detection of structural damages. Throughout its service life, a civil structure besides the exposure to operational and environmental forces can be subjected episodically to earthquakes. These events may have a deep impact on building safety and a continuous monitoring of the structure health conditions becomes desirable or necessary in many cases. Structural Health Monitoring (SHM) provides a valuable knowledge of the dynamic behavior of monitored structures of their response to service environmental loadings, and of rise and distribution of the deterioration conditions. These techniques are widely employed in mechanical, aeronautical, and civil engineering, generally rely on vibration response measurements. The development of low cost and low energy measuring devices, the new generation of data acquisition systems, together with the increasing availability of software for advanced dynamic analysis, have extended SHM to several areas where up to now the high cost of traditional equipment was not justified by the value of structure itself. In civil engineering, SHM is moving from big infrastructures like bridges, dams and skyscrapers to historical heritage and residential buildings. Within this a background, the purpose of this work is to propose a new combined experimental and numerical methodology to perform the SHM of civil structures lying in seismic hazard zones. A relatively low-cost SHM prototype system based on this approach has been developed and the issues related to the usage of low-cost sensors and new generation data acquisition tools for non-destructive structural testing are discussed. A scale frame model of a three-story building has been build up and instrumented in order to simulate the vibration response of a multi-story building subjected to cyclic loads. Dynamic tests have been carried out by using two different types of sensors in order to make a comparative analysis of floor noise, dynamic response and phase shift in different operating conditions: (i) low cost MEMSbased accelerometers and (ii) classical piezo-electric transducers. The usage of low-cost sensors has allowed to get enough comparable performance, in terms of measured quantities, with respect to piezoelectric accelerometers. The data acquired by the system are provided to a finite element numerical model (FE) to detect the appearing, rise and distribution of local damages and to estimate a global damage level. The numerical finite element (FE) model of the structure has been developed and tuned up by means of the outcome of a structural iden-tification performed by using an Experimental and Operational Modal Analysis approaches. In particular, the modal parameters estimated have been utilised to update the FE model. A damage level estimation methodology is proposed and calibrated comparing the experimental results with the FE model prediction during cyclic failure tests of the scale frame. The life prediction of the scale model obtained by local and global damage indexes is consistent with the experimental results.

Una delle questioni più importanti riguardante l’Ingegneria civile e meccanica è il rilevamento di danni strutturali. Una struttura civile, durante la sua vita utile, oltre all’ordinaria esposizione ai carichi di servizio e ambientali, può essere sottoposta episodicamente anche carichi più rilevanti come ad esempio i terremoti. Questi eventi possono avere un profondo impatto sulla sicurezza degli edifici e diventa opportuno, o in molti casi necessario, un continuo monitoraggio delle condizioni di salute della struttura. Le tecniche più utilizzate sono quelle di monitoraggio strutturale o Structural Health Monitoring (SHM). Queste consentono di fornire una preziosa conoscenza del comportamento dinamico delle strutture monitorate, della loro risposta in condizioni di servizio sotto carichi ambientali, o sottoposte a situazioni di sollecitazione più rilevanti. Tali sistemi sono largamente impiegati nelle applicazioni di ingegneria meccanica, aeronautica e civile (soprattutto per strutture rilevanti), e in genere si basano sulla misura e sullo studio delle vibrazioni di risposta a diversi input. Lo sviluppo di dispositivi di misura a basso costo e a basso consumo energetico, la disponibilità di sistemi di acquisizione di ultima generazione e di software avanzati per l’analisi dinamica delle strutture rendono possibile l’applicazione di tecniche di monitoraggio strutturale non solo a strutture strategicamente significative (grandi infrastrutture, etc.), ma anche ad edifici ordinari. In tale contesto, lo scopo di questa ricerca è quello di proporre una nuova metodologia sperimentale e numerica per eseguire il monitoraggio di strutture civili, utilizzando un prototipo di sistema SHM a basso costo, caratterizzato da sensori MEMS e da strumenti di acquisizione di nuova generazione. Per questo motivo è stato realizzato un modello in scala di un edificio a tre piani. Il modello è stato strumentato e sottoposto a prove dinamiche cicliche. Sul modello sono stati inseriti insieme ai tradizionali accelerometri piezoelettrici dei sensori MEMS, in modo da poter confrontare i risultati e valutare le prestazioni di questi ultimi. Sono state eseguite diverse prove dinamiche utilizzando due diversi tipi di sensori per fare un’analisi comparativa del rumore di fondo, della risposta dinamica e dello sfasamento in differenti condizioni operative. I risultati ottenuti dai sensori a basso costo hanno evidenziato delle buone prestazioni paragonabili a quelle degli accelerometri piezoelettrici. I dati acquisiti dal sistema sono applicati a un modello numerico agli elementi finiti (FE) per rilevare l’esistenza, la distribuzione e l’entità di danni locali e valutare quindi la vita utile rimasta. Il modello numerico (FE) della struttura è stato sviluppato e verificato sulla base dei risultati ottenuti dall’ identificazione sperimentale dei parametri modali della struttura, eseguita utilizzando le tecniche di analisi modale sperimentale EMA (input-output) e di analisi modale operazionale OMA (output-only). I parametri modali stimati sono stati utilizzati per controllare il modello FE. L’analisi e il confronto dei risultati teorici e sperimentali ottenuti permettono di affermare che il sistema proposto rappresenta una soluzione adeguata in termini di costi, di affidabilità della misura dei sensori che registrano gli input dinamici e di previsione della vita residua della struttura a seguito di un fenomeno rilevante. La vita utile stimata dal modello in scala ottenuta mediante indici danno locale e globale è coerente con i risultati sperimentali.

A low-cost structural health monitoring system for residential buildings: experimental tests on a scale model / Isidori, Daniela. - (2013 Feb 28).

A low-cost structural health monitoring system for residential buildings: experimental tests on a scale model

Isidori, Daniela
2013-02-28

Abstract

detection of structural damages. Throughout its service life, a civil structure besides the exposure to operational and environmental forces can be subjected episodically to earthquakes. These events may have a deep impact on building safety and a continuous monitoring of the structure health conditions becomes desirable or necessary in many cases. Structural Health Monitoring (SHM) provides a valuable knowledge of the dynamic behavior of monitored structures of their response to service environmental loadings, and of rise and distribution of the deterioration conditions. These techniques are widely employed in mechanical, aeronautical, and civil engineering, generally rely on vibration response measurements. The development of low cost and low energy measuring devices, the new generation of data acquisition systems, together with the increasing availability of software for advanced dynamic analysis, have extended SHM to several areas where up to now the high cost of traditional equipment was not justified by the value of structure itself. In civil engineering, SHM is moving from big infrastructures like bridges, dams and skyscrapers to historical heritage and residential buildings. Within this a background, the purpose of this work is to propose a new combined experimental and numerical methodology to perform the SHM of civil structures lying in seismic hazard zones. A relatively low-cost SHM prototype system based on this approach has been developed and the issues related to the usage of low-cost sensors and new generation data acquisition tools for non-destructive structural testing are discussed. A scale frame model of a three-story building has been build up and instrumented in order to simulate the vibration response of a multi-story building subjected to cyclic loads. Dynamic tests have been carried out by using two different types of sensors in order to make a comparative analysis of floor noise, dynamic response and phase shift in different operating conditions: (i) low cost MEMSbased accelerometers and (ii) classical piezo-electric transducers. The usage of low-cost sensors has allowed to get enough comparable performance, in terms of measured quantities, with respect to piezoelectric accelerometers. The data acquired by the system are provided to a finite element numerical model (FE) to detect the appearing, rise and distribution of local damages and to estimate a global damage level. The numerical finite element (FE) model of the structure has been developed and tuned up by means of the outcome of a structural iden-tification performed by using an Experimental and Operational Modal Analysis approaches. In particular, the modal parameters estimated have been utilised to update the FE model. A damage level estimation methodology is proposed and calibrated comparing the experimental results with the FE model prediction during cyclic failure tests of the scale frame. The life prediction of the scale model obtained by local and global damage indexes is consistent with the experimental results.
28-feb-2013
Una delle questioni più importanti riguardante l’Ingegneria civile e meccanica è il rilevamento di danni strutturali. Una struttura civile, durante la sua vita utile, oltre all’ordinaria esposizione ai carichi di servizio e ambientali, può essere sottoposta episodicamente anche carichi più rilevanti come ad esempio i terremoti. Questi eventi possono avere un profondo impatto sulla sicurezza degli edifici e diventa opportuno, o in molti casi necessario, un continuo monitoraggio delle condizioni di salute della struttura. Le tecniche più utilizzate sono quelle di monitoraggio strutturale o Structural Health Monitoring (SHM). Queste consentono di fornire una preziosa conoscenza del comportamento dinamico delle strutture monitorate, della loro risposta in condizioni di servizio sotto carichi ambientali, o sottoposte a situazioni di sollecitazione più rilevanti. Tali sistemi sono largamente impiegati nelle applicazioni di ingegneria meccanica, aeronautica e civile (soprattutto per strutture rilevanti), e in genere si basano sulla misura e sullo studio delle vibrazioni di risposta a diversi input. Lo sviluppo di dispositivi di misura a basso costo e a basso consumo energetico, la disponibilità di sistemi di acquisizione di ultima generazione e di software avanzati per l’analisi dinamica delle strutture rendono possibile l’applicazione di tecniche di monitoraggio strutturale non solo a strutture strategicamente significative (grandi infrastrutture, etc.), ma anche ad edifici ordinari. In tale contesto, lo scopo di questa ricerca è quello di proporre una nuova metodologia sperimentale e numerica per eseguire il monitoraggio di strutture civili, utilizzando un prototipo di sistema SHM a basso costo, caratterizzato da sensori MEMS e da strumenti di acquisizione di nuova generazione. Per questo motivo è stato realizzato un modello in scala di un edificio a tre piani. Il modello è stato strumentato e sottoposto a prove dinamiche cicliche. Sul modello sono stati inseriti insieme ai tradizionali accelerometri piezoelettrici dei sensori MEMS, in modo da poter confrontare i risultati e valutare le prestazioni di questi ultimi. Sono state eseguite diverse prove dinamiche utilizzando due diversi tipi di sensori per fare un’analisi comparativa del rumore di fondo, della risposta dinamica e dello sfasamento in differenti condizioni operative. I risultati ottenuti dai sensori a basso costo hanno evidenziato delle buone prestazioni paragonabili a quelle degli accelerometri piezoelettrici. I dati acquisiti dal sistema sono applicati a un modello numerico agli elementi finiti (FE) per rilevare l’esistenza, la distribuzione e l’entità di danni locali e valutare quindi la vita utile rimasta. Il modello numerico (FE) della struttura è stato sviluppato e verificato sulla base dei risultati ottenuti dall’ identificazione sperimentale dei parametri modali della struttura, eseguita utilizzando le tecniche di analisi modale sperimentale EMA (input-output) e di analisi modale operazionale OMA (output-only). I parametri modali stimati sono stati utilizzati per controllare il modello FE. L’analisi e il confronto dei risultati teorici e sperimentali ottenuti permettono di affermare che il sistema proposto rappresenta una soluzione adeguata in termini di costi, di affidabilità della misura dei sensori che registrano gli input dinamici e di previsione della vita residua della struttura a seguito di un fenomeno rilevante. La vita utile stimata dal modello in scala ottenuta mediante indici danno locale e globale è coerente con i risultati sperimentali.
Damage index
Modal analysis
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