Wavelet based damage detection in civil structures subjected to earthquake loads

Abstract

During a seismic event, structural damage may result from the vibration of the structure in response to ground shaking at its foundation. The assessment of structural damage after a seismic event is required to identify unsafe structures. However, a comprehensive application of localized damage detection methods to a complex structure is a lengthy and expensive assignment that can even become dangerous in the case of post-earthquake inspections. Current efforts have focused on the possibility of real time (or near real-time) damage identification from the examination of the dynamic response of the structure. Analysis of the structural response registered during the earthquake is performed using advanced mathematical tools (like the Wavelet or Hilbert-Huang Transforms) that allow for simultaneous time frequency examination. The occurrence of damage is then associated with any changes in the instantaneous frequency (IF) or singularities in the high frequency response. Unfortunately, most of the proposed methodologies have been validated through numerical models in which the hysteretic and non-linear behavior proper of the elements of a civil structure is misrepresented by assuming linear or multi-linear behavior at most. In this research we evaluate the application of wavelet based methods for damage identification of reinforced concrete structures subjected to seismic loads. Evaluation of the methods is performed using state-of-the-art nonlinear-fiber-based models capable of replicating the actual nonlinear hysteretic response of reinforced concrete members. It was found that application of such techniques is largely limited by the high frequency content of the excitation and the modeling assumptions. Methodology refinements are proposed to ameliorate these problems.

Durante un evento sísmico, la vibración de la estructura en respuesta al suelo que vibra en sus cimientos puede ocasionar daños en esta. La evaluación de los daños estructurales después de un evento sísmico es necesaria para poder identificar estructuras vulnerables. Sin embargo, una inspección completa usando métodos localizados para identificar los daños en una estructura compleja es una tarea larga y costosa que incluso puede llegar a ser peligrosa en el caso de las inspecciones después de un terremoto. Los esfuerzos actuales se han centrado en la posibilidad de identificar los daños en tiempo real (o casi en tiempo real) a partir del análisis de la respuesta dinámica de la estructura. El análisis de la respuesta estructural registrado durante el terremoto se realiza utilizando herramientas matemáticas avanzadas (como las transformadas de Wavelet o Hilbert-Huang) que permiten la exploración simultánea en el dominio de la frecuencia y el tiempo. La ocurrencia de daños es entonces asociada con cambios en la frecuencia instantánea (IF, por sus siglas en inglés) o con singularidades en las frecuencias altas de la respuesta Desafortunadamente, la mayoría de las metodologías propuestas han sido validadas a través de modelos numéricos en los que se tergiversó el comportamiento histerético y no-lineal propios de los elementos de una estructura civil, asumiendo un comportamiento lineal o multi-lineal. En esta investigación se evalúa la aplicación de métodos basados en la transformada Wavelet para la identificación de daños en estructuras de hormigón armado sometidos a cargas sísmicas. La evaluación de los métodos se realiza utilizando modelos no lineales a base de fibras capaces de reproducir la respuesta real histerética no lineal de elementos de hormigón armado. Se encontró que la aplicación de estas técnicas es en gran medida limitada por el contenido de altas frecuencias en la excitación y las suposiciones en la modelación. Refinamientos a las metodologías actuales son propuestos para aminorar estos problemas.