view in publisher's site

A proof-of-concept study on a proposed ambient-vibration-based approach to extract pseudo-free-vibration response

Highlights•This random-vibration-based approach extracts a structure free-vibration response.•Two steel frames with different stiffness are tested and numerically modeled.•The structure may subject to any ambient vibration regardless of the excitation.•Reduction in the structure stiffness causes a decrease of fundamental frequencies.•Fundamental frequency is the same under different vibrations for constant stiffness.•Detecting a reduction of the fundamental frequency can be an indication of damage.•Forced vibration and the use of complex equipment and instrumentation are not needed.AbstractThis paper reports the results of an analytical, experimental and a numerical study (proof of concept study) on a proposed method for extracting the pseudo-free-vibration response of a structure using ambient vibration, usually of a random nature, as a source of excitation to detect any change in the dynamic properties of a structure that may be caused by damage. The structural response contains not only a random component but also a component reflecting the dynamic properties of the structure, comparable to the free vibration for a given initial condition. Structural response to the arbitrary excitation is recorded by one or several accelerometers with a desired data-collection frequency and resolution. The free-vibration response of the structure is then extracted from this data by removing the random component of the response by the method proposed in the paper. The features of the free-vibration response of the structure extracted by a suitable method, namely FFT in this study, can be used for change detection. Possible change of the pattern of these features is dominantly linked to the change in dynamic properties of the system, caused by possible damage.To show the applicability of the concept, besides an analytical verification using Newmark’s linear acceleration method, two steel portal frames with different flexural stiffness were made in the steel workshop of the structural laboratory for an experimental study. These structures were also numerically modeled using a finite element software. A wireless accelerometer with a sampling frequency rate of 2046 Hz was affixed on the top of the physical structure, at the same location where the acceleration was recorded for the corresponding numerical model. The physical structure was excited manually by an arbitrary hit and the response of the structure to this excitation, in terms of the acceleration on the top of the structure, was recorded. The pseudo-free-vibration response was extracted and transferred into frequency domain using FFT. The frequency with the largest magnitude which is the fundamental frequency of the structure was traced. This was repeated for several independent excitations and the fundamental frequencies were observed to be the same, showing that the process can correctly identify the natural frequencies of the structure. Similarly, the numerical model was excited and for several base excitation cases, the fundamental frequencies were found to be the same. Considering the acceptable accuracy of the results from the two numerical models in simulating the response of their corresponding physical models, additional numerical models were analyzed to show the consistency and applicability of the proposed method for a range of flexural stiffness. The results confirm that the proposed method can precisely extract the pseudo-free-vibration response of the structures and detect the structural frequencies regardless of the excitation. The fundamental frequency is tied to the stiffness and a larger stiffness leads to a higher frequency, as expected, regardless of the simulated ambient excitation.

مطالعه اثبات مفهوم روش مبتنی بر ارتعاش محیطی پیشنهادی برای استخراج پاسخ ارتعاش شبه آزاد

نقاط برجسته این روش مبتنی بر ارتعاش - تصادفی یک واکنش بدون ارتعاش ساختار را استخراج می‌کند. دو قاب فولادی با سختی متفاوت تست شده و به صورت عددی مدل‌سازی شده‌اند. سازه ممکن است بدون توجه به تحریک در معرض هر گونه ارتعاش محیطی قرار گیرد. کاهش سختی سازه باعث کاهش فرکانس‌های اصلی می‌شود. فرکانس اساسی تحت ارتعاشات مختلف برای سختی ثابت یک‌سان است. شناسایی کاهش فرکانس اصلی می‌تواند نشانه‌ای از آسیب باشد. ارتعاشات اجباری و استفاده از تجهیزات پیچیده و ابزار دقیق مورد نیاز نیست. این مقاله نتایج یک مطالعه تحلیلی، تجربی و عددی (اثبات مطالعه مفهومی)را در مورد یک روش پیشنهادی برای استخراج پاسخ ارتعاش آزاد کاذب یک سازه با استفاده از ارتعاش محیطی، معمولا به عنوان منبع تحریک برای تشخیص هر گونه تغییر در خواص دینامیکی یک سازه که ممکن است به دلیل آسیب ایجاد شود، گزارش می‌دهد. پاسخ ساختاری نه تنها شامل یک جز تصادفی است بلکه یک جز منعکس‌کننده ویژگی‌های دینامیکی سازه است که با ارتعاش آزاد برای یک شرایط اولیه داده‌شده قابل‌مقایسه است. پاسخ ساختاری به تحریک اختیاری توسط یک یا چند شتاب‌سنج با فرکانس جمع‌آوری داده مطلوب و وضوح ثبت می‌شود. پاسخ ارتعاش آزاد ساختار سپس از این داده‌ها با حذف جز تصادفی پاسخ با روش پیشنهادی در این مقاله استخراج می‌شود. ویژگی‌های پاسخ ارتعاش آزاد ساختار استخراج‌شده با یک روش مناسب، به نام FFT در این مطالعه، می‌تواند برای تشخیص تغییرات استفاده شود. تغییر احتمالی الگوی این ویژگی‌ها به طور عمده به تغییر در خواص دینامیکی سیستم، ناشی از داماگ ممکن مرتبط است. برای نشان دادن کاربرد این مفهوم، علاوه بر تایید تحلیلی با استفاده از روش شتاب خطی نیومارک، دو قاب پورتال فولادی با سختی خمشی متفاوت در کارگاه فولاد آزمایشگاه سازه برای یک مطالعه تجربی ساخته شدند. این سازه‌ها همچنین به صورت عددی و با استفاده از نرم‌افزار آلمان محدود مدل شده‌اند. یک شتاب‌سنج بی‌سیم با نرخ فرکانس نمونه‌برداری ۲۰۴۶ هرتز در بالای ساختار فیزیکی، در همان مکانی که شتاب برای مدل عددی مربوطه ثبت شده‌بود، قرار داده شد. ساختار فیزیکی به صورت دستی توسط ضربه دلخواهی تحریک شد و پاسخ سازه به این تحریک، برحسب شتاب در بالای سازه، ثبت شد. پاسخ ارتعاش آزاد کاذب استخراج و با استفاده از FFT به حوزه فرکانس انتقال داده شد. فرکانس با بزرگ‌ترین بزرگی که فرکانس اصلی سازه است ردیابی شد. این امر برای چندین تحریک مستقل تکرار شد و فرکانس‌های اساسی یک‌سان مشاهده شد که نشان می‌دهد این فرآیند می‌تواند فرکانس‌های طبیعی سازه را به درستی تشخیص دهد. به همین ترتیب، مدل عددی تحریک شد و برای چند مورد تحریک پایه، فرکانس‌های اساسی یک‌سان دیده شدند. با در نظر گرفتن دقت قابل‌قبول نتایج حاصل از دو مدل عددی در شبیه‌سازی پاسخ مدل‌های فیزیکی متناظر شان، مدل‌های عددی اضافی تجزیه و تحلیل شدند تا سازگاری و کاربرد روش پیشنهادی را برای محدوده سختی خمشی نشان دهند. نتایج تایید می‌کند که روش پیشنهادی می‌تواند به طور دقیق پاسخ ارتعاش آزاد کاذب سازه‌ها را استخراج کند و فرکانس‌های ساختاری را بدون در نظر گرفتن تحریک شناسایی کند. فرکانس اصلی به سختی وابسته است و سفتی بزرگ‌تر، همانطور که انتظار می‌رود، بدون در نظر گرفتن تحریک محیطی شبیه‌سازی شده، منجر به فرکانس بالاتر می‌شود.
ترجمه شده با


پر ارجاع‌ترین مقالات مرتبط:

  • مقاله Civil and Structural Engineering
  • ترجمه مقاله Civil and Structural Engineering
  • مقاله مهندسی عمران و طراحی ساختار
  • ترجمه مقاله مهندسی عمران و طراحی ساختار
سفارش ترجمه مقاله و کتاب - شروع کنید

95/12/18 - با استفاده از افزونه دانلود فایرفاکس و کروم٬ چکیده مقالات به صورت خودکار تشخیص داده شده و دکمه دانلود فری‌پیپر در صفحه چکیده نمایش داده می شود.