Implementation of wavelet based damage detection methods using full-scale shaking table tests data and nonlinear finite element models

Abstract

Due to the scarce number of data available from instrumented buildings damaged during an earthquake, large scale shaking table tests of civil structures offer an invaluable opportunity to validate structural health monitoring (SHM) systems and their applicability to structures subjected to damaging earthquake loads. The main goal of this research was to validate wavelet-based model-free methodologies for damage detection in reinforced concrete (RC) structures. For this purpose, signal processing algorithms were developed to perform time-frequency and system identification analyses, among others, using full-scale shaking table tests data along with results obtained from nonlinear finite element (FE) models. The experimental data used in this work was collected during two tests recently performed. First, a full-scale RC bridge column shaking table test performed at the University of California, San Diego (UCSD). Second, two full-scale RC 3D frame shaking table test performed at the National Laboratory for Civil Engineering (LNEC, by its initials in Portuguese) in Lisbon, Portugal. The structures were subjected to a sequence of earthquake excitations that induced different levels of inelastic demand on the structures. However, in the first case low-intensity white noise (WN) excitations were also applied between ground motions. The FE models developed in both cases were used only to obtain simulated responses (accelerations and/or displacements) in order to evaluate the feasibility of using numerical models for validation of the damage detection methodologies presented. Wavelet analyses were capable of identifying rebar fracture episodes and partially identified the frequency shifts in the structures as the inelastic demand increased. It was also found that, depending on the methodology employed, the use of numerical models to validate damage detection techniques can oversimplify the actual problem and/or induce spurious irregularities.

Debido a la escasa información proveniente de edificios instrumentados que hayan sufrido daño durante un sismo, los ensayos de mesa vibradora a gran escala de estructuras civiles ofrecen una oportunidad valiosa para validar sistemas de monitoreo de salud estructural y su aplicabilidad en estructuras sometidas a cargas sísmicas destructivas. El objetivo principal de esta investigación consistió en validar metodologías basadas en wavelets, sin el uso de modelos estructurales, para detección de daño en estructuras de concreto reforzado. Para ello se desarrollaron algoritmos de procesamiento de señales con el fin de realizar análisis en el dominio del tiempo y la frecuencia así como también análisis de identificación del sistema entre otros, usando datos de ensayos de mesa vibradora a gran escala y resultados obtenidos de modelos no lineales de elementos finitos. La información experimental usada en esta investigación se obtuvo durante dos ensayos realizados recientemente. Primero, un ensayo de mesa vibradora a gran escala de una columna de un puente en concreto reforzado realizado en la universidad de California en San Diego (UCSD, por sus siglas en inglés). En segundo lugar, dos ensayos de mesa vibradora a gran escala de un pórtico tridimensional de concreto reforzado realizados en el laboratorio nacional para la ingeniería civil (LNEC, por sus siglas en portugués). Las estructuras fueron sometidas a una serie de movimientos sísmicos que generaron diferentes niveles de demanda inelástica en las estructuras. Sin embargo, en el primer caso también se aplicaron excitaciones de ruido blanco entre los sismos. Los modelos de elementos finitos que se realizaron fueron usados únicamente para obtener las respuestas simuladas (aceleraciones y/o desplazamientos) con el fin de evaluar la viabilidad de usar modelos numéricos para la validación de las metodologías de detección de daño presentadas. El análisis con wavelets identificó episodios de ruptura de barras de refuerzo e identificó parcialmente los cambios de frecuencia en las estructuras a medida que la demanda inelástica aumentaba. También se encontró que, dependiendo de la metodología empleada, el uso de modelos numéricos para validar técnicas de detección de daño puede simplificar demasiado el problema real y/o generar irregularidades espurias.