This thesis presents two global damage detection methods using modal flexibility obtained from ambient acceleration measurements, and a local damage detection method using impedance measurements under temperature variations.
Firstly, a vibration-based damage detection method is proposed based on the modal flexibility matrix from ambient vibration measurements for reliable and practical structural health monitoring. The proposed method has three distinct advantages over the convensional methods: (1) the explicit inverse mapping from the damage-induced deflection to the damage location, (2) no requirement for the curvature calculation weak to noises, and (3) no requirement for the intact FEM model. The proposed method utilizes the modal flexibility matrices to estimate deflections under a positive bending inspection load (PBIL) which has been devised to simplify the damage detection procedure in this study. Then, damage can be localized by using the damage-induced deflection and the explicit inverse mapping from the damage-induced deflection to the damage location. Through a series of numerical and experimental studies on continuous beam systems and steel box-girder bridge models with a single and two spans, it has been found that the damage locations can be successfully localized by the proposed method. The damage detection performance was found to be superier than the modal strain energy-based damage index method under measurement noisy conditions.
Secondly, a substructural damage detection method which requires acceleration measurements within a substructure, is proposed by extending the basic theory of the modal flexibility-based damage detection method to substructural damage detection problems. Novel concepts of the pseudo-modal flexibility and pseudo-modal deflection are introduced for damage detection on a substructure. It has been also found that the damage locations in the two-span steel box-girder bridge model were successfully localized by the proposed substructural damage detection method.
Finally, an impedance-based damage detection method under temperature variations is proposed. An effective frequency shift (EFS) is introduced to compensate the temperature effects based on the cross-correlation analysis of the impedance measurements between the intact and concurrent cases. From an experimental study on a steel truss member, it was found that the most of the temperature effects can be compensated by the EFS and the effect of the damage can be systematically treated by an outlier analysis.
본 연구에서는 교량의 상시 가속도응답으로부터 얻어지는 모드연성도행렬에 기반한 두 가지 전역적 손상탐색기법과, 환경적 온도변화 시에 적용될 수 있는 임피던스기반의 지역적 손상기법을 제시하였다. 적용성과 신뢰성이 높은 구조건전도 모니터링을 구현하기 위하여, 모드연성도행렬에 기반한 손상탐색기법을 제안하였다. 제안된 기법은 손상유발변위와 손상의 위치간의 명시적인 관계에 기초하고, 노이즈에 취약한 곡률계산을 요구하지 않으며, 초기 FEM 모델이 필요하지 않는 점에서 기존의 모드연성도행렬기반의 기법에 비해서 우수하다. 제안된 기법은 새로운 개념의 하중, 즉 양모멘트 탐색하중 재하 시의 손상유발변위와 손상위치와의 명시적인 관계에 기반한다. 수치 실험을 통하여 제안된 이론이 성공적으로 손상의 위치를 찾아내고, 기존에 많이 사용되는 Modal Strain Energy기반의 손상지수법에 비하여 측정오차가 큰 환경에서 더 우수함을 관찰하였다. 단경간 및 2경간 모형 강박스 교량에 대한 실험연구를 통하여 비교적 작은 손상을 성공적으로 찾아냄을 관찰하였다. 둘째, 교량의 부분구조계 내부에서 측정된 가속도 응답을 바탕한 새로운 손상탐색기법을 전술한 손상유발변위와 손상위치와의 관계에 기반하여 제안하였다. 부분구조계 내부의 제한된 측정치 만으로는 손상유발변위를 정확히 산정할 수 없는데, 이를 극복하기 위하여 새로운 개념, 유사모드연성도행렬과 유사모드변위를 도입하여 새로운 손상탐색기법을 제안하였다. 2경간 모형 강박스 교량에 대한 실험연구로부터 제안된 방법이 성공적으로 손상의 위치를 찾아냄을 관찰하였다. 마지막으로, 임피던스 측정치를 사용한 기존의 손상탐색기법을 확장하여, 환경적인 온도가 변화하는 상태에서 온도변화의 영향을 제거하고, 손상으로 인한 임피던스 변화를 찾아내는 기법을 유효주파수천이 개념을 도입하여 제안하였다. 강 트러스 부재에 대한 실험을 통하여, 대부분의 온도변화효과가 제거됨을 관찰하였고, 손상은 outlier analysis를 통해 체계적으로 탐색할 수 있음을 관찰 하였다.
