On time-frequency analysis for structural damage detection

Abstract

An integrated study that explores the capability of Time-Frequency Analysis combined with another technique of signal analysis and system identification for damage detection purposes using only output signals is presented in this work. The necessary background theory of Time-Frequency Analysis is presented, some definitions of damage and general approach employed in this research is given. The problems associated with the selection of a best-performance Time-Frequency Representation (TFR) for structural damage detection in civil engineering structures are discussed and a new multicriteria measure for an objective and user-independent selection of Time-Frequency Representation is developed. An evaluation of the proposed multicriteria method to select a TFR from several Linear and Quadratic TFRs is shown using synthetic ambient vibration signals and real strong motion records. A new methodology for system identification and damage detection using output data from Ambient Vibration records is developed. This methodology is based on direct application of a proposed Mean Time-Frequency Representation (MTFR) and the Frequency Domain Decomposition (FDD), this last technique was developed by Brincker et. al. [124]. The methodology proposed in this work has been tested using synthetic and real ambient vibration signals. Several real case studies using ambient vibration data from structures are shown. The damage detection using Time-Frequency Representations of output records of strong events are addressed, in this regard a new algorithm for instantaneous frequency tracking from TFR maps is proposed and a mathematical expression to link instantaneous frequency changes with damping and structural stiffness loss is also developed. The expression and algorithms have been tested for damage analysis of non-linear SDOF and MDOF using numerical data. A Graphical User Interface (GUI) program named “Time-Frequency Damage Detection Program - TFDDP” has been developed using MatLab®[125] language; the developed algorithm has been published as a GNU – Licensed Open File, and can be downloaded from the Puerto Rico Strong Motion Program web page at the internet site: http://prsmp.uprm.edu/ or contacting to author of this research on the e-mail: leocano-s@hotmail.com

Un estudio integrado que explora la capacidad del análisis en Tiempo-Frecuencia unido con otras técnicas de análisis de señales e identificación de sistemas para propósitos de detección del daño usando solamente las señales de salida es presentado en este trabajo. Los conceptos teóricos básicos de análisis en Tiempo-Frecuencia son presentados, algunas definiciones de daño y el enfoque general empleado en esta investigación son mostrados. Los problemas asociados con la selección de la Representación en Tiempo-Frecuencia (TFR) con mejor desempeño para la detección de daño en estructuras de ingeniería civil son discutidos y una nueva medida de multi-criterios para una selección objetiva e independiente del usuario de representaciones tiempo-frecuencia es desarrollada. Una evaluación del método de multicriterios propuesto para seleccionar una TFR desde varias TFRs cuadráticas y lineales es mostrada usando señales sintéticas de vibración ambiental y registros reales de movimiento fuerte. Se desarrolló una nueva metodología para identificación de sistemas y detección de daño usando datos de salida de registros de vibración ambiental. La metodología está basada en la aplicación directa de una propuesta de representación tiempo-frecuencia promedio (MTFR) y la descomposición en el dominio de la frecuencia (FDD), esta última técnica fué propuesta recientemente por Brincker et. al. [124]. La metodología propuesta en este trabajo ha sido ensayada usando señales sintéticas y reales de vibración ambiental. Varios estudios de casos reales usando datos de vibración ambiental en estructuras son mostrados. La detección de daño usando Representaciones Tiempo-Frecuencia de registros de salida de eventos fuertes es abordada, en este sentido un nuevo algoritmo para el seguimiento de la frecuencia instantánea desde mapas TFR es propuesta y una expresión matemática que vincula los cambios en la frecuencia instantánea con el amortiguamiento y la pérdida de rigidez estructural es también desarrollada. La expresión y los algoritmos han sido ensayados para análisis de daño de sistemas no lineales de uno y varios grados de libertad usando datos numéricos. Un programa de interfaz gráfica (GUI) denominado “Programa de Detección de Daño en Tiempo-Frecuencia – TFDDP” ha sido desarrollado usando el lenguaje MatLab [125], los algoritmos desarrollados han sido publicados como un GNU – Archivo de Licencia Abierta, y pueden ser descargados desde la página del Programa de Movimiento Fuerte de Puerto Rico en el sitio de Internet: : http://prsmp.uprm.edu/ o contactando al autor de esta investigación en el e-mail: leocano-s@hotmail.com