Identification of damage to a steel I-beam based on changes in frequency and curvature of the mode shape in a steel-concrete composite beam

• Autorzy: Jarosińska Małgorzata , Wróblewski Tomasz

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2025.154138

Warianty tytułu

PL

Identyfikacja uszkodzeń dwuteownika stalowego na podstawie zmian częstotliwości oraz krzywizny postaci drgań w stalowo-betonowej belce zespolonej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents changes in modal parameters, i.e. natural frequencies and the curvature of the mode shape, as a result of damage in the steel I-beam of a composite member. A steel-concrete composite beam was analyzed, for which numerical simulations (rigid finite element model) and experimental tests were carried out. The damage analyzed was intended to simulate actual propagation of cracking in the steel I-beam. Two levels of damage occurring at two different locations in the beam were studied. The value of frequency changes of experimental and numerical evaluations have shown high consistency (margin of a few percent). Natural frequencies turned out to be sensitive to the introduced damage – their values decreased as the degree of damage in the beam increased. The Curvature Damage Factor was used to analyze the curvature of the mode of vibration. The results obtained in the numerical evaluations were satisfactory. In relation to experimental tests, lower effectiveness was achieved, which was most likely caused by a different density of the measurement grid compared to numerical analyses.

PL

W pracy przedstawiono zmiany parametrów modalnych tj. częstotliwości drgań własnych oraz krzywizny postaci drgań w wyniku uszkodzeń powstałych w dwuteowniku stalowym belki zespolonej. Analizie poddano belkę zespoloną stalowo-betonową, dla której przeprowadzono symulacje numeryczne (w modelu RFE) oraz badania doświadczalne. Analizowane uszkodzenie miało symulować rzeczywiste postępujące pęknięcie dwuteownika stalowego. Badano dwa poziomy uszkodzeń pojawiające się w dwóch różnych miejscach belki. Uzyskano bardzo wysoką zgodność zmian częstotliwości (na poziomie kilku procent) określonych na podstawie numerycznej i eksperymentalnej symulacji uszkodzeń. Częstotliwości drgań okazały się być wrażliwe na wprowadzone uszkodzenia - ich wartości obniżały się wraz ze wzrostem stopnia uszkodzeń w belce. Do analizy krzywizny postaci drgań wykorzystano parametr CDF. W tym zakresie otrzymano zadowalające wyniki na podstawie przeprowadzonych analiz numerycznych. W odniesieniu do badań eksperymentalnych uzyskano mniejszą skuteczność, co najprawdopodobniej spowodowane było zróżnicowaną gęstością siatki pomiarowej w porównaniu do analiz numerycznych.

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2025
• Tom: Vol. 71, nr 2
• Strony: 575--590
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Jarosińska Małgorzata

• West Pomeranian University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Szczecin, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-8427-0128

autor

Wróblewski Tomasz

• West Pomeranian University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Szczecin, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-3731-1542

Bibliografia

• [1] D. Balageas, “Introduction to Structural Health Monitoring”, in Structural Health Monitoring. John Wiley & Sons, Ltd, 2006, pp. 13-43.
• [2] H. Wenzel, Health monitoring of bridges. John Wiley & Sons, 2008.
• [3] P.C. Chang, A. Flatau, and S.C. Liu, “Review Paper: Health Monitoring of Civil Infrastructure”, Structural Health Monitoring, vol. 2, no. 3, pp. 257-267, 2003, doi:10.1177/1475921703036169.
• [4] A.Z.O. Al-Hijazeen, M. Fawad, M. Gerges, K. Koris, and M. Salamak, “Implementation of digital twin and support vector machine in structural health monitoring of bridges”, Archives of Civil Engineering, vol. 69, no. 3, pp. 31-47, 2023, doi:10.24425/ace.2023.146065.
• [5] H. Sohn, C.R. Farrar, F. Hemez, and J. Czarnecki, “A Review of Structural Health Monitoring Literature 1996-2001”, pp. 1-7, 2001.
• [6] O. Avci, O. Abdeljaber, S. Kiranyaz, M. Hussein, M. Gabbouj, and D.J. Inman, “A review of vibration-based damage detection in civil structures: From traditional methods to Machine Learning and Deep Learning applications”, Mechanical Systems and Signal Processing, vol. 147, art. no. 107077, 2021, doi:10.1016/j.ymssp.2020.107077.
• [7] D. Montalvao, N.M.M. Maia, and A.M.R. Ribeiro, “A review of vibration-based structural health monitoring with special emphasis on composite materials”, Shock and Vibration Digest, vol. 38, no. 4, pp. 295-324, 2006.
• [8] S.W. Doebling, C.R. Farrar, and M.B. Prime, “A summary review of vibration-based damage identification methods”, Shock and Vibration Digest, vol. 30, no. 2, pp. 91-105, 1998.
• [9] S. Das, P. Saha, and S.K. Patro, “Vibration-based damage detection techniques used for health monitoring of structures: a review”, Journal of Civil Structural Health Monitoring, vol. 6, no. 3, pp. 477-507, 2016, doi:10.1007/s13349-016-0168-5.
• [10] R. Hou and Y. Xia, “Review on the new development of vibration-based damage identification for civil engineering structures: 2010-2019,” Journal of Sound and Vibration, vol. 491, art. no. 115741, 2021, doi:10.1016/j.jsv.2020.115741.
• [11] Y. Yang, Y. Zhang, and X. Tan, “Review on vibration-based structural health monitoring techniques and technical codes”, Symmetry, vol. 13, no. 11, pp. 1-18, 2021, doi:10.3390/sym13111998.
• [12] M. Rucka, “Special Issue: ‘Non-Destructive Testing of Structures”, Materials, vol. 13, no. 21, pp. 1-6, 2020, doi:10.3390/ma13214996.
• [13] A. Morassi and L. Rocchetto, “A Damage Analysis of Steel-Concrete Composite Beams Via Dynamic Methods: Part I. Experimental Results”, Journal of Vibration and Control, vol. 9, no. 5, pp. 507-527, 2003, doi:10.1177/1077546303009005002.
• [14] M. Dilena and A. Morassi, “A Damage Analysis of Steel-Concrete Composite Beams Via Dynamic Methods: Part II. Analytical Models and Damage Detection”, Journal of Vibration and Control, vol. 9, no. 5, pp. 529-565, 2003, doi:10.1177/1077546303009005003.
• [15] M. Dilena and A. Morassi, “Vibrations of steel-concrete composite beams with partially degraded connection and applications to damage detection”, Journal of Sound and Vibration, vol. 320, no. 1-2, pp. 101-124, 2009, doi:10.1016/j.jsv.2008.07.022.
• [16] M. Dilena and A. Morassi, “Experimental modal analysis of steel concrete composite beams with partially damaged connection”, Journal of Vibration and Control, vol. 10, no. 6, pp. 897-913, 2004, doi:10.1177/1077546304041370.
• [17] A.K. Pandey, M. Biswas, and M. Samman, “Damage detection from changes in curvature mode shapes”, Journal of Sound and Vibration, vol. 145, pp. 321-332, 1991.
• [18] M.M.A. Wahab and G.D. Roeck, “Damage Detection In Bridges Using Modal Curvatures: Application To A Real Damage Scenario”, Journal of Sound and Vibration, vol. 266, no. 2, pp. 217-235, 1999.
• [19] M. Jarosińska and S. Berczyński, “Changes in frequency and mode shapes due to damage in steel–concrete composite beam”, Materials, vol. 14, no. 21, pp. 1-18, 2021, doi:10.3390/ma14216232.
• [20] M. Szumigała, A. Pełka-Sawenko, T. Wróblewski, and M. Abramowicz, “Damage Detection of Steel-Concrete Composite Beam”, Civil and Environmental Engineering Reports, vol. 28, no. 3, pp. 30-49, 2018, doi:10.2478/ceer-2018-0033.
• [21] F. Sadeghi, Y. Yu, X. Zhu, and J. Li, “Damage identification of steel-concrete composite beams based on modal strain energy changes through general regression neural network”, Engineering Structures, vol. 244, art. no. 112824, 2021, doi:10.1016/j.engstruct.2021.112824.
• [22] T. Wróblewski, M. Jarosińska, and S. Berczyński, “Application of ETR for diagnosis of damage in steel-concrete composite beams”, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, vol. 49, no. 1, pp. 51-70, 2011.
• [23] T. Wróblewski, M. Jarosińska, M. Abramowicz, and S. Berczyński, “Experimental validation of the use of energy transfer ratio (ETR) for damage diagnosis of steel-concrete composite beams”, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, vol. 55, no. 1, pp. 241-252, 2017, doi:10.15632/jtam-pl.55.1.241.
• [24] T. Wróblewski, M. Jarosińska, and S. Berczyński, “Damage location in steel-concrete composite beams using energy transfer ratio (ETR)”, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, vol. 51, no. 1, pp. 91-103, 2013.
• [25] A. Bilotta, A. Morassi, and E. Turco, “Damage identification for steel-concrete composite beams through convolutional neural networks”, Journal of Vibration and Control, vol. 30, no. 3-4, pp. 876-889, 2023, doi:10.1177/10775463231152926.
• [26] J. Kruszewski, S. Sawiak, and E. Wittbrodt, Metoda sztywnych elementów skończonych w dynamice konstrukcji (The rigid finite element method in dynamics of structures). Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1999.
• [27] PN-EN 1992-1-1: 2008 Eurokod 2: Projektowanie konstrukcji z betonu. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków. PKN, 2008.
• [28] E. Manoach, J. Warminski, L. Kloda, and A. Teter, “Numerical and experimental studies on vibration based methods for detection of damage in composite beams”, Composite Structures, vol. 170, pp. 26-39, 2017, doi:10.1016/j.compstruct.2017.03.005.