Experimental Comparison of Structural Damage Detection Methods

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1 Experimental Comparison of Structural Damage Detection Methods
2004년도 대한토목학회 학술발표회 Experimental Comparison of Structural Damage Detection Methods 안녕하십니까? 저는 구조동역학 및 진동제어 연구실의 석사과정 이헌재입니다. 제가 오늘 석사학위 최종발표로 발표드릴 내용은 자기유변유체 감쇠기를 이용한 지진하중을 받는 구조물의 반능동 신경망제어입니다. 임현우, 한국과학기술원 건설및환경공학과 석사과정 문영종, 한국과학기술원 건설및환경공학과 박사과정 이종헌, 경일대학교 토목환경공학과 교수 이인원, 한국과학기술원 건설 및 환경공학과 교수

2 Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea
Introduction Damage detection becomes a very important issue and, there are a lot of evaluation methods in this field. Experimental investigation was planed for comparison of some of these various methods. Aluminum cantilever beams are used for comparison of time, frequency domain and mode shape method. Experiment is focused on the applicability of the three methods in practical situations. 구조물의 진동제어는 다음과 같이 크게 수동제어 능동제어 반능동제어 로 나눌 수 있습니다. Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

3 Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea
Experimental setup Equipment - FFT analyzer ( B&K ) - impact hammer ( PCB ) - accelerometer ( B&K ) - shaker ( YAVETEX ) Damage case - size (%) : 5, 10, 20, 30 - location : 1/4, 2/4, 3/4 그중에 수동제어는 외부전원을 필요로 하지 않는 진동제어로써, 외부전원이 필요없고, 근본적으로 매우 신뢰할 수 있다는 장점이 있습니다. 그러나, 임의의 외부하중에 대한 적응성이 떨어지고, 큰 변형을 수반한다는 단점이 있습니다. 대표적인 수동제어장치로는 Rubber bearing, LRB, 점성 감쇠기, TMD 등이 있습니다. 60cm aluminum beam 4cm 0.4cm Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

4 Frequency domain method
Comparison of natural freq. - measured freq : 1st,2nd,3rd - damage case : 10, 20, 30% : 1/4, 2/4, 3/4 Differences in 1st natural freq. 이에 비해 능동제어는 외부전원이 필요한 진동제어를 말합니다. 제어성능이 매우 좋고, 다양한 하중조건에 대한 적응성도 뛰어나지만, 큰 외부전원이 필요하고, 구조 시스템을 불안정하게 할 수도 있는 등의 단점을 가지고 있습니다. 대표적인 능동제어장치로는 AMD와 hydraulic actuator가 있고, 대표적인 제어기법으로는 LQG 제어기법과 신경망기법이 있습니다. 이상에서 보신 것 처럼 수동제어나 능동제어는 몇가지 단점이 있는데, 이를 해결할 수 있는 제어방법이 바로 반능동제어방법입니다. Differences in 2nd natural freq. Differences in 3rd natural freq. Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

5 FRF based method - where, : damaged FRF Damage size 30%, location 1/4
: undamaged FRF : damaged FRF Damage size 30%, location 1/4 Damage size 30%, location 2/4 Damage size 30%, location 3/4 Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

6 Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea
Mode shape method Comparison of mode shape - measured mode shape : 2nd - damage case : 10, 20, 30% : 1/4, 2/4, 3/4 Damage location 1/4 최근 각광을 받고 있는 반능동제어기법중에 가장 널리 쓰이고 있는 제어기법은 Dyke 등이 제안한 clipped 최적 제어 방법입니다. 이 방법은 제어장치로써 자기유변유체감쇠기를 사용하고, 제어알고리즘으로 LQG 와 clipped 알고리즘을 조합한 clipped 최적 제어 알고리즘을 쓰고 있습니다. Damage location 2/4 Damage location 3/4 Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

7 Wavelet transform Simulation ( FEM ) - dimension (cm) : 60×4×0.4
- no. of element : 240 - element type : beam Finite element model by MIDAS Damage - size (%) : 10, 20, 30 - location : 1/4, 2/4, 3/4 - element no. : 60, 120, 180 지금부터 제안방법에 대해서 말씀드리겠습니다 제안방법은 제어장치로 자기유변유체감쇠기를 사용하고, 제어알고리즘으로 신경망과 clipped 알고리즘을 조합한 clipped 신경망 제어알고리즘을 사용하였습니다. 신경망은 구조물에 대한 수학적 모델을 필요로 하지 않기 때문에, 기존 방법들보다 더 나은 성능을 보여줄 수 있습니다. Damage size 30%, location 2/4 Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

8 Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea
Mode Shape (MS) where, : Undamaged mode shape vector : Damaged mode shape vector Mode Shape Slope (MSS) Mode Shape Curvature (MSC) & (MSCS) , 다음의 그림은 제안방법에 대한 간략한 블록 다이어그램입니다. 지진하중이 구조물에 재하되었을 때, 나오는 응답과 지진하중으로부터 신경망이 적절한 제어력을 계산하고, Clipped 알고리즘과 자기유변유체감쇠기로 구조물을 제어하게 됩니다. 여기서 신경망과 clipped 알고리즘이 clipped 신경망 제어알고리즘에 해당하겠습니다. 이어서 제어장치인 자기유변유체감쇠기와 제어알고리즘인 신경망, clipped 알고리즘의 순서대로 제안방법을 설명드리겠습니다. Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

9 Simulation : damage case 20%, 1/4
먼저 제어장치인 자기유변유체감쇠기입니다. 왼쪽그림이 자기유변유체감쇠기의 대략적인 형상을 나타내고 있습니다. 그리고, 오른쪽 그림은 수치해석에 사용한 자기유변유체감쇠기의 수학적 모델을 나타내고 있습니다. 이는 개선된 Bouc-Wen 모델로써, spencer 등이 제안한 모델입니다. Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

10 Time domain method Wave propagation - impact at fixed end : 9.8 ms
- 1st arrival at free end : 10.3ms - reflection from damages : - - 2nd arrival at free end : 11.1ms Undamaged Dl 모델은 다음과 같은 일곱가지 지배방정식으로 표현 될 수 있습니다. 여기서 F는 자기유변유체 감쇠기에서 발생되는 힘을, Y는 내부유사변위를, x는 감쇠기에 걸리는 변위를 나타냅니다. Damage size 30%, location 1/4 Damage size 30%, location 2/4 Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

11 Effect of experimental errors Methods Factor of errors Freq. domain
Mode shape Time domain Impact load O × Weight of the sensor Boundary condition Shaker instability Resolution Inequality of the beams Temperature Noise of the sensor 가격함수를 최소화 시키도록 신경망을 학습시키려면, 민감도를 구해야 합니다. 민감도를 구하는 방법 역시 저희 실험실에서 개발한 민감도 계산 기법을 이용하였습니다. 구조물의 상태공간방정식은 식 (9)와 같고, 여기서 A는 시스템 행렬을 B는 제어기의 위치 벡터를 나타냅니다. 이를 이산시간형으로 나타내면, 다음과 같아집니다. 여기서 G와 H는 샘플링 시간 T_s의 함수로 다음과 같이 표현 됩니다. 그런데, 식 (10)을 잘 살펴보면, 우리가 구하고자 하는 민감도는 H임을 알 수가 있고, H는 샘플링 시간이 일정하면 언제나 상수이므로, H를 이용하면 간단히 민감도를 계산할 수 있다는 걸 알 수 있습니다. Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea

12 Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea
Conclusions Under 10% damages can be found by various detection methods with simulation, however it is impossible by experiment because of practical problems. Not exact location of damages but existence of them can be detected by frequency domain method. Simulation of mode shape method find even small damages, however its experimental result is insufficient to detect damages. Time domain method can find the location of relatively large damages. 다음은 수치해석에서 사용한 신경망을 나타내고 있습니다. 이는 많은 수행착오를 통해서 결정하게 되었습니다. 은닉층을 하나만 사용하였고, 은닉층의 노드 수는 5개로 하였습니다. 입력값은 1층과 3층의 변위와 속도, 지진하중이고, 출력값은 제어력입니다. Structural Dynamics & Vibration Control Lab., KAIST, Korea