Overview of deformation monitoring techniques: A case study of structural displacement analysis

Abstract

The study aims to monitor the health and safety of structures that subject to changes in operational and environmental conditions, which make it difficult to detect and assess damage of structure. The objective of study is to preceive damages by applying structural health monitoring (SHM) to existence of these progressions in operational and environmental conditions. A case study is a simulation experiment of test-bed structure in a laboratory consists of three-story building subject to lateral excitation by electromagnetic shaker. The data has been collected, recorded by Los Alamos National Laboratory Elói Figueiredo, Engineering Institute in US and shared to scientific community for research purposes. The mentioned data were analysed in the content of this study by using Fast Fourier Transform method to measure the displacement of each story. The displacement of the three-story structure under excitation load was measured in different states condition to convert time domain into the frequency domain. The testing was repeated for different structural state conditions and measurement were recorded for each state to perceive deformation when the structure has experienced basic change caused by operations and environment impacts for this purpose seventeen state condition were set up. The results were interpreted in the conclusion section.

Deprem sarsıntısı, binanın temelindeki zorla yerinden edilme nedeniyle bina içindeki bu tür göreceli yerinden edilmeye dayanabilmesini sağlar. Binanın altında oluşan gerçek yer değiştirme tam olarak anlaşılmış değildir. Deprem titreşimi en uç olan durumdur, çünkü zamanla evin altında yer değiştirmeye neden olur. Bu durum da binanın tabanı ile üst kotlar arasındaki yanal deformasyonu gerektirir. Sismik bölge ne kadar yüksekse, buna dayatılan göreli deformasyonun şiddeti de o kadar büyüktür. Bu nedenle temel zorluk, ikili talebi karşılamaktır. Bina, düşük yoğunluklu sallanma altında hasarla ve yüksek yoğunluklu sallanma altında çökmeden bu zorlanmış deformasyona dayanabilmelidir. Bina, esnek olmayan deformasyon için geniş bir kapasiteye sahip olmalı ve tüm parçalarında kendilerinin neden olduğu güçlere ve momentlere dayanacak enerjiye sahip olmalıdır. Bu çalışmanın temel amacı, bir yapının operasyonel ve çevresel etkilerin neden olduğu yapısal değişikliklere uğradığındaki hasarını tespit etmektir. Bu amaçla, Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) yöntemi kullanılarak bir sallanma tablosunda gerçekleştirilen deneyin üç katlı laboratuar yapısından elde edilen çıktı verileri kullanılarak 17 durum koşulu oluşturuldu. 1. bölümde sunulan tezin tanıtımı, referansların motivasyonunu ve kapsamlı bir şekilde gözden geçirilmesi sağlanmıştır. 2. bölümde yapısal sağlık ve deformasyonun izlenmesi için yürütülen tekniklere genel bir bakış sunulmaktadır. Bu genel bakış, yapısal deformasyonların izlenmesinde kullanılan jeodezikler ve jeoteknik yöntemlerini içermektedir. 3. bölümde yapısal izleme veri analizinde, Fourier Dönüşümü Yöntemi ile Hızlandırmayı Filtreleme ve Dönüştürmede uygulanabilecek farklı yöntemler anlatılmaktadır. 4. bölümde kullanılan vaka çalışmasının açıklaması ve yapı, operasyonel ve çevresel etkiye göre yapısal değişikliklere uğradığında hasarı tespit etmek için test plakasının yapısal yer değiştirme verilerini analiz edilmektedir. Son olarak, 5. bölümde FFT analizinin test yapısı ve tezin kazanımları özetlenmiştir. Simülasyon denememizde, hasarlı bir tespit test alanı olarak üç katlı bir bina yapısı ve yapının bodrum katında bir uyarım sağlayan elektromanyetik çalkalayıcı (yapı ve çalkalayıcı, taban plakası üzerine yerleştirildi) kullanıldı. Çalkalayıcıdan giriş kuvvetini ölçmek için kullanılan Kanal 1 (kuvvet dönüştürücü) ve Kanal 2-5 (4 ivmeölçer), her bir kattan gelen yanıtı ölçmek için kullanılan uyarma kaynağının karşı tarafındaki her bir katın merkezine bağlandı. Yapı durumu koşulu dört gruba ayrılır: 1. Mevcut durum. 2.Yapının operasyonel ve çevresel etkilerin neden olduğu kütle ve sertlikte değişiklikler geçirdiği mevcut durum. 3.Bir tamponun uyguladığı doğrusal olmayan durum. 4.Doğrusal olmayan durumların, çevresel ve operasyonel etkilerin olduğu durum. FFT, sinyal segmentlerinin zaman içindeki frekans kalitesini belirlemek için kullanılmaktadır. FFT, frekans içeriği ve ayrıca frekans içeriğinin zaman içindeki gelişimi hakkında bilgi sunmaktadır. Belirli bir örnekleme oranı için, FFT'nin frekans çözünürlüğü pencerenin uzunluğuna veya süresine göre hesaplanmaktadır. Sabit cihazdan gelen sinyalin frekans kalitesinin zamanla değişmemektedir. Excel'deki Fourier Analizi komutu, FFT'yi ölçmek ve frekans bileşenlerinin zaman içinde nasıl değiştiğini tahmin etmek için kullanılmıştır. Bu çalışmada, her 8192 veri noktası hızlanma süresi serisi, FFT'yi hesaplamak için 1024 noktaya bölünmüştür. Her bölüm için, ayrık-Hızlı Fourier Dönüşümü, sinyalin zamanla değişen frekans içeriğini tahmin etmek üzere hesaplanır. FFT'yi hesaplamak için kullanılan zaman geçmişinin sabit bir sistemi temsil etmesi durumunda, zamanın bir fonksiyonu olarak frekans içeriğinde hiçbir değişiklik gözlemlememesi beklenir. Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT), veri toplama cihazlarından gelen sinyalleri analiz etmek ve ölçmek için güçlü araçlardır. Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT), verilerin zaman alanından frekans alanına dönüştürülmesi için bir algoritmadır. İlk olarak, alanların dönüştürülmesine ilişkin birçok hesaplama nedeniyle, sonuçların yeterince doğru olması durumunda dönüşümün dijital bir bilgisayarda yapılması gerekmektedir. Mevcut durumda frekans alanına sürekli bir şekilde dönüştürülememektedir, ancak daha sonra zaman alanı verilerini analiz etmek ve dijitalleştirmek gerekmektedir. Bu, algoritmamızın sayısallaştırılmış örnekleri zaman alanından frekans alanındaki örneklere çevirdiğini ima etmektedir. Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) sadece sinüs dalgası simetrisinden yararlanan daha verimli bir algoritma kullanan bir DFT'dir. FFT, bu simetrilerden faydalanmak için çevrimi iki basamaklı gruplara dönüştürmek ve bölmek adına bir miktar gücün iki sinyal uzunluğunu gerektirmektedir. Bu işlem hızını önemli ölçüde artırır; N, sinyalin uzunluğu ise, bir DFT N2 işlemlerine ihtiyaç duyarken, bir FFT'nin N * log2 (N) 'ye ihtiyacı vardır. Fourier Dönüşümünün bir parçası olarak test edilen ayrık frekansların sayısı, orijinal dalga formundaki örnek sayısı ile doğru orantılıdır. N, sinyallerin uzunluğu olduğu için, frekans hattı sayısı N / 2'ye eşittir. Bu çalışmada ölçülen zaman aralığı (Δt) 0.0031 s idi. 1024 veri noktası kullanılmıştır. Sonuç olarak, FFT çalışması, etkilenen en düşük durum için frekans bileşenlerinde önemli bir gelişme olmadığını göstermektedir (Durum 12). Bununla birlikte, sinyalin frekans kalitesinin zaman-değişken mevcudiyetine ilişkin bazı küçük işaretler, en çok etkiye karşılık gelen (Durum 10) etkilenen durum için görülebilir, ancak bu ince ayarlara bir hasar tahmininin dayandırılması zor olacaktır. Fourier dönüşümünün, belirli bir aralıktaki sinyalin ortalama özelliklerini yansıtmaktadır. Bu ortalama özellikler süre boyunca sabit kalmıştır.