Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Real-time operational load monitoring of a composite aerostructure using FPGA-based computing system

Mucha Waldemar

Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences

|

2024

|

Vol. 72, nr 1

art. no. e148251

EN

Operational load monitoring (OLM) is an industrial process related to structural health monitoring, where fatigue of the structure is tracked. Artificial intelligence methods, such as artificial neural networks (ANNs) or Gaussian processes, are utilized to improve efficiency of such processes. This paper focuses on moving such processes towards green computing by deploying and executing the algorithm on low-power consumption FPGA where high-throughput and truly parallel computations can be performed. In the following paper, the OLM process of typical aerostructure (hat-stiffened composite panel) is performed using ANN. The ANN was trained using numerically generated data, of every possible load case, to be working with sensor measurements as inputs. The trained ANN was deployed to Xilinx Artix-7 A100T FPGA of a real-time microcontroller. By executing the ANN on FPGA (where every neuron of a given layer can be processed at the same time, without limiting the number of parallel threads), computation time could be reduced by 70% as compared to standard CPU execution. Series of real-time experiments were performed that have proven the efficiency and high accuracy of the developed FPGA-based algorithm. Adjusting the ANN algorithm to FPGA requirements takes some effort, however it can lead to high performance increase. FPGA has the advantages of many more potential parallel threads than a standard CPU and much lower consumption than a GPU. This is particularly important taking into account potential embedded and remote applications, such as widely performed monitoring of airplane structures.

2

Modeling and Identification Method of Bolt Loosening of Joint Surface under Axial Tension of Multistage Disk-Drum Rotor

Yue Cong, Zheng Xiangmin, Wang Chaoge, Liu Hao, Chen Hu

Eksploatacja i Niezawodność

|

2023

|

Vol. 25, no. 2

art. no. 165779

EN

Individual bolt at key connection positions is prone to loose when the engine is cycle-operating under complex loads. A joint surface equivalent stiffness model is derived and developed based on the connection characteristics of bolt screwing in the multi-exciting environment of the high-pressure rotor. The model is used to analyse the effect of bolt missing at circumferential positions with the equivalent stiffness loss. Vibration experiments under both axial force and lateral impact were carried out to obtain the dynamic response feature of the multistage disk-drum simulated rotor with missing one bolt at different positions. The Spearman correlation coefficient was applied to evaluate the identification effect of different measuring points on the bolt loosening position. The study shows that the eigenfrequencies of experimental results have a consistent trend with the equivalent stiffness variation caused by single bolt missing model. This method also provides a theoretical basis for the detection of bolt deviation position with multi-exciting vibration detection.

3

Ensemble of feature extraction methods to improve the structural damage classification in a wind turbine foundation

Leon-Medina Jersson X., Parés Núria, Anaya Maribel, Tibaduiza Diego A., Pozo Francesc

Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences

|

2023

|

Vol. 71, nr 3

art. no. e144606

EN

The condition monitoring of offshore wind power plants is an important topic that remains open. This monitoring aims to lower the maintenance cost of these plants. One of the main components of the wind power plant is the wind turbine foundation. This study describes a data-driven structural damage classification methodology applied in a wind turbine foundation. A vibration response was captured in the structure using an accelerometer network. After arranging the obtained data, a feature vector of 58 008 features was obtained. An ensemble approach of feature extraction methods was applied to obtain a new set of features. Principal Component Analysis (PCA) and Laplacian eigenmaps were used as dimensionality reduction methods, each one separately. The union of these new features is used to create a reduced feature matrix. The reduced feature matrix is used as input to train an Extreme Gradient Boosting (XGBoost) machine learning-based classification model. Four different damage scenarios were applied in the structure. Therefore, considering the healthy structure, there were 5 classes in total that were correctly classified. Five-fold cross validation is used to obtain a final classification accuracy. As a result, 100% of classification accuracy was obtained after applying the developed damage classification methodology in a wind-turbine offshore jacket-type foundation benchmark structure.

4

Implementation of digital twin and support vector machine in structural health monitoring of bridges

Al-Hijazeen Asseel Za'al Ode, Fawad Muhammad, Gerges Michael, Koris Kálmán, Salamak Marek

Archives of Civil Engineering

|

2023

|

Vol. 69, nr 3

31--47

EN

Structural health monitoring (SHM) of bridges is constantly upgraded by researchers and bridge engineers as it directly deals with bridge performance and its safety over a certain time period. This article addresses some issues in the traditional SHM systems and the reason for moving towards an automated monitoring system. In order to automate the bridge assessment and monitoring process, a mechanism for the linkage of Digital Twins (DT) and Machine Learning (ML), namely the Support Vector Machine (SVM) algorithm, is discussed in detail. The basis of this mechanism lies in the collection of data from the real bridge using sensors and is providing the basis for the establishment and calibration of the digital twin. Then, data analysis and decision-making processes are to be carried out through regression-based ML algorithms. So, in this study, both ML brain and a DT model are merged to support the decision-making of the bridge management system and predict or even prevent further damage or collapse of the bridge. In this way, the SHM system cannot only be automated but calibrated from time to time to ensure the safety of the bridge against the associated damages.

5

Analiza zastosowania światłowodowych siatek Bragga do pomiaru strzałki ugięcia

Woźniak Arkadiusz, Łakomski Mateusz, Tosik Grzegorz, Lisik Zbigniew

Przegląd Elektrotechniczny

|

2022

|

R. 98, nr 2

83--86

PL

W niniejszym artykule przedstawiono możliwości wykorzystania światłowodowych siatek Bragga do wyznaczenia strzałki ugięcia materiału, poddanego działaniu siły gnącej. Wykorzystana w badaniach metoda pomiarowa bazuje na zjawisku wstecznego odbicia długości fali Bragga, która umożliwia punktowy odczyt odkształceń oraz temperatury. W artykule przedstawiony został wpływ grubości materiału oraz miejsca mocowania siatek Bragga na wartość odczytanych odkształceń materiału, a także na ich podstawie wyznaczona została wartość strzałki ugięcia.

EN

This article presents analysis of using fiber Bragg gratings for deflection distance measurement of a material subjected to bending force. The measurement method used in presented research is based on the phenomenon of the back reflection of Bragg wavelength, which enables a point reading of strain and temperature. The article presents the effect of material thickness and the location of Bragg gratings on the value of the material deformation and on their basis deflection distance value was determined.

6

The process of acquiring, collecting, processing and archiving data for the SHM system designed to identify defects in thin-walled structures

Muchowski Tomasz, Szeleziński Adam, Murawski Lech, Muc Adam, Kluczyk Marcin

Journal of KONBiN

|

2022

|

Vol. 52, iss. 4

135--142

EN

The article shows the results of the preparatory steps taken to create the artificial intelligence used in the automatic recognition of defects in ship thin-walled structures. The above steps are used to create a university private cloud and a computer system maintaining a dataset of vibration signal samples. In the article, a prototype of the private cloud was designed and developed, a model of the vibration sample was prepared, and a microservice was designed aimed at sharing the obtained data. The article demonstrates the results of the completed development.

PL

W artykule przedstawiono wyniki przeprowadzonych działań przygotowawczych do stworzenia sztucznej inteligencji wykorzystywanej w automatycznym rozpoznawaniu defektów okrętowych konstrukcji cienkościennych. Przeprowadzone kroki służą stworzeniu uczelnianej chmury prywatnej oraz systemu informatycznego utrzymującego zbiór danych próbek sygnałów drganiowych. W ramach artykułu zaprojektowano oraz stworzono prototyp chmury prywatnej, przygotowano model próbki drganiowej oraz zaprojektowano mikroserwis służący udostępnianiu uzyskanych danych. Artykuł przedstawia wyniki wykonanej pracy.

7

Monitorowanie tunelu i jego otoczenia z wykorzystaniem strunowej i światłowodowej techniki pomiarowej DFOS

Sieńko Rafał, Bednarski Łukasz, Howiacki Tomasz, Zuziak Katarzyna, Monsberger Christoph

Drogownictwo

|

2022

|

nr 7-8

248--260

PL

Infrastruktura tunelowa charakteryzuje się bardzo dużymi konsekwencjami potencjalnej awarii. Konieczne jest zatem właściwe kontrolowanie stanu jej deformacji poprzez pomiary wybranych wielkości fizycznych, np. odkształceń, temperatur i przemieszczeń, umożliwiających finalnie ocenę bezpieczeństwa budowy i eksploatacji danego tunelu. W artykule omówiono możliwości zastosowania punktowych pomiarów czujnikami strunowymi oraz geometrycznie ciągłych pomiarów światłowodowych DFOS. Współcześnie coraz częściej wykorzystuje się zalety obu tych technologii w celu stworzenia hybrydowych systemów monitorowania.

EN

Very high consequences of potential failure characterise tunnel infrastructure. Thus, it is necessary to properly control its deformation state by measuring selected physical quantities, e.g. strains and displacements, enabling the safety assessment of a given tunnel during its construction or operation. The paper discusses the possibilities of spot measurements by vibrating wire gauges and geometrically continuous measurements by distributed fibre optic sensors (DFOS). Today, the advantages of both technologies are increasingly being combined to create hybrid monitoring systems.

8

Analysis of selected non-destructive methods for diagnosis in new and old buildings

Schabowicz Krzysztof, Menéndez Orellana A. E., Andrianos N.

Badania Nieniszczące i Diagnostyka

|

2022

|

1-4

63--70

PL

Techniki badań nieniszczących (NDT) są na dzień dzisiejszy podstawowym narzędziem stosowanym w inżynierii lądowej. Na podstawie szczegółowego przeglądu literatury przedstawiono w artykule kompleksową ocenę stanu technicznego budynku z zastosowaniem szeregu metod NDT. Ponadto przedstawiono odniesienia do publikacji zawierających opisy, zastosowania i studia przypadków każdej z metod NDT.

EN

Non-destructive Testing (NDT) techniques are, as of today, a fundamental tool in civil engineering. Based on a thorough literature review, the scope of this article comprises a comprehensive assessment of the state-of-the-art of a series of NDT methods utilized specifically for concrete diagnosis, grouped into seven categories according to their main aim. Moreover, a summary of references to publications containing descriptions, applications, and case studies of each one is also presented.

9

Nonlinear modelling of a bridge: A case study-based damage evaluation and proposal of Structural Health Monitoring (SHM) system

Fawad Muhammad, Koris Kalman, Salamak Marek, Gerges Michael, Bednarski Lukasz, Sienko Rafal

Archives of Civil Engineering

|

2022

|

Vol. 68, nr 3

569--584

EN

Monitoring and structural health assessment are the primary requirements for performance evaluation of damaged bridges. This paper highlights the case-study of a damaged Reinforced Concrete (RC) bridge structure by considering the outcomes of destructive testing, Non-Destructive Testing (NDT) evaluations, static and 3D non-linear analysis methods. Finite element (FE) modelling of this structure is being done using the material properties extracted by the in-situ testing. Analysis is carried out to evaluate the bridge damage based on the data recorded after the static linear (AXIS VM software) and 3D non-linear analysis (ATENA 3D software). Extensive concrete cracking and high value of crack width are found to be the major problems, leading to lowering the performance of the bridge. As a solution, this paper proposes a proper Structural Health Monitoring (SHM) system, that will extend the life cycle of the bridge with minimal repair costs and reduced risk of failure. This system is based on the installation of three different types of sensors: Liquid Levelling sensors (LLS) for measurement of vertical displacement, Distributed Fiber Optic Sensors (DFOS) for crack monitoring, and Weigh in Motion (WIM) devices for monitoring of moving loads on bridge.

10

Laser-inclinometric method for displacement measurements in structural health monitoring

Wierzbicki Stanisław, Pióro Zbigniew, Osiniak Marcin

Archives of Civil Engineering

|

2022

|

Vol. 68, nr 4

607--616

EN

The paper presents a method of structural monitoring using measurement of vertical displacements realized optically by horizontally directed laser beam. A measuring device with an integrated rangefinder and inclinometer sensor was developed. Inclinometer sensor are used to correct measurement results of the rangefinder in order to eliminate errors resulting from spatial position changes of the laser beam. Such a solution was adopted as an alternative to a more complex and demanding method, which is the stabilization of the laser beam orientation. The proposed inclinometric correction method allows in a simple and clear way to eliminate a serious problem of the displacement measurement method with a perpendicularly directed laser beam, which is inevitable in practice the lack of permanent stability of the measuring device position. The developed measuring device is wireless, both in terms of power supply and communication with other elements of the monitoring system. In order to verify the correctness of measurements carried out by the developed device, on site tests were carried out in two industrial-warehouse buildings with functioning monitoring systems using other measurement methods, earlier verified. The tests confirmed compliance with the indications of the existing system at a level completely sufficient for structural monitoring system purposes. The conducted research show that the proposed method of displacements measurement with inclinometric correction of errors, provides accurate and reliable results, allowing also to obtain additional information about the behaviour of the structure in the place of installation of the measuring device.

PL

W artykule przedstawiono metodę monitoringu konstrukcji z wykorzystaniem pomiaru przemieszczeń pionowych realizowanych optycznie, poziomo skierowaną wiązką lasera. Po przeglądzie literatury przedmiotu oraz analizie uwarunkowań stosowania typowych metod pomiaru przemieszczeń, ze szczególnym uwzględnieniem pomiaru prostopadłego do kierunku przemieszczenia, zaproponowano praktyczną aplikację metody w systemie monitoringu. Opracowano urządzenie pomiarowe ze zintegrowanym dalmierzem i czujnikiem inklinometrycznym służącym do korekcji wyników pomiarów dalmierzem w celu eliminacji błędów wynikających ze zmian przestrzennego położenia wiązki lasera. Rozwiązanie takie przyjęto jako alternatywne do bardziej złożonej i wymagającej metody, jaką jest stabilizacja położenia wiązki. Opracowana inklinometryczna metoda korekcji pozwala w prosty i czytelny sposób wyeliminować poważny problem metody pomiaru przemieszczenia prostopadle skierowaną wiązką lasera, jakim jest nieunikniony w praktyce brak trwałej stabilności położenia urządzenia pomiarowego. Opracowane urządzenie pomiarowe jest bezprzewodowe, zarówno w kwestii zasilania jak i komunikacji z pozostałymi elementami systemu monitoringu. Zastosowane czujniki inklinometryczne MEMS są indywidualnie kalibrowane, co pozwala na uzyskanie odpowiedniej dokładności pomiaru kąta obrotu wiązki lasera, zapewniającej precyzję korekcji wyników pomiaru ugięcia na poziomie poniżej 1 mm. W celu sprawdzenia poprawności pomiarów realizowanych przez opracowane urządzenie, przeprowadzono badania testowe w dwóch obiektach przemysłowo-magazynowych z funkcjonującymi systemami monitoringu wykorzystującymi inne metody pomiaru. W jednym przypadku istniejący system monitoringu bazował na pomiarach kątów obrotu, w drugim zaś na bezpośrednich pomiarach ugięć pionowo skierowaną wiązką lasera. Testowane urządzenia zainstalowano w taki sposób, aby możliwe było bezpośrednie porównanie ich wskazań z pomiarami realizowanymi przez istniejące, wcześniej sprawdzone czujniki pomiarowe. Z przeprowadzonych badań wynika, że uzyskanie prawidłowych wyników pomiarów ugięć, skierowaną poziomo wiązką lasera wymaga wprowadzenia korekcji uwzględniającej przestrzenne zmiany położenia tej wiązki. Po odpowiedniej korekcji uzyskano zgodność ze wskazaniami istniejącego systemu na poziomie typowej dokładności systemu monitoringu konstrukcji, bazującego na przemieszczeniach. Badania potwierdziły, że zaproponowana metoda pomiaru przemieszczeń z inklinometryczną korekcją błędów wynikających z odchylania wiązki lasera od początkowego położenia, zapewnia dokładne i wiarygodne wyniki, pozwalając jednocześnie na uzyskanie dodatkowych informacji o zachowaniu się konstrukcji w miejscu instalacji urządzenia pomiarowego.

11

Dynamic monitoring as a part of structural health monitoring of dams

Klun Mateja, Kryžanowski Andrej

Archives of Civil Engineering

|

2022

|

Vol. 68, nr 1

569--578

EN

Safety of dams and other hydraulic structures is a complex procedure that must consider the individual characteristics of each structure and provide an insight in the structural health at every stage of the structure’s life cycle. Failures of structures permanently or temporarily retaining water may cause large economic damage, environmental disasters, and loss of lives. An engineering design should, therefore, guarantee maximum security of such structures or maximize their reliability not only in ordinary operating conditions but also under extreme hydrological load. By performing structural heath monitoring (SHM), the safety can be optimized, including the performance and life expectancy of a structure by adopting an appropriate methodology to observe the identified failure modes for a selected dam type. To adopt SHM to hydraulic structures it is important to broaden the knowledge and understanding of the ageing processes on hydraulic structures, which can be achieved by laboratory testing and application and development of novel monitoring techniques, e.g., vibration monitoring. In Slovenia, we are increasingly faced with the problem of ageing of dam structures. At the same time, we are also faced with changes in the environment, especially with the variability in time-dependent loads and with new patterns of operation on dams used for hydropower, with several starts and stops of turbines happening on a daily basis. These changes can lead to a decrease in structural and operational safety of dams. In this paper we propose a methodology where the dynamic response of concrete dams is continuously monitored in few locations on the dam using accelerometers, while all significant structural members are measured in discrete time intervals using portable vibrometers. We focused on run-of-the-river dams, which are a common dam type in Slovenia. The pilot case for the system is lower Sava River with a cascade of 5 dams used for hydropower.

12

Damage identification of bridge structure model based on empirical mode decomposition algorithm and Autoregressive Integrated Moving Average procedure

Lu Weijia, Dong Jiafan, Pan Yuheng, Li Guoya, Guo Jinpeng

Archives of Civil Engineering

|

2022

|

Vol. 68, nr 4

653--667

EN

Time series models have been used to extract damage features in the measured structural response. In order to better extract the sensitive features in the signal and detect structural damage, this paper proposes a damage identification method that combines empirical mode decomposition (EMD) and Autoregressive Integrated Moving Average (ARIMA) models. EMD decomposes nonlinear and non-stationary signals into different intrinsic mode functions (IMFs) according to frequency. IMF reduces the complexity of the signal and makes it easier to extract damage-sensitive features (DSF). The ARIMA model is used to extract damage sensitive features in IMF signals. The damage sensitive characteristic value of each node is used to analyze the location and damage degree of the damaged structure of the bridge. Considering that there are usually multiple failures in the actual engineering structure, this paper focuses on analysing the location and damage degree of multi-damaged bridge structures. A 6-meter-long multi-destructive steel-whole vibration experiment proved the state of the method. Meanwhile, the other two damage identification methods are compared. The results demonstrate that the DSF can effectively identify the damage location of the structure, and the accuracy rate has increased by 22.98% and 18.4% on average respectively.

13

The efficiency of single base and network RTK for Structural Health Monitoring

Topal Güldane Oku, Akpinar Burak

Advances in Geodesy and Geoinformation

|

2022

|

Vol. 71, no. 2

art. no. e28, 2022

EN

With the developing technology and increasing construction, the importance of structural observations, which are of great significance in disaster management, has increased. Geodetic methods have been preferred in recent years due to their high accuracy and ease of use in Structural Health Monitoring (SHM) Surveys. In this study, harmonic oscillation tests have been carried out on a shake table to determine the usability of the Single Base and the Network Real-Time Kinematic (RTK) Global Navigation Satellite Systems (GNSS) method in SHM studies. It is aimed to determine the harmonic movements of different amplitudes and frequencies created by the shake table with 20 Hz multi-GNSS equipment. The amplitude and frequency values of the movements created using Fast Fourier Transform (FFT) and Time Series Analysis have been calculated. The precision of the analysis results has been determined by comparing the LVDT (Linear Variable Differential Transformer) data, which is the position sensor of the shake table, with the GNSS data. The advantages of the two RTK methods over each other have been determined using the calculated amplitude and frequency differences. As a result of all experiments, it has been determined that network and single base RTK GNSS methods effectively monitor structural behaviours and natural frequencies.

14

Unconventional Methods of Non-Destructive Tests. Part 3

Rawicki Łukasz

Biuletyn Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach

|

2021

|

Vol. 65, No. 3

61--65

EN

The article presents some testing methods applicable in the aviation industry. In addition to popular non-destructive methods, NDT methods used in the aviation industry (and discussed in the article) include optical holography or shearography. Structural materials used in the aviation industry as well as the importance of analyses, both at the manufacturing stage and during operation, require the performance of regular tests as a negligent approach to such activities could end up in a catastrophe.

PL

W artykule przybliżono niektóre z metod możliwych do zastosowania w sektorze lotniczym. Oprócz powszechnie znanych metod badań nieniszczących wykorzystywane są również inne, takie jak np. halografia optyczna czy też szerografia, których specyfikę przybliżono w poniższym artykule. Materiały konstrukcyjne stosowane w lotnictwie oraz ważność analiz zarówno na etapie wytwarzania, jak i eksploatacji wymagają wykonywania systematycznych badań. Ewentualne zaniechanie tych działań prowadzi do poważnych skutków, które mogą zakończyć się katastrofą.

15

Structural assessment of bridges through ambient noise deconvolution interferometry: application to the lateral dynamic behaviour of a RC multi-span viaduct

García-Macías Enrique, Ubertini Filippo

Archives of Civil and Mechanical Engineering

|

2021

|

Vol. 21, no. 3

635--654

EN

Operational Modal Analysis (OMA) is becoming a mature and widespread technique for Structural Health Monitoring (SHM) of engineering structures. Nonetheless, while proved effective for global damage assessment, OMA-based techniques can hardly detect local damage with little effect upon the modal signatures of the system. In this context, recent research studies advocate for the use of wave propagation methods as complementary to OMA to achieve local damage identification capabilities. Specifically, promising results have been reported when applied to building-like structures, although the application of Seismic Interferometry to other structural typologies remains unexplored. In this light, this work proposes for the first time in the literature the use of ambient noise deconvolution interferometry (ANDI) to the structural assessment of long bridge structures. The proposed approach is exemplified with an application case study of a multi-span reinforced-concrete (RC) viaduct: the Chiaravalle viaduct in Marche Region, Italy. To this aim, ambient vibration tests were performed on February 4th and 7th 2020 to evaluate the lateral and longitudinal dynamic behaviour of the viaduct. The recorded ambient accelerations are exploited to identify the modal features and wave propagation properties of the viaduct by OMA and ANDI, respectively. Additionally, a numerical model of the bridge is constructed to interpret the experimentally identified waveforms, and used to illustrate the potentials of ANDI for the identification of local damage in the piers of the bridge. The presented results evidence that ANDI may offer features that are quite sensitive to damage in the bridge substructure, which are often hardly identifiable by OMA.

16

Czynniki wpływające na bezpieczeństwo konstrukcji hal przemysłowych

Wierzbicki Stanisław

Nowoczesne Hale

|

2020

|

Nr 1

18--23

PL

W artykule przedstawiono zagadnienia bezpieczeństwa konstrukcji hal przemysłowych. Omówiono projektowe, realizacyjne i eksploatacyjne aspekty tego bezpieczeństwa. Szczególną uwagę poświęcono czynnikom ludzkim jako tym, od których w największym stopniu zależy zapewnienie odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa, a jednocześnie negatywne skutki ewentualnych błędów popełnianych przez człowieka pociągają za sobą największe konsekwencje.

EN

The paper presents safety issues of industrial building structures. Design, execution and maintenance aspects of safety are discussed. Particular attention is paid to human factors as those on which ensuring an adequate standard of safety depends the most and at the same time the negative effects of potential human errors entail the most severe consequences.

17

Badanie wpływu mechanicznego odkształcenia metapowierzchni bazującej na komplementarnym rezonatorze pierścieniowym na jej właściwości rezonansowe w zakresie mikrofalowym i terahercowym

Łopato Przemysław, Herbko Michał

Badania Nieniszczące i Diagnostyka

|

2020

|

nr 1-4

32--37

PL

Metamateriały znajdują coraz większe zastosowanie w wielu gałęziach nauki i przemysłu. Składają się z matrycy elementów strukturalnych (komórek) o wymiarach kilkukrotnie mniejszych niż długość fali elektromagnetycznej, przy jakiej mają pracować. Ich unikalne właściwości rezonansowe można stosunkowo łatwo kontrolować przez odpowiednie zaprojektowanie geometrii elementów strukturalnych. Odstępstwa od tej geometrii wpływają na stan rezonansu, co może być wykorzystane do określenia np. stopnia deformacji. W niniejszej pracy przeanalizowano wpływ odkształcenia metapowierzchni powodowanego przez zewnętrzne wymuszenie mechaniczne (rozciąganie) na rezonansową charakterystykę częstotliwościową w zakresie mikrofalowym i terahercowym. Opracowano modele numeryczne metapowierzchni o elemencie strukturalnym w postaci rezonatora z rozdzielonymi pierścieniami (ang. split ring resonator, SRR) oraz określono zmiany częstotliwości rezonansowych wywołane działaniem zewnętrznej siły rozciągającej. Uzyskane liniowe zależności pomiędzy zmianą częstotliwości a stopniem deformacji struktury metapowierzchni pozwalają na wykorzystanie w przyszłości tej technologii w bezprzewodowym monitoringu strukturalnym (ang. structural health monitoring, SHM).

EN

Metamaterials are increasingly used in many branches of science and industry. They consist of a matrix of cells / elements with dimensions several times smaller than the operating wavelength. Their unique resonance properties can be relatively easily controlled by properly designing the geometry of their structural elements (cells). Deviations from this geometry affect the state of resonance which can be used to determine the degree of deformation. In this work, the effect of metasurface deformation caused by external mechanical excitation (stretching) on the resonance frequency in the microwave and terahertz range has been analyzed. Numerical models of the metasurfaces with a structural element in the form of split ring resonators (SRR) were developed and changes in resonance frequencies caused by external tensile force were determined. Obtained linear relationships between the change in frequency and the degree of deformation of the metasurface structure allow for the use of this technology in the future in wireless structural health monitoring (SHM).

18

Inverse analysis as a key element of safety assessment under the snow load for the large suspension roofs structure

Zoltowski K., Drawc M.

Archives of Civil Engineering

|

2020

|

Vol. 66, nr 2

369--383

EN

The paper presents a concept and realization of monitoring system for the Silesian Stadium in Chorzow. The idea of the system lies in fusion of structure monitoring with a calibrated numerical FEM model [1]. The inverse problem is solved. On the base of measured selected displacements, the numerical FEM model of the structure combined with iterative method, develops the current snow load distribution. Knowing the load, we can calculate the forces and stresses in each element of the structure and thanks to this we can determine the safety thresholds and asses the owner. Test results and conclusions are presented.

PL

Stadion Śląski w Chorzowie (60 tys. widzów) został ostatecznie przykryty jednym z największych dachów w Europie (powierzchnia - 43 tys. m2). Wisząca konstrukcja sprężona jest bardzo lekka i podatna (rys. 1). Śnieg jest głównym obciążeniem, a jego wpływ na bezpieczeństwo konstrukcji jest dominujący. Wojewoda Śląski, mając na uwadze tragiczną katastrofę w styczniu 2006 r., kiedy konstrukcja hali wystawowej zawiodła pod obciążeniem śniegowym, zabijając 65 osób, nakazał zapobiegać nieoczekiwanemu obciążeniu konstrukcji dachu. Usuwanie śniegu z dachu jest standardowym działaniem zimowym. Jednak ze względu na delikatne poszycie dachu każde odśnieżanie należy wykonywać ręcznie. Jest to niebezpieczne dla pracowników, a ponadto niekompetentne odśnieżanie może spowodować uszkodzenie powierzchni dachu poliwęglanowego. Wg instrukcji należy wyczyścić 20 tys. m2. Dlatego obciążenie śniegiem i rozkład śniegu na dachu to kluczowe informacje dla właściciela w kontekście bezpieczeństwa i działań utrzymaniowych. Odpowiednio zaprojektowany monitoring dachu może powiadomić o potencjalnych zagrożeniach i zabezpieczyć przed niepotrzebnym odśnieżaniem. W praktyce nie można przewidzieć rzeczywistej wartości i rozkładu obciążenia śniegiem na tak rozległym obszarze ze względu na wiele losowych parametrów, takich jak kierunek i natężenie wiatru, temperatura i ogólna pogoda. Ponieważ nie jesteśmy w stanie przewidzieć obciążenia śniegiem (wartości i rozkładu), nie możemy wskazać miejsca na konstrukcji, które będzie reprezentatywne dla oceny bezpieczeństwa. Dodatkowo konstrukcja cechuje się silną nieliniowością geometryczną. Proponowany system monitorowania rozwiązuje ten problem. Opracowano procedurę odwrotną. Na podstawie zmierzonych przemieszczeń identyfikowane jest obciążenie śniegiem i rozkład śniegu. Technika odwrotna jest popularna w systemach SHM. Metoda ta zasadniczo koncentruje się na identyfikacji potencjalnych uszkodzeń konstrukcji. Znane są wprawdzie zastosowania analizy odwrotnej do identyfikacji obciążenia. Niemniej jednak zdaniem autorów przedstawiona metoda identyfikacji obciążenia śniegiem na dużej, silnie geometrycznie nieliniowej konstrukcji dachu wiszącego nie była dotychczas stosowana.

19

Inclinometer method of displacement measurements as an alternative to optical measurements in structural health monitoring - on site tests

Wierzbicki S., Pióro Z., Osiniak M., Antoszkiewicz E.

Archives of Civil Engineering

|

2020

|

Vol. 66, nr 3

109--124

EN

The paper presents a method of structural monitoring with the use of angular and linear displacement measurements performed using inclinometer and laser measuring devices. The focus is mainly on the inclinometer measurement method, which is a solution free from the basic disadvantages of optical methods, such as sensitivity to any type of visibility restrictions, pollution or influence of weather conditions. Testing of this method was carried out in practical application in an wireless monitoring system, installed in a large-area industrial building. The measurement results performed using the inclinometers were compared with simultaneous measurements of linear displacements performed with the use of proven methods based on laser rangefinders. The research and analysis show that the method of measuring angular displacements using the inclinometers with MEMS sensors of appropriate quality is a very good, better than typical optical methods, solution of structural monitoring systems that allows to obtain accurate and reliable results.

PL

W artykule przedstawiono badania "In-situ" metody monitorowania przemieszczeń konstrukcji, bazującej na pomiarach kątów obrotu realizowanych przy pomocy inklinometrów. Badania przeprowadzono w obiekcie produkcyjnym o stalowej konstrukcji nośnej, w którym występują zarówno przestrzenie zamknięte, nie narażone na ujemne temperatury i inne wpływy środowiskowe, jak i przestrzenie otwarte o charakterze wiat, narażone na bezpośrednie działanie środowiska atmosferycznego. Konstrukcję hali stanowi układ stalowych, jednoprzęsłowych płatwi kratowych o rozpiętości 18 m i dźwigarów kratownicowych o rozpiętości osiowej równej 15 m, opartych na słupach żelbetowych utwierdzonych w fundamentach. W obiekcie zainstalowano zarówno czujniki inklinometryczne jak i dalmierze laserowe, przy czym w artykule skupiono się na pomiarach kątów obrotu realizowanych przy pomocy czujników inklinometrycznych, a wyniki pomiarów ugięć były analizowane jedynie w celach porównawczych.

20

Inclinometer method of displacement measurements as an alternative to optical measurements in structural health monitoring - laboratory tests

Wierzbicki S., Pióro Z., Osiniak M., Antoszkiewicz E.

Archives of Civil Engineering

|

2020

|

Vol. 66, nr 2

147--164

EN

The paper presents a method of structural monitoring with the use of angular displacement measurements performed with inclinometer devices. Inclinometer method is a solution free from the basic disadvantages of optical methods used commonly in structural monitoring, such as sensitivity to any type of visibility restrictions, pollution or influence of weather conditions. At the same time, with appropriate sensor parameters, a much better measurement accuracy is obtained than for typical optical methods and very low energy demand and moderate costs are achieved. Taking into account the above-mentioned issues, in the first stage an appropriate MEMS-type inclinometer sensor was selected, its laboratory tests were carried out and a method of the offset temperature drift correction, individual for each sensor, was developed.

PL

W artykule przedstawiono metodę pomiaru przemieszczeń kątowych, realizowanych przy pomocy inklinometrów, jako alternatywę do stosowanych w monitoringu konstrukcji optycznych metod pomiarowych. Po krótkim wprowadzeniu dotyczącym ogólnie zagadnień monitoringu konstrukcji, przeprowadzono analizę metod pomiarowych stosowanych w systemach monitoringu, ze szczególnym uwzględnieniem pomiarów przemieszczeń oraz zalet i wad tych metod. Z analiz tych wynika, że rozwiązaniem wolnym od głównych wad typowych metod optycznych są pomiary inklinometryczne. Są one niewrażliwe na wszelkiego typu ograniczenia widoczności, zanieczyszczenia czy oddziaływania atmosferycznie, a bazą dla pomiarów jest wektor grawitacji, dostępny zawsze i wszędzie. Przeprowadzono analizę dostępnych rozwiązań czujników inklinometrycznych, mającą na celu wytypowanie sensora pozwalającego na uzyskanie odpowiedniej dokładności pomiarów przy umiarkowanych kosztach urządzenia i małym zapotrzebowaniu na energię, co jest szczególnie ważne w przypadku planowanego zastosowania czujnika w systemach bezprzewodowych i wpisuje się w powszechną tendencję do oszczędzania energii. Mając na względzie powyższe kwestie dobrano odpowiedni sensor inklinometryczny typu MEMS i przeprowadzono testy laboratoryjne jego właściwości metrologicznych przyjmując, że musi on zapewniać dokładność porównywalną do typowych czujników laserowych - przyjęto, że błąd pomiaru nie może być większy niż 5%. W tego typu czujnikach błędy pomiaru wynikają w głównej mierze z temperaturowego dryftu czułości i dryftu offsetu. Analizy i testy wykazały, że przy zastosowaniu tylko zewnętrznej kompensacji programowej czujnika, można uzyskać temperaturowy dryft czułości sensora na poziomie 50ppm/°C, co oznacza że błąd pomiaru będzie nie większy niż ±0.00025°/°C nawet przy nachyleniu początkowym inklinometru rzędu 5°. Zakładając, że połowa z założonego maksymalnego błędu, równego 5%, będzie "przeznaczona" na dryft czułości, czujnik może być stosowany nawet w zakresie temperatur ±40°C, a więc całkowicie wystarczającym z punktu widzenia systemu monitoringu. Inaczej przedstawia się sytuacja w przypadku błędu wynikającego z temperaturowego dryftu offsetu - standardowa wartość dryftu offsetu wynosi ±0.002°/°C, a więc jest prawie dziesięciokrotnie większa od wymaganej (±0.00025°/°C). Jest tu więc konieczna indywidualna kompensacja programowa dla każdego sensora. W celu opracowania metody tej kompensacji, każdy sensor był badany w odpowiednio przygotowanej i przetestowanej przy pomocy inklinometru wzorcowego, komorze termicznej. W celu wyeliminowania wpływu dryftu czułości sensora na wyniki, badania prowadzono przy kątach nachylenia inklinometru bliskich zeru. Zmierzone zależności kąta nachylenia od temperatury były aproksymowane indywidualnie dla każdego czujnika, wielomianami 4-go stopnia, które następnie były wykorzystywane do kompensacji wskazań inklinometrów. Po takiej korekcji uzyskiwano stabilność zera na poziomie lepszym niż 0.0005° w pełnym zakresie temperatury, co spełnia z nadmiarem zakładane wymagania i potrzeby zastosowania inklinometrów w systemach monitoringu konstrukcji. Następny etap badań to testowanie skalibrowanych czujników w badaniach "In-situ", w monitoringu konstrukcji funkcjonującego obiektu - zostaną one przedstawione w innym artykule.