Suivi de santé structurale basé sur l'identification modale opérationnelle - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Structural health monitoring based on operational modal analysis

Suivi de santé structurale basé sur l'identification modale opérationnelle

Duc Tuan Ta
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1180547
  • IdRef : 26534929X

Résumé

Structural health monitoring (SHM) is primordial for safe use and is essential for sustainable development. Among existing methods for SHM, vibration-based methods are the most commonly used. Operational modal analysis (OMA) is suitable for real structures as it offers several advantages: low cost, normal use of structures, and continuous monitoring. However, it has some main obstacles: (i) uncertainty in identified modal parameters due to unmeasured and uncontrolled operational excitations; (ii) underdetermined problems when the number of measured responses is less than that of active modes; (iii) the relationship between the damage in terms of change in mechanical properties like mass and stiffness and the change in modal parameters, is not straightforward, and it often goes through finite element update steps resulting in computational burden; (iv) in reality, there may be several damages in a structure, and the detection of multiple damages is not obvious. Therefore, the objectives of the thesis are: (i) overview of efficient and popular methods for operational modal analysis and damage identification; (ii) propose improvements to existing methods or a novel method that can deal with underdetermined cases; (iii) develop a procedure for rapid damage detection based on a simplified relationship between damage and changes in modal parameters; (iv) introduce an enhanced procedure for multiple damage detection in structures.To achieve these objectives, the obtained results of the thesis can be briefly summarized in the following four contributions.The first contribution is an improvement of the existing modal identification technique based on the PARAllel FACtor (PARAFAC) decomposition in time domain. The third-order tensor of the covariance of responses is first decomposed into components corresponding to structural modes or harmonic components. A minimum length of autocovariance functions using natural periods and damping factors is suggested to distinguish between harmonics and structural modes accurately.The second contribution is the development of a novel method for modal identification based on PARAFAC decomposition in frequency domain. Using the PARAFAC decomposition, a third-order tensor in frequency constructed from Power Spectral Density (PSD) of responses is first decomposed into rank-1 tensors that can be structural modes or harmonic components. The auto-PSD function of each rank-1 tensor is then used to identify modal parameters, while spectral kurtosis values are used for the distinction of structural modes and harmonics.The third contribution is devoted to the proposal of an efficient method for the rapid detection and quantification of a single local change in the mass and/or stiffness of like-beam structures using identified modal parameters. This contribution considers the relationship between local changes in the mass and/or stiffness of a beam and its natural frequency shift and mode shape, and explicitly gives an analytical expression. Based on the proposed expression, linear regression is applied to obtain accurate results of the change in the mass/stiffness of the beam.The fourth contribution aims to extent the previous damage identification procedure for multiple local changes in mass and/or stiffness. Comparison between natural frequency shifts obtained directly from the analytic expression established in the former contribution instead of using FEM and measured ones allows multiple damages to be identified using Bayesian inference. The proposed identification of damages becomes rapid because it skips the computational cost caused by FEM simulations.All the above contributions have been validated by numerical simulations and experimental laboratory tests.
La surveillance de la santé structurelle (SHM) des structures est primordiale pour une utilisation sûre et essentielle pour le développement durable. L'analyse modale opérationnelle (OMA) pour SHM est appropriée pour les structures réelles car elle offre plusieurs avantages : faible coût, utilisation normale des structures et surveillance continue. Cependant, elle présente quelques obstacles majeurs : (i) excitations non mesurées; (ii) problèmes de sous-détermination; (iii) relation entre les endommagements et le changement des paramètres modaux, n'est pas directe; (iv) identification difficile des endommagements multiples. Par conséquent, les objectifs de la thèse sont : (i) faire une analyse sur des méthodes efficaces et populaires pour l'analyse modale opérationnelle et pour l'identification des endommagements ; (ii) proposer des améliorations des méthodes existantes ou de nouvelles méthodes qui peuvent traiter les cas sous-déterminés ; (iii) développer une procédure de détection rapide des endommagements; (iv) introduire une procédure améliorée pour la détection des dommages multiples. Les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse peuvent être résumés en quatre contributions principales suivantes :La première contribution est une amélioration de la technique d'identification modale existante basée sur la décomposition PARAllel FACtor (PARAFAC) dans le domaine temporel. Le tenseur de troisième ordre de la covariance des réponses est décomposé en composantes correspondant aux modes structurels ou aux déflections harmoniques. Une longueur minimale des fonctions d'auto-covariance utilisant les périodes naturelles et les taux d'amortissement est suggérée pour distinguer avec précision les harmoniques des modes structurels.La deuxième contribution consiste à développer une nouvelle méthode d'identification modale basée sur la décomposition PARAFAC dans le domaine fréquentiel. En utilisant la décomposition PARAFAC, un tenseur d'ordre 3 en fréquence construit à partir de la densité spectrale de puissance (DSP) des réponses est d'abord décomposé en plusieurs tenseurs d'ordre de rang 1 qui peuvent être des modes structurels ou des composantes harmoniques. La fonction auto-PSD de chaque tenseur d'ordre 3 de rang 1 est ensuite utilisée pour identifier les paramètres modaux tandis que les valeurs de kurtosis spectral sont utilisées pour distinguer les modes structurels et les harmoniques. La performance de la méthode proposée a été étudiée avec un amortissement proportionnel/non-proportionnel, des modes très rapprochés, des cas sous-déterminés et en présence d'excitations harmoniques.La troisième contribution est consacrée à la proposition d'une méthode rapide pour la détection et la quantification d'un changement local simple de la masse et/ou la rigidité de structures de type poutre en utilisant des paramètres modaux identifiés. La relation entre les changements locaux de masse et/ou de rigidité d'une poutre et son décalage de fréquence naturelle et sa déformée modale est examinée et une expression analytique est explicitement donnée. Sur la base de l'expression proposée, une régression linéaire est appliquée pour obtenir des résultats précis du changement de masse et/ou rigidité des poutres.La quatrième contribution vise à étendre la procédure précédente d'identification des endommagements pour de multiples changements locaux de masse et/ou de rigidité. La comparaison entre les décalages de fréquence naturelle obtenus directement à partir de l'expression analytique établie dans la contribution précédente au lieu d'utiliser la méthode des éléments finis et ceux mesurés permet ensuite l'identification des endommagements en utilisant une inférence Bayésienne. L'identification des endommagements proposée devient rapide car elle évite le coût de calcul causé par les simulations FEM.Toutes les contributions ci-dessus ont été validées par des simulations numériques et des tests expérimentaux au laboratoire.
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2022UPAST120.pdf (9.78 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03835377 , version 1 (31-10-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03835377 , version 1

Citer

Duc Tuan Ta. Suivi de santé structurale basé sur l'identification modale opérationnelle. Mécanique [physics]. Université Paris-Saclay, 2022. Français. ⟨NNT : 2022UPAST120⟩. ⟨tel-03835377⟩
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