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.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

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.

Еще

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 | DOI: 10.15593/perm.mech/2022.4.10

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

Еще

Статья научная