Evaluation of structural damage identification methods based on dynamic characteristics

Abstract

In this thesis, structural damage identification methods based on changes in the dynamic characteristics of the structure are examined and new methodologies are also developed. These are based on the modal curvature matrix, the Frequency Response Function (FRF) curvature and the Discrete Wavelet Transform. Damage indices based on the concept of Receptance-Energy are presented to predict the damage location and to estimate the severity of the damage directly from the measured FRF. The methods are evaluated for several damage scenarios in a simply-supported beam and a plane frame. The damage is simulated by reducing the stiffness of assumed elements and by introducing cracked elements at different locations. The results of the analyses indicate that the proposed method based on the Receptance-Energy performs well in detecting, locating and quantifying damage in single and multiple damage scenarios. The numerical examples show that the Wavelets Transform analysis is capable of detecting the discontinuities in the FRF signal to locate damage.

Esta tesis examina los métodos de identificación de daño estructural que se basan en cambios de las características dinámicas de la estructura. También se formulan nuevos métodos de identificación de daño basados, respectivamente, en la matriz de curvatura modal, la curvatura de la Función Respuesta en Frecuencia y en la aplicación de la Transformada Discreta de “Wavelets” para indicar la localización del daño mediante la detección de discontinuidades en la señal de la respuesta. Los índices del daño basados en el concepto de Energía de Receptancia, se conciben para localizar y estimar la severidad del daño en una estructura directamente de la Función Respuesta en Frecuencia. Para evaluar la efectividad de los métodos propuestos se realizaron simulaciones numéricas mediante modelos de elementos finitos de una viga simplemente apoyada y un pórtico plano. Para cada estructura se investigan varios escenarios de daño, en los cuales el daño estructural se simula mediante la reducción de la rigidez de algunos elementos y la introducción de elementos agrietados. Los resultados indican que el método propuesto basado en la Energía de Receptancia es efectivo para localizar y cuantificar el daño en escenarios de daño múltiple. Asimismo, los ejemplos muestran que el método basado en la Transformada Discreta de “Wavelets” puede localizar efectivamente las zonas con daño y como esta metodología no requiere la respuesta de la estructura sin daño, puede proporcionar una alternativa a los métodos de identificación de daño basados en el análisis modal.