IDENTIFICATION OF THE IMPACT POSITION IN A REINFORCED CONCRETE STRUCTURE BASED ON THE ANALYSIS OF THE RESPONSE OF VIBRATION SENSORS

Abstract


The article presents the results of an experiment to study the vibration response of a large-scale reinforced concrete model structure to an impulse load. The load was a series of impacts along the normal to the surface of the element and was applied to all the main structural ele-ments (columns, crossbars and floor slabs). The vibration response was recorded by a system of sensors-accelerometers distributed over the structural elements and synchronized with the accelerometer mounted on the striker. The results of measurements of acceleration vibrograms were saved as digital files. An array of vibrograms recorded by the entire complex of sensors in response to test impacts on the main structural elements made up a vibration portrait of the structure. As a result of processing this information, an array of data was obtained on the propa-gation time of the vibration signal from each signal source to each of the sensors of the registra-tion system (basic array of responses).Key words: Impact localization, accelerometer, The data obtained were used to solve the problem of determining the location of an arbi-trary impact on a structure. To do this, the vibration response recorded by the sensor system during an arbitrary impact was compared with the base array of responses. The comparison was made on the basis of the calculation of the pair correlation coefficients. The resulting spatial distribution of the correlation coefficients made it possible to identify the position of the shock load application. It corresponds to the structural element that has the maximum value of the correlation coefficient. The proposed algorithm was demonstrated on an example where one of the test shocks that participated in the FORMATION of the basic vibration portrait was used as an unknown load. In a numerical experiment using the proposed algorithm, it was found that the accuracy of the impact site identification corresponds to the characteristic step of the structural elements. It is shown that the accuracy correlates with the number of sensors of the registration system and their distribution throughout the structure. The developed algorithm for identifying the place of impact load application can be effec-tively used in the development of automated systems for deformation monitoring.

Full Text

Задача по определению места ударного механиче-ского воздействия на деформируемый объект имеет место в различных областях науки и техники. В частно-сти, ее решение важно при организации мониторинга «здоровья» конструкции (Structural health monitoring), основной целью которого является оценка и прогноз механического состояния объекта. Идентификация внешней возмущающей силы представляет интерес, например, для контроля несанкционированного доступа к объекту, для определения места ударного контакта при анализе работы спортивного инвентаря [1], для оценки параметров карьерных взрывов [2] т.д. Задача определения места внутренних импульсных воздействий важна для нахождения очагов землетрясения по результатам сейсмических измерений [3; 4] или для нахождения источника акустической волны в образце при использовании метода акустической миссии [5]. Часто решение этой задачи рассматривается для объектов, представляющих собой однородные упругие тела – стержень, пластина, полупространство и т.п. Для таких идеальных случаев методы локации изучены еще в XX в. [6]. Современные исследования в этой области посвящены способам определения места ударного воз-действия в пластинах из композитов [7–12], пластинах с вырезами [13–15], различных балках [16], элементах аэрокосмических конструкций [17–20], а также в дета-лях строительных конструкций из железобетона, таких как корпус реактора [21], фермы [22], колонны [23; 24], плиты [25; 26]. Однако реальные природные и технические объек-ты имеют сложную геометрию и неоднородные меха-нические свойства. Строительные сооружения состоят из большого числа взаимодействующих между собой элементов с различными механическими свойствами и сложным образом расположенных в пространстве. В этих условиях распространение по элементам конст-рукции вибрационных процессов от места локализации импульсного воздействия имеет сложный пространст-венно-временной характер. Так, в работе [27] с помо-щью численного моделирования продемонстрировано, как при ударе по одной из колонн 4-этажной бетонной конструкции деформационная волна распространяется по межэтажному перекрытию, «перетекая» по колоннам с этажа на этаж. В значительной степени указанные обстоятельства обусловливают сложности решения задачи об определении места импульсного воздействия. Решению задачи локации в подобных конструкциях посвящено сравнительно небольшое количество работ, при этом в основном исследуются каркасные конструкции [28; 29]. В связи с этим исследования, связанные с определением места ударного воздействия в реальных строительных сооружениях, являются ак-туальными. В данной статье приведены результаты экспериментально-теоретических исследований по разработке подхода для определения места ударного воздействия на основе анализа вибрационных процессов. Возможности метода продемонстрированы на примере железобетонной четырехэтажной конструкции.

About the authors

R. V. Tsvetkov

Institute of Continuous Media Mechanics of Ural Branch of Russian Academy of Sciences

I. N. Shardakov

Institute of Continuous Media Mechanics of Ural Branch of Russian Academy of Sciences

I. O. Glot

Institute of Continuous Media Mechanics of Ural Branch of Russian Academy of Sciences

G. N. Gusev

Institute of Continuous Media Mechanics of Ural Branch of Russian Academy of Sciences

V. V. Yepin

Institute of Continuous Media Mechanics of Ural Branch of Russian Academy of Sciences

A. P. Shestakov

Institute of Continuous Media Mechanics of Ural Branch of Russian Academy of Sciences

References

  1. Притыкин В.Н., Долганев Ю.Г. Использование датчиков акустических волн для определения координат отражения мяча от щита при баскетбольных бросках [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - № 1-2. - C. 127. - URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=19893 (дата обращения: 10.09.2022).
  2. Обнаружение региональных фаз объемных сейсмических волн с помощью группы трехкомпонентных датчиков / И.О. Китов, С.Г. Волосов, С.Б. Кишкина, Н.Л. Константиновская, К.С. Непеина, М.А. Нестеркина, И.А. Санина // Сейсмические приборы. - 2015.- Т. 51, № 1. - С. 27-45.
  3. Syten'ky V.D. Determination of coordinates of seismic wave source by amplitude method of passive location // Geodynamics and Tectonophysics. - 2012. - Vol. 3 (4). - P. 409-416. doi: 10.5800/GT2012340082
  4. Magotra N., Ahmed N., Chael E. Seismic Event detection and source Location Using Single-Station (Three-Component) Data // Bulletin of the Seismological Society of America. - 1987. - Vol. 77 (3). - P. 958-971.
  5. Grosse C.U., Ohtsu M. Acoustic Emission Testing // Berlin, Heidelberg: Springer, 2008. - 406 p. doi: 10.1007/978-3-540-69972-9
  6. Tobias A. Acoustic-emission source location in two dimensions by an array of three sensors // Non-Destructive Testing. - 1976. - Vol. 9, iss. 1. - P. 9-12.
  7. Low-velocity impact localization on composites under sensor damage by interpolation reference database and fuzzy evidence theory / H.Y. Li, Z. Wang, J. Forrest [et al.] // IEEE Access. - 2018. - Vol. 6. - P. 31157-31168. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2844802
  8. Wave-based impact localization on laminated composite plates using a coarse network of sensors / T.C. Theodosiou, C.S. Rekatsinas, C.V. Nastos, D.A. Saravanos // Structural Health monitoring. - 2019. - Vol. 18, is. 5-6. - P. 2040-2055. doi: 10.1177/1475921719830066
  9. Ciampa F., Meo M., Barbieri E. Impact localization in composite structures of arbitrary cross section // Structural Health Monitoring. - 2012. - Vol. 11 (6). - P. 643-655. doi: 10.1177/1475921712451951
  10. Si L., Baier H. An in situ ensemble impact monitoring and identification technique for fiber composite structures under multiple disturbances // Structural Health Monitoring. - 2016. - Vol. 15, iss. 3. - P. 247-265. doi: 10.1177/1475921716636334
  11. Метод локализации воздействия в композитном материале с помощью волоконно-оптических датчиков акустической эмиссии / С.Д. Бочкова, С.А. Волковский, М.Е. Ефимов [и др.] // Приборы и техника эксперимента. - 2020. - № 4. - C. 73-77. doi: 10.31857/S0032816220040230
  12. Impact localization with a weighted spectral cross correlation method / W. Jiang, L. Du, Z. Luo, Z. Wang, H. Song // Aerospace Science and Technology. - 2022. - Vol. 126. - P. 107591.
  13. Locating acoustic emission sources in complex structures using gaussian processes /j. Hensman, R. Mills, S. Pierce, K. Worden, M. Eaton // Mechanical Systems and Signal Processing. - 2010. - Vol. 24 (1). - P. 211-223.
  14. Acoustic emission source location in complex structures using full automatic delta T mapping technique / S.Kh. Al-Jumaili, M.R. Pearson, K.M. Holford, M.J. Eaton, R. Pullin // Mech. Syst. Signal Process. - 2016. - Vol. 72-73. - P. 513-524. doi: 10.1016/j.ymssp.2015.11.026
  15. A Bayesian methodology for localising acoustic emission sources in complex structures / M.R. Jones, T.J. Rogers, K. Worden, E.J. Cross // Mechanical Systems and Signal Processing. - 2022. - Vol. 163. - 108143. doi: 10.1016/j.ymssp.2021.108143
  16. Li Q., Lu Q. Impact localization and identification under a constrained optimization scheme // Journal of Sound and Vibration. - 2016. - Vol. 366. - P. 133-148. doi: 10.1016/j.jsv.2015.12.010
  17. Impact source localisation in aerospace composite structures / M.E. De Simone, F. Ciampa, S. Boccardi, M. Meo // Smart Materials and Structures - 2017. - Vol. 26 (12). - P. 125026. doi: 10.1088/1361-665x/aa973e
  18. Zemcík R., Bartosek J., Kroupa T. Impact reconstruction and localization on laminated structure // Mater. Today Proc. - 2018. - Vol. 5 (13). - P. 26596-26602. doi: 10.1016/j.matpr.2018.08.122
  19. B Park and all Impact localization in complex structures using laser-based time reversal // Structural Health Monitoring. - 2012. - Vol. 11 (5). - P. 577-588. doi: 10.1177/1475921712449508
  20. Shrestha P., Park Y., Kim C.-G. Low velocity impact localization on composite wing structure using error outlier based algorithm and FBG sensors // Composites Part B: Engineering. - 2017. - Vol. 116. - P. 298-312. doi: 10.1016/j.compositesb.2016.10.068
  21. Three-Dimensional Impact Localization on Concrete Structures Using Novel Enhanced Cross-Correlation Algorithm and Designed Concrete Implantable Module / Q. Chen, Z. Yang, X. Li, X. Sun, Q. Kong // Frontiers in Materials. - 2022. - P. 909006. doi: 10.3389/fmats.2022.909006
  22. Saleem M.M., Jo H. Impact force localization for civil infrastructure using augmented Kalman filter optimization // Smart Mater. Struct. - 2019. - Vol. 23 (2). - P. 123-139. doi: 10.12989/sss.2019.23.2.123
  23. Estimation of impact location on concrete column /j. Zhu, S.C.M. Ho, Q. Kong, D. Patil, Y.-L. Mo, G. Song // Smart Materials and Structures. - 2017. - Vol. 26 (5). - P. 055037. doi: 10.1088/1361-665X/aa6768
  24. Detection of source locations in RC columns using machine learning with acoustic emission data / A. Jierula, S. Wang, T-M. Oh, J-W. Lee, J. Lee // Engineering Structures. - 2021. - Vol. 246. - P. 112992. doi: 10.1016/j.engstruct.2021.112992
  25. Manawadu A., Qiao P. Impact identification on concrete panels using a surface-bonded smart piezoelectric module system // Smart Materials and Structures. - 2022. - Vol. 31 (1). - P. 015044. doi: 10.1088/1361-665x/ac3c03
  26. Structural monitoring: Identification and location of an impact on a structurally dissipating rock-shed structure using the inverse method / Z. Boukria, P. Perrotin, A. Bennani, F. Dupray, A. Limam // European Journal of Environmental and Civil Engineering. - 2012. Vol. 16 (1). - P. 20-42. doi: 10.1080/19648189.2012.667204
  27. Пространственно-временное распределение деформационных процессов в железобетонной конструкции при ударно-волновом воздействии (расчет, эксперимент) / И.О. Глот, В.П. Матвеенко, Р.В. Цветков, И.Н. Шардаков, А.П. Шестаков // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. - 2019. - № 2. - С. 72-84. doi: 10.1134/S0572329919020053
  28. Martin M.T., Doyle J.F. Impact force location in frame structures // International Journal of Impact Engineering. - 1996. - Vol. 18, no. 1. - P. 79-97. doi: 10.1016/0734-743X(95)00016-9
  29. A wavelet-based scheme for impact identification of framed structures using combined genetic and water cycle algorithms / S.H. Mahdavi, F.R. Rofooei, A. Sadollah, C. Xu // Journal of Sound and Vibration. - 2019. - Vol. 443. - P. 25-46. doi: 10.1016/j.jsv.2018.11.022
  30. Neziric E., Isic S. Impact Force Localization Using Eigenfrequency Measurement in Plane Frames // Lecture Notes in Networks and Systems. - 2020. - Vol. 128. - P. 39-47. doi: 10.1007/978-3-030-46817-0_4
  31. Single-sensor approach for impact localization and force reconstruction by using discriminating vibration modes / D. Goutaudier [et al.] // Mechanical Systems and Signal Processing. - 2020. - Vol. 138. - 106534. doi: 10.1016/j.ymssp.2019.106534
  32. In solid localization of finger impacts using acoustic time-reversal process / R.K. Ing, N. Quieffin, S. Cathelinea, M. Fink // Appl. Phys. Lett. - 2005. - Vol. 87. - 204104. doi: 10.1063/1.2130720
  33. Douma J., Niederleithinger E., Snieder R. Locating Events Using Time Reversal and Deconvolution: Experimental Application and Analysis // J Nondestruct Eval. - 2015. - Vol. 34. - Р. 2. -. doi: 10.1007/s10921-015-0276-x
  34. Pearson K. Notes on regression and inheritance in the case of two parents // Proceedings of the Royal Society of London. - 1895. - Vol. 58. - P. 240-242.
  35. Experimental study of deformation processes in large-scale concrete structures under quasistatic loading / I. Shardakov, I. Glot, A. Shestakov, R. Tsvetkov, V. Yepin, G. Gusev // Journal of Mechanics of Materials and Structures. - 2020. - Vol. 15, no. 5. - P. 619-633. doi: 10.2140/jomms.2020.15.619

Statistics

Views

Abstract - 99

PDF (Russian) - 94

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2022 Tsvetkov R.V., Shardakov I.N., Glot I.O., Gusev G.N., Yepin V.V., Shestakov A.P.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies