Определение места удара в железобетонной конструкции по результатам анализа отклика вибродатчиков
Автор: Цветков Р.В., Шардаков И.Н., Глот И.О., Гусев Г.Н., Епин В.В., Шестаков А.П.
Статья в выпуске: 4, 2022 года.
Бесплатный доступ
Представлены результаты эксперимента по исследованию вибрационного отклика крупномасштабной железобетонной модельной конструкции на импульсную ударную нагрузку. Нагрузка была приложена ко всем основным элементам конструкции (колоннам, ригелям и плитам перекрытий) и представляла собой однотипные удары по нормали к поверхностям элементов. Вибрационный отклик регистрировался системой датчиков-акселерометров, распределенной по элементам конструкции и синхронизированной с акселерометром, установленным на ударнике. Результаты измерений виброграмм ускорений сохранены в виде числовых массивов. Массив виброграмм, зарегистрированных всем комплексом датчиками в ответ на диагностические удары по основным конструктивным элементам, составил вибрационный портрет конструкции. В результате обработки этой информации получен массив данных о времени распространения вибрационного сигнала от каждого источника сигнала до каждого из датчиков системы регистрации (базовый массив откликов). Полученные данные использованы для решения задачи о локации произвольного удара по конструкции. Для этого вибрационный отклик, зарегистрированный системой датчиков при произвольном ударе, сопоставлялся с базовым массивом откликов. Сопоставление производилось на основе вычисления коэффициентов парной корреляции. Полученное пространственное распределение коэффициентов корреляции позволило идентифицировать позицию приложения ударной нагрузки, связав ее с элементом конструкции, которому соответствует максимальное значение коэффициента корреляции. Предложенный алгоритм продемонстрирован на примере, где в качестве неизвестной нагрузки выступил один из диагностических ударов, использованных при получении базового вибропортрета. В численном эксперименте, выполненном с использованием предложенного алгоритма, установлено, что точность определения места удара сопоставима с характерным шагом элементов модельной конструкции и продемонстрировано, как точность соотносится с количеством датчиков системы регистрации и их распределением по конструкции. Разработанный алгоритм идентификации места приложения ударной нагрузки может эффективно использоваться при разработке автоматизированных систем деформационного мониторинга.
Вибродиагностика, локация, эксперимент, железобетонная конструкция, импульсная ударная нагрузка, идентификация места воздействия, вибрационный отклик, обработка сигналов, корреляционный анализ, деформационный мониторинг
Короткий адрес: https://sciup.org/146282580
IDR: 146282580 | УДК: 534.213 | DOI: 10.15593/perm.mech/2022.4.10
Identification of the impact position in a reinforced concrete structure based on the analysis of the response of vibration sensors
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 elements (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 propagation time of the vibration signal from each signal source to each of the sensors of the registration 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 arbitrary 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 effectively used in the development of automated systems for deformation monitoring.
Список литературы Определение места удара в железобетонной конструкции по результатам анализа отклика вибродатчиков
- 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).
- 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.
- Syten'ky V.D. Determination of coordinates of seismic wave source by amplitude method of passive location // Geody-namics & Tectonophysics. - 2012. - Vol. 3 (4). - P. 409-416. DOI: 10.5800/GT2012340082.
- 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.
- Grosse C.U., Ohtsu M. Acoustic Emission Testing // Berlin, Heidelberg: Springer, 2008. - 406 p. DOI: 10.1007/978-3-54069972-9
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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/jjsv.2015.12.010
- 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
- Zemcik 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- Neziric E., Isic S. Impact Force Localization Using Ei-genfrequency 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
- Single-sensor approach for impact localization and force reconstruction by using discriminating vibration modes / D. Gou-taudier [et al.] // Mechanical Systems and Signal Processing. -2020. - Vol. 138. - 106534 DOI: 10.1016/j.ymssp.2019.106534
- 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
- Douma J., Niederleithinger E., Snieder R. Locating Events Using Time Reversal and Deconvolution: Experimental Application and Analysis // J Nondestruct Eval. - 2015. - Vol. 34. - P. 2. - DOI: 10.1007/s10921-015-0276-x
- 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.
- 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
