transmission tower. The structure is unique both in terms of the structural system and of societal relevance since it is a historical monument and a landmark for Riga, one of the capitals of the Baltic States. Two independent acquisition systems were used to measure the vibration responses of the tower at a total of 48 DOFs along its height.Each acquisition system is constituted of two 3D vibration sensors. One of the acquisition systems is used as a reference, and the other one is a moving system. The latter was relocated to different stories and antenna, and the former remained at the same (reference) storey throughout the test. Because the two different systems were not synchronized, advanced post-processing techniques were employed to synchronize the different datasets and subsequently identify the global modal properties of the tower. -
Chapter 4. Acceleration Evaluation of a High-Speed Railway PC Box Girder Bridge with Slab Track
Haruki Yotsui, Kodai Matsuoka, Kiyoyuki KaitoDas Kapitel untersucht die Resonanzphänomene bei Hochgeschwindigkeitsbahnbrücken, wobei der Schwerpunkt auf einer PC-Kastenträgerbrücke mit Plattengleis in Japan liegt. Er diskutiert die Verschiebung der Designstandards, um der Resonanz Rechnung zu tragen, und die Unterschiede bei den europäischen Standards. Die Studie umfasst Mehrpunktbeschleunigungsmessungen während der Zugdurchfahrt und die Identifizierung von Schwingungsmodi mit der ERA-Methode. Es beleuchtet die Auswirkungen lokaler Deck-Vibrationen auf die modalen Eigenschaften und bewertet die Deck-Beschleunigung auf Grundlage von Eurocode-Standards. Die Ergebnisse zeigen, dass die Vibration des Decks die Bewertung der Decksbeschleunigung bis 30 Hz nicht signifikant beeinflusst und nur globale Modi niedrigerer Ordnung in Betracht gezogen werden müssen. Das Kapitel schließt mit Vorschlägen für zukünftige Forschungen zur weiteren Validierung dieser Ergebnisse.KI-Generiert
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AbstractThe resonance of railway bridges that occurs under high-speed trains passage is an important academic and practical issue. The bridge design code in Europe (Eurocode) sets an upper limit of 5 m/s2 on the bridge deck acceleration for a slab type track. However, the performance of high-speed railway bridges regarding train-induced deck acceleration specified in Eurocode has not been sufficiently verified. In this study, a slab track type PC box girder bridge in Japanese high-speed railway is targeted, and multipoint acceleration measurement is conducted. Based on the measurement results, the global and deck local modal characteristics are identified with ERA method, and the maximum deck acceleration is evaluated. As a result, the maximum deck acceleration of the bridge is much lower than the Eurocode limit value of 5 m/s2 even under the resonance condition. Unlike previous reports for European composite box girder bridges, the main deck vibration modes of the bridge are over 40 Hz, thus the deck local vibration did not affect the evaluation of deck acceleration. -
Chapter 5. Examining Methods for Modeling Road Surface Roughness Effects in Vehicle–Bridge Interaction Models via Physical Testing
Omar Abuodeh, William Locke, Laura Redmond, Rakesh Vulchi Sreenivasulu, Matthias SchmidDas Kapitel untersucht Methoden zur Modellierung der Rauhigkeitseffekte von Straßenoberflächen in Modellen der Fahrzeug-Brücke-Interaktion (VBI) durch physikalische Tests. Es kalibriert ein Fahrzeugmodell anhand von Beschleunigungsdaten aus Straßentests und simuliert verschiedene Rauhigkeitseffekte auf Grundlage der ISO-8608-Normen. Die Studie vergleicht die simulierten Beschleunigungsreaktionen mit experimentellen Daten, wobei die Auswirkungen verschiedener Rauheitsfaktoren auf der Straße und die Anwendung eines Moving Average Filters (MAF) auf das dynamische Verhalten des Fahrzeugs hervorgehoben werden. Das Kapitel schließt mit Empfehlungen zur Verbesserung der Darstellung der Rauhigkeitseffekte von Straßenoberflächen in VBI-Modellen, wobei die Bedeutung einer realistischen Fahrzeugmodellierung für die Überwachung der strukturellen Gesundheit betont wird.KI-Generiert
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AbstractNumerically simulating vehicle–bridge interaction (VBI) models within finite-element models (FEMs) has been a topic of interest over the last two decades. Its applications have been well-established in the structural health monitoring community for extracting the dynamic properties of bridges using instrumented vehicles. Often times, analytically generated surface profiles adopted from renowned standards such as the ISO-8608 are used to simulate road surface conditions and approach a more realistic model. However, previous analytical studies have indicated that current methodologies for modeling the effect of road surface roughness on the vehicle response tend to exaggerate the dynamic response of a vehicle and overshadow bridge frequencies in the vehicle response. To alleviate this issue, several studies have recommended relatively low-amplification roughness factors (\(G_d\)) or have used a moving average filter (MAF) to de-noise analytically generated surface profiles prior to prescribing it into the FEM, but to the authors’ knowledge no experimental investigation has been conducted to validate these recommendations. In this chapter, a full-scale road test is conducted using a passenger vehicle instrumented with accelerometers. A vehicle model is developed using the bicycle concept to approximate the dynamic response of the tested vehicle while including road surface roughness effects. The results are then compared to observe whether the vehicle model contains higher acceleration amplitude values than those of the experiment while using ISO-8608’s \(G_d\) factors for the appropriate road class observed in the test. It is concluded that low \(G_d\) factors, which are commonly used in VBI studies, seem to underestimate the surface roughness effects and thus produce an unrealistic VBI model. Moreover, the use of higher \(G_d\) factors without the implementation of a MAF tends to significantly exaggerate the vehicle’s response. The implementation of a MAF was successful in attenuating high frequency noise while also reducing the acceleration amplitude of the vehicle, but the \(G_d\) value still needed to be relatively low to represent the data from the road testing. Finally, the study concludes with recommendations on how to improve the current approach for modeling road surface roughness in VBI problems and suggestions for future work.For feedback and support, please see the https://github.com/omarabuodeh1994/surface_roughness.git. No promises are made in terms of timely help from the author. -
Chapter 6. A Very Efficient Method to Estimate Statistics in the Spectral Domain: Application to the Aero- and Hydro-Elastic Responses of a Floating Bridge
M. Geuzaine, J. Heremans, Ole Øiseth, V. DenoëlDas Kapitel stellt eine hocheffiziente spektrale Analysemethode zur Schätzung von Statistiken im spektralen Bereich vor, die speziell auf die aero- und hydroelastischen Reaktionen einer schwimmenden Brücke angewendet wird. Traditionelle Methoden kämpfen mit den unterschiedlichen Zeitskalen freier Oszillationen und Ladevorgänge, was umfangreiche Simulationen und numerische Integrationen erfordert. Die vorgeschlagene Methode, die Multiple Timescale Spectral Analysis, nutzt die Trennung der Zeitskalen, um analytische Formeln abzuleiten, die die Rechennachfrage drastisch reduzieren. Dieser Ansatz wird auf der Bjørnafjorden-Brücke demonstriert und zeigt bemerkenswerte Genauigkeit und eine 100-fache Verkürzung der Rechenzeit im Vergleich zur numerischen Integration. Die Methode ist besonders effektiv im Umgang mit frequenzabhängigen Eigenschaften und nicht-klassischen Dämpfungen und liefert ein klares Verständnis des Verhaltens der Brücke unter Wind- und Wellenlasten. Obwohl derzeit auf Statistiken zweiter Ordnung beschränkt, gibt es Bestrebungen, die Methode auf Statistiken höherer Ordnung auszuweiten, um Nichtgaußentum und Nichtlinearitäten zu berücksichtigen.KI-Generiert
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AbstractThis chapter presents a very efficient method to perform the spectral analysis of structures subjected to both wind and wave loadings at second order. It hinges on a framework called the Multiple Timescale Spectral Analysis, which generalizes the Background/Resonant decomposition. It offers therefore a quick way to estimate the variances and the covariances of modal responses, with a small but controllable discrepancy. This method also helps to better understand the behavior of the structure at stake as it shows how the statistics of the modal responses are distributed between the background, the resonant and the inertial regimes. -
Chapter 7. System Identification of a Steel Arch Bridge Using Ambient Vibration Tests, Video-Motion Analysis Technique, and Modal Response Analysis
Mehrtash Motamedi, Carlos E. VenturaDas Kapitel konzentriert sich auf die Systemidentifikation einer Stahlbogenbrücke in British Columbia, Kanada, unter Verwendung fortschrittlicher Techniken wie Schwingungstests der Umgebung, Videobewegungsanalyse und Modalreaktionsanalyse. Die Studie zielt darauf ab, die Modalfrequenzen und -formen der Brücke zu bestimmen, um ihre Kapazität unter Live-Belastung auf der Autobahn zu beurteilen. Die 1960 errichtete Brücke wurde mehreren Erneuerungsmaßnahmen unterzogen, wodurch es von entscheidender Bedeutung ist, ihre derzeitige strukturelle Integrität zu beurteilen. Das Prüfprogramm umfasst statische Tests, Geschwindigkeitstests und Umgebungsvibrationstests, die jeweils darauf ausgelegt sind, die dynamischen Eigenschaften der Brücke zu erfassen. Die Ergebnisse zeigen die grundlegende Frequenz der Brücke von 1.677 Hz und identifizieren 11 modale Frequenzen im Bereich von 0 bis 20 Hz. Die Analyse unterstreicht auch die Flexibilität der Brückenstützen, die für die Kalibrierung von Computermodellen von entscheidender Bedeutung ist. Der Einsatz von Videobewegungsanalysetechniken bestätigt die vertikale Verformung des Bogens und liefert ein umfassendes Verständnis des dynamischen Verhaltens der Brücke. Diese detaillierte Analyse bietet wertvolle Erkenntnisse für die Inspektion und Wartung von Brücken und macht das Kapitel zu einem Pflichtlektüre für Fachleute auf diesem Gebiet.KI-Generiert
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AbstractThis chapter describes how the modal properties of bridges can be identified by ambient vibration tests and modal analysis. For this purpose, a typical steel arch highway bridge in the Province of British Columbia, Canada, was selected and subjected to a series of ambient vibration measurements. Modal response analysis was then performed to identify the dynamic properties of the structure, including predominant natural frequencies and the corresponding mode shapes to support seismic assessment and upgrading of the bridge. The bridge was constructed in 1960 and consists of a 72.3 m long single span. The superstructure consists of three tied arches, with a steel ladder deck system comprised of transverse floor beams (located at the arch hanger points) and longitudinal stringers, supporting a cast-in-place concrete deck.The ambient vibration testing method was implemented using sophisticated methods of modal analysis. Vibration tests were conducted at the bridge in order to determine the dynamic modal properties (modal frequencies and mode shapes) of the bridge. The testing program consisted of static tests, speed test, and ambient vibration tests including multiple measurement setups. Tromino® velocity/acceleration wireless sensors were used for these measurements which were placed on predetermined locations. The computer program ARTeMIS was used to perform the system identification of the structure. The software allows to develop a 3D model of the structure and test points; the resulting mode shapes are displayed using this geometry. Two different techniques were used for modal identification: Enhanced Frequency Domain Decomposition (EFDD), and Stochastic Subspace Identification (SSI). These two modal identification techniques were used to cross-validate the results. The joint analysis of the signals measured in various strategic points of the structure made it possible to identify the modal configurations and the corresponding natural frequencies.As result, a total of 11 modes were identified in the 0–20 Hz range. Modal frequencies, modal damping, and mode shape were identified for each of the 11 modes. The modes associated with torsional response of the deck showed that the bridge supports are flexible. Video-motion analysis of videos obtained during the load tests were also used to estimate the vertical deformation of the arch near its center. The results were consistent with those obtained from a topographical survey during the load tests. -
Chapter 8. Structure-Agnostic Gait Cycle Segmentation for In-Home Gait Health Monitoring Through Footstep-Induced Structural Vibrations
Yiwen Dong, Hae Young NohDas Kapitel untersucht das Potenzial struktureller Vibrationen, die durch menschliche Schritte verursacht werden, für die Überwachung der Ganggesundheit. Es führt ein kostengünstiges, weitreichendes Rahmenwerk zur Segmentierung von Gangzyklen in kritische Phasen ein, wie etwa die Haltungs- und Schwungphasen, wobei spärlich montierte Vibrationssensoren zum Einsatz kommen. Die primäre Herausforderung ist das komplexe Zusammenspiel zwischen Gangphasen und strukturellen Eigenschaften, das durch die Charakterisierung der strukturellen Reaktionen im Frequenzbereich und die Formulierung des strukturellen Einflusses überwunden wird. Die Methode wird anhand zweier unterschiedlicher Strukturen bewertet und zeigt konsistente Ergebnisse und einen durchschnittlichen Fehler von nur 5% bei der Erkennung von Gangereignissen und Segmentierungsphasen. In diesem Kapitel werden auch die physikalischen Einsichten hinter schrittinduzierten strukturellen Vibrationen und zukünftigen Arbeitsrichtungen diskutiert, einschließlich feinkörniger Gangzyklussegmentierung, Schätzung mehrerer Gangparameter und multimodaler Fusion zur robusteren Ganganalyse zu Hause.KI-Generiert
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AbstractThis chapter aims to characterize the structural vibrations induced by footsteps to segment a sequence of gait patterns into critical gait phases (including stance phase and swing phase) for in-home gait health monitoring across various floor structures. Gait cycle segmentation is an essential step in quantitative gait assessments for early diagnosis and progressive tracking of neuroskeletal and neuromuscular disorders. Especially, in-home monitoring of peoples’ gait health is beneficial for low-income families and those who have limited access to medical services. Existing studies have adopted cameras, wearable devices, and force plates/pressure mats to segment gait cycles, but they have operational requirements such as direct line-of-sight, carrying devices, and dense deployment, which are not practical for continuous monitoring at an individual’s home. In this chapter, we develop a gait cycle segmentation framework through footstep-induced structural vibrations. The primary research challenges are the complex interplay of the: (1) gait phases and (2) structural properties with the vibration signals. First, gait involves a continuous sequence of multiple types of motions, making it challenging to separate them. Second, people’s living spaces have distinct types of floor structures, leading to difficulty of adapting our framework to multiple structure types. To address the first challenge, we leverage the main insight that human motions at the onset of each gait phase (e.g., heel strike and toe-off) involve unique types of excitation force (e.g., impulsive vs. friction forces). These forces incur peaks at distinct frequency ranges in the responses of the structure. Therefore, we separate gait phases by analyzing the structural responses over various frequency ranges. Second, to make our framework structure-agnostic, we formulate the structural influence on the vibration signals and extract structure-dependent features to represent such influence. Overall, our framework first identifies the structure-dependent dominant frequency ranges for each structure through a time–frequency-domain analysis and extracts vibration signals within these frequency ranges. It then detects time-domain peaks within each structure-dependent frequency range to identify the onset of gait phases. We evaluate our method on two different structures in a real-world setting and achieved consistent results with only a 5% average error in detecting various gait phases. -
Chapter 9. Feasibility of Using Accelerometers to Detect Human Footsteps for Cadence Estimation on Health Sciences
Jean M. Franco, Yohanna MejiaCruz, Juan M. Caicedo, Zhaoshuo JiangDieses Kapitel untersucht die Durchführbarkeit des Einsatzes seismischer Beschleunigungssensoren, um menschliche Schritte anhand von Bodenschwingungen zur Trittfrequenzabschätzung zu erkennen. Es stellt den Peak Acceleration for Cadence Estimation (PACE) -Algorithmus vor, der auf hohen Energiespitzen bei den Beschleunigungssignalen in der Zeitdomäne aufbaut. Das Kapitel beschreibt auch die Entwicklung eines speziellen Trittfrequenzfilters zur Verbesserung der allgemeinen Trittfrequenzschätzung. Validierungsexperimente wurden in einem mit vier Beschleunigungssensoren ausgestatteten Flur durchgeführt, wobei eine Versuchsperson mit drahtlosen APDM-Sensoren in unterschiedlichem Tempo ging. Die Ergebnisse zeigten ein hohes Maß an Genauigkeit bei der Schritterkennung und Trittfrequenzeinschätzung, wobei der spezialisierte Filter unwahrscheinliche Instant-Cadence-Schätzungen effektiv beseitigt. Das Kapitel schließt mit der Hervorhebung des Potenzials des PACE-Algorithmus für die nicht-intrusive Verfolgung von Gangparametern bei älteren Erwachsenen, die eng mit dem Gesundheitszustand korreliert ist.KI-Generiert
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AbstractIn recent years, tracking gait parameters of older adults in a non-intrusive way is attacking a lot of attention in the community due to their close correlation with health status. This chapter attempts to investigate the feasibility of using seismic accelerometers to detect human footsteps from floor vibration measurements for cadence estimation. Algorithms building upon high energy peaks in the time-domain acceleration signals were proposed to estimate cadence, and the proposed technique is called the peak acceleration for cadence estimations (PACE). A specialized cadence filter was also developed and implemented to improve the overall cadence estimation from three-step instant cadence estimations. To validate the proposed algorithms, a hallway with four accelerometers placed behind a wall was used as a testbed to measure the structural response generated by the footsteps. A subject walking at three different paces with wireless APDM sensors, the gold standard in health science to measure gait parameters, was used to generate ground-truth data for validation. The results showed that proposed algorithms successfully detect human footsteps with a high degree of accuracy and that the estimated cadence was highly correlated with the cadence measured by the APDM sensors. The specialized filter was able to clean out highly unlikely instant-cadence estimations that substantially improved the overall cadence estimation. -
Chapter 10. Assessment of a Vision-Based Technique to Estimate the Synchronization of Jumping Crowds in Civil Structures
S. Turrisi, E. Zappa, A. CigadaDas Kapitel stellt eine neuartige, visionsbasierte Technik zur Abschätzung der Synchronisation springender Menschenmassen in zivilen Strukturen vor und behandelt das kritische Problem resonanter Phänomene, die durch Crowd-Aktivitäten hervorgerufen werden. An der Studie, die im Giuseppe-Meazza-Stadion in Mailand durchgeführt wurde, nahmen 183 Freiwillige teil, die zu verschiedenen Liedern und Metronom-Beats hüpften. Die Methode, die auf der digitalen Bildkorrelation (DIC) beruht, wurde durch den Vergleich von Schätzungen mit herkömmlichen Referenzsensoren validiert und zeigte eine hohe Genauigkeit. Zwei Schlüsselindikatoren, das Synchronisationsniveau (SL) und der dynamische Auslastungsfaktor (DLF), wurden eingeführt, um das Verhalten der Menge und die Auslastungsintensität zu quantifizieren. Die Ergebnisse heben das niedrige Synchronisierungsniveau der Teilnehmer und die Beziehung zwischen Synchronisation, Auslastungsfaktor und Liedbeteiligung hervor. Diese Forschungsergebnisse liefern wertvolle Erkenntnisse für die Gestaltung und Bewertung von Tribünenstrukturen und unterstreichen die Bedeutung des Verständnisses dynamischer Crowd-Aktivitäten.KI-Generiert
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AbstractVibration serviceability criteria for civil structures follow a three-step framework, namely the excitation source, the path and the receiver. The first step, which is also the focus of this study, deals with the characterization of human-induced loads. However, the design models reported in the current guidance and codes are very often overly conservative and cannot adequately represent the real nature of crowd excitation. In this work, we present a computer vision technique, based on the use of Digital Image Correlation (DIC), as a solution to this problem. In addition to a cheap and an easy to install set up, the system can provide a comprehensive assessment of the coordinate motion induced by occupying crowds of various sizes. To demonstrate the efficacy of the proposed method, the measured DIC data are compared to those coming from the accelerometers installed on multiple subjects while performing jumping activities on a real grandstand. Then, the vision-based approach is used to study and to quantify the level of synchronization among the individuals for a range of songs and metronome beats. Results demonstrate that the DIC technique achieves similar performance as the inertial sensors but overcomes some practical limitations related to these traditional systems. -
Chapter 11. Human-Structural Dynamics Interfaces Using Augmented Reality
Fernando Moreu, Elijah WyckoffDas Kapitel geht den Herausforderungen der menschlichen Überwachung struktureller Reaktionen nach und stellt Augmented Reality (AR) als Lösung zur Verringerung der kognitiven Belastung vor. Es stellt eine Methodik zur Schaffung einer neuen Kommunikationspipeline zwischen Sensoren, Menschen und Robotern unter Verwendung der AR-Technologie vor. Die Forschung wendet AR an, um Satellitendynamik und Robotersteuerung zu visualisieren und vorläufige Ergebnisse zu zeigen, die das Verständnis und die Entscheidungsfindung verbessern. Das Kapitel schließt mit der Betonung der Bedeutung eines menschenzentrierten Rahmens für die strukturelle Gesundheitsüberwachung, in dem AR zusätzliche Informationen liefert, ohne die Beobachtung des physischen Raums durch den Experimentator zu behindern.KI-Generiert
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AbstractThis chapter summarizes the work investigating the capability of interfacing human control of vibrations with a new interface between vibrations and humans. The area of interest is structural dynamics, especially in experimentation and structural health monitoring (SHM) methods. The researchers developed a new interface to enable that the inspector maintain awareness of test structures while observing sensor data and inputting control on real time. Sensor data does not collect other contextual information of critical value to the operator during the experiment, therefore the human needs to observe the experiment in person to better assess the actual behavior of the structure as well as to identify the quality of the test. The researchers developed a new augmented reality (AR) interface in the laboratory that can also be utilized in the field that shares the information of dynamics with the operators on real time and further investigated the effect of this interface in the controlling abilities of humans with and without this interface. The results include time domain and frequency domain comparisons, as well as future laboratory applications including sensor deployment and augmented robotic control. -
Chapter 12. The Effects of an Extended Sensitivity Analysis of Sensor Configurations for Bridge Damage Detection Using Experimental Data
Gabriel A. del Pozo, Bjørn T. Svendsen, Ole ØisethDas Kapitel untersucht die Auswirkungen der Sensorkonfiguration auf die Erkennung von Brückenschäden anhand einer erweiterten Sensitivitätsanalyse. Sie konzentriert sich auf die Hell Bridge Test Arena, eine experimentelle Testbrücke in vollem Umfang, und nutzt Daten von Beschleunigungsmessern, um Schäden durch maschinelles Lernen zu identifizieren. Die Studie unterstreicht die Bedeutung von Sensordichte und -platzierung und zeigt, dass bestimmte Sensorkonfigurationen der Leistung eines vollständigen Sensorsets entsprechen können. Die Ergebnisse zeigen, dass zwar immer noch weniger Sensoren Schäden erkennen können, aber das Risiko eines erheblichen Informationsverlustes besteht. In diesem Kapitel werden auch die Herausforderungen und Komplexitäten bei der Auswahl optimaler Sensorkonfigurationen zur Schadenserkennung diskutiert.KI-Generiert
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AbstractThe damage detection capabilities of sensor setups are essential for any structural health monitoring (SHM) system. In this chapter, the performance of different subsets of sensor configurations selected from a set of 40 accelerometers is evaluated using metrics such as misclassification rate, false positive (FP), and false negative (FN) indications of damage. The subsets of sensor configurations are based on experimental data from a benchmark study that involved capturing the dynamic behavior of a full-scale steel bridge in undamaged and damaged conditions of the bridge. Several iterations with new subsets of decreasing size are generated by the elimination of random sensors. These subsets are then tested using Mahalanobis squared distance (MSD) as the novelty detection algorithm. Additionally, a manual selection of subsets is evaluated, where the sensors located farthest from the damages are eliminated. The results highlight the advantages of a dense sensor network and indicate a complex mechanism behind the damage detection capabilities of sensor networks with a clear trend of inverse proportionality between the sensor set size and FN indications of damage. -
Chapter 13. Localization of Structural Damage Based on First Passage Times for a Pre-stressed Steel Strip
K. Theunissen, E. Verstraelen, J. -C. Golinval, V. DenoëlDieses Kapitel vertieft sich in die Lokalisierung von Strukturschäden in einem Spannstahlband, indem es das Konzept der First Passage Times (FPT) und deren Histogramme nutzt. Aufbauend auf früheren Arbeiten, die den Einsatz von FPT-Karten zur Schadenserkennung gezeigt haben, konzentrieren sich die Autoren auf den Aspekt der Lokalisierung. Die Studie umfasst einen Versuchsaufbau mit einem Stahlband, einem horizontalen Shaker und einem Laserwandler sowie ein numerisches Modell, das mit bayesianischen Methoden aktualisiert wurde. Schäden werden simuliert, indem ein kleiner kubischer Magnet an verschiedenen Stellen platziert wird, und die Reaktion der Struktur wird gemessen und analysiert. Der Kolmogorov-Smirnov-Test wird verwendet, um experimentelle und numerische FPT-Histogramme zu vergleichen, wobei p-Werte als Indikatoren für die Schadenslage dienen. Die Ergebnisse zeigen vielversprechende Genauigkeit, insbesondere wenn man den durchschnittlichen p-Wert zur Ermittlung von Schadensszenarien heranzieht. Das Kapitel schließt mit Vorschlägen für weitere Verbesserungen, wie die Verwendung mehrerer Biegemodi zur Verbesserung der Lokalisierungspräzision.KI-Generiert
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AbstractFirst passage time (FPT) maps and histograms of FPT are known to be capable of detecting slight deliberately operated structural changes in a steel strip. In this chapter, the question of the localization of the damage is tackled. It is studied by comparing the predictions of a 2-D updated finite-element model and the observed experimental results. We numerically simulated various damage scenarios by modifying the damage location until a good match of FPT histograms was found with the experimental investigations of virtually damaged structures. The detection and localization process was proven to be successful, and we attribute it to the large sensitivity of the FPT maps and histograms to slight changes in the model. -
Chapter 14. Experimental Vibration Analysis on the Rykkjem Ferry Dock During Ferry Berthing
Bartosz Siedziako, Aksel Fenerci, Torodd Skjerve NordDas Kapitel präsentiert eine umfassende Studie über den Fähranleger Rykkjem in Norwegen, wobei der Schwerpunkt auf der Schwingungsanalyse liegt, die beim Anlegen der Fähre durchgeführt wurde. Die Forschung zielt darauf ab, die zugrunde liegende Dynamik und die Ladebedingungen von Fähranlegestellen zu verstehen, die für Küstenstaaten wie Norwegen eine entscheidende Infrastruktur darstellen. Die Studie nutzt fortschrittliche Überwachungssysteme und Modalanalysen, um die Auswirkungen von Belastungen und erzwungenen Deformationen zu bewerten, die durch den Fährbetrieb verursacht werden. Die Ergebnisse deuten auf signifikante Unterschiede im dynamischen Verhalten des Fähranlegers in freien und funktionierenden Zuständen hin und liefern wertvolle Daten für die Aktualisierung des Finite-Elemente-Modells und die Früherkennung von Schäden. Das Kapitel hebt auch das Potenzial einer langfristigen Überwachung für eine kosteneffektive Wartungsplanung und Validierung von Konstruktionsansätzen hervor. Durch die Untersuchung von Echtzeitdaten und Modalanalysen bietet die Studie ein tieferes Verständnis der Dynamik von Fähranlegestellen und trägt zu einem sichereren und effizienteren Infrastrukturmanagement bei.KI-Generiert
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AbstractThis chapter presents results from measurements on the Rykkjem ferry dock in Møre and Romsdal county in Norway. The study was conducted as a part of a bigger project that aims to examine the resilience of critical coastal infrastructure when exposed to extreme events. The work presented herein includes a qualitative assessment of recorded time series and describes results from the modal analysis. It is further discussed how long-term monitoring of the existing ferry docks can improve understanding of underlying dynamics, ferry-induced loads and ongoing deterioration processes for ferry dock bridges and as a result of that, improve design safety and the economic aspects when it comes to maintaining this critical part of infrastructure. -
Chapter 15. Application of Impact-Driven Vibrations to Estimate Axial Stress in Continuous Welded Rails
Alireza Enshaeian, Matthew Belding, Piervincenzo RizzoDieses Kapitel stellt einen schwingungsbasierten Ansatz zur Abschätzung der Axialspannung in kontinuierlich geschweißten Schienen (CWR) vor, der die Strukturdynamik und die Finite-Elemente-Analyse (FEM) nutzt. Die Methode beruht auf der Beziehung zwischen den Biegemodi und der Längsspannung, die mithilfe eines maschinellen Lernalgorithmus quantifiziert wird, der auf synthetischen FEA-Daten trainiert ist. Ein Feldtest im Transportation Technology Center in Colorado demonstrierte die Machbarkeit dieser Technik und zeigte vielversprechende Ergebnisse bei der Abschätzung der bahnneutralen Temperatur. Die Studie unterstreicht das Potenzial der vibrationsbasierten Überwachung, um ein Einknicken und Entgleisungen von Schienen zu verhindern, und bietet eine nichtinvasive Alternative zu herkömmlichen Methoden.KI-Generiert
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AbstractTrack segments welded together form a continuous welded rail (CWR). Although CWRs are widely used, they are prone to buckling in warm seasons. To prevent rail buckles, accurate estimates of the axial stress and rail neutral temperature (i.e., the temperature at which the axial stress is zero) are needed. This study proposes a noninvasive method to determine the axial load in CWRs using numeric models and field test data. A general finite element model under varying boundary conditions and axial stresses was formulated. The model was then validated experimentally by testing a real track in the field. During the experiment, the rail was subjected to the impact of an instrumented hammer, and the triggered vibrations were recorded with conventional accelerometers. These vibration frequencies were compared with numerical predictions to estimate the neutral temperature of the rail using a machine learning algorithm. The estimates showed good agreement with the measurements conducted by a third independent party that used a very cumbersome approach based on strain gages. -
Chapter 16. Towards Risk-Informed PBSHM: Populations as Hierarchical Systems
A. J. Hughes, P. Gardner, K. WordenDas Kapitel "Towards Risk-Informed PBSHM: Populations as Hierarchical Systems" befasst sich mit der Weiterentwicklung der bevölkerungsbasierten strukturellen Gesundheitsüberwachung (PBSHM), indem risikoorientierte Entscheidungsfindung integriert wird. Zunächst werden die Grundlagen von PBSHM und die Herausforderungen der Datenverknappung skizziert, dann wird das Konzept hierarchischer Repräsentationen von Strukturen und Bevölkerungen vorgestellt. Das Kernprinzip des PBSHM wird erweitert, um die Entscheidungsfindung sowohl über einzelne Strukturen als auch über Bevölkerungen hinweg zu erleichtern, den Informationsaustausch zu verbessern und die Diagnose- und Prognosefähigkeiten zu verbessern. Das Kapitel diskutiert auch die Ähnlichkeit zwischen Strukturen, Methoden für den Informationstransfer und die Anwendung hierarchischer Repräsentationen auf Strukturpopulationen. Abschließend wird der Wert des Informationstransfers und das Potenzial verbesserter Wartungsstrategien durch die Einführung eines risikobasierten Ansatzes für PBSHM hervorgehoben. Dieses umfassende Rahmenwerk bietet eine neue Perspektive auf die strukturelle Gesundheitsüberwachung und ist daher eine wertvolle Lektüre für Fachleute, die Wartungs- und Betriebsentscheidungen optimieren wollen.KI-Generiert
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AbstractThe prospect of informed and optimal decision-making regarding the operation and maintenance (O&M) of structures provides impetus to the development of structural health monitoring (SHM) systems. A probabilistic risk-based framework for decision-making has already been proposed. The framework comprises four key submodels: the utility model, the failure-modes model, the statistical classifier, and the transition model. The cost model consists of utility functions that specify the costs of actions and structural failures. The failure-modes model defines the failure modes of a structure as combinations of component and substructure failures via fault trees. The statistical classifier and transition model are models that predict the current and future health-states of a structure, respectively. Within the data-driven statistical pattern recognition (SPR) approach to SHM, these predictive models are determined using machine learning techniques. However, in order to learn these models, measured data from the structure of interest are required. Unfortunately, these data are seldom available across the range of environmental and operational conditions necessary to ensure good generalisation of the model.Recently, technologies have been developed that overcome this challenge, by extending SHM to populations of structures, such that valuable knowledge may be transferred between instances of structures that are sufficiently similar. This new approach is termed population-based structural heath monitoring (PBSHM).The current paper presents a formal representation of populations of structures, such that risk-based decision processes may be specified within them. The population-based representation is an extension to the hierarchical representation of a structure used within the probabilistic risk-based decision framework to define fault trees. The result is a series, consisting of systems of systems ranging from the individual component level up to an inventory of heterogeneous populations. The current paper considers an inventory of wind farms as a motivating example and highlights the inferences and decisions that can be made within the hierarchical representation. -
Chapter 17. On the Influence of Corrosion Levels in the Dynamic Behavior of Pretensioned Concrete Structural Elements
M. Brambilla, P. Chiariotti, A. Cigada, P. Darò, F. Di Carlo, P. Isabella, A. MedaDas Kapitel untersucht den Einfluss von Korrosion auf das dynamische Verhalten von Spannbetonträgern durch experimentelle Versuche. Es beschreibt die Präparation der Proben, die zur Korrosion verwendete Methode und die Ergebnisse statischer und dynamischer Tests. Die Analyse zeigt eine Abnahme der Steifigkeit und eine Abnahme der Resonanzfrequenz mit zunehmender Korrosion. Das Kapitel behandelt auch die Verteilung der Korrosion entlang der Balkenstränge und ihre Auswirkungen auf statische und dynamische Reaktionen. Die Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist, die Auswirkungen von Korrosion auf die strukturelle Gesundheit von Spannbetonelementen zu verstehen.KI-Generiert
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AbstractCorrosion of internal reinforcements represents a serious issue in prestressed concrete structures, as it progressively decreases the load bearing capacity of components, hence contributing to reduce the service life of the whole structure and potentially inducing unexpected and uncontrolled cracking phenomena. A proper assessment of the health status of a structural element is the key priority of any Structural Health Monitoring (SHM) system. As SHM systems are finally getting the credits they deserve, given their relevance in keeping structures monitored and hence in contributing to people life safety, the focus has shifted towards the development of automated approaches to promptly detect incipient damages potentially jeopardizing the structural integrity of the target system.Within this context, this chapter, which describes a part of a wider research program targeted to the development of robust strategies for SHM of civil structures, aims at discussing a preliminary study carried out to identify the potential correlation between corrosion levels in pretensioned concrete elements and their dynamic behavior. Several pretensioned concrete beams of the same geometry (cross section 200 × 300 mm; total length 3700 mm) have been subjected to an artificial corrosion process that was induced through electrolytic cells by dipping the beams within a 3% saline solution, up to half of the height of the cross section. Four-point bending tests were performed up to failure. Dynamic impact tests were also performed to identify any eventual variation in terms of dynamic behavior of the beams. The chapter shows that increased corrosion induces wider changes in the dynamic behavior of the structural elements.
- Titel
- Dynamics of Civil Structures, Volume 2
- Herausgegeben von
-
Hae Young Noh
Matthew Whelan
P. Scott Harvey
- Copyright-Jahr
- 2024
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
- Electronic ISBN
- 978-3-031-36663-5
- Print ISBN
- 978-3-031-36662-8
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-031-36663-5
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