Structural Health Monitoring of Multi-story Buidings via Robotic Laser Scanning Systems

Abstract

This study aims to develop a programmable robotic scanning system, which is based on remote sensing and non-contact measurement techniques, for structural health monitoring of multi-story buildings, bridges and similar structures. The proposed system is based on laser Doppler interferometry and can easily be applied to almost all kinds of structures without needing to install any sensors on the structure. In order to take measurements with high accuracy and spatial resolution, the utilized laser Doppler vibrometer is mounted on a motorized platform which can independently rotate about the horizontal and vertical axes. A unified monitoring system, which enables user to control several test parameters through a personal computer, was formed by means of the integrated camera imaging system, control algorithms and user interface. The developed scanning system was tested in the lab on small scale multi-story building models and it was demonstrated that the dynamic properties of the structure can be extracted with high accuracy and resolution. The proposed system can be programmed to scan several structures successively by using the same device. The analysis results show that natural frequencies, damping ratios and mode shapes of the test structures can be extracted in a fast and efficient way.

Keywords

• Structural health monitoring,Robotic systems,Vibration measurement,Modal Analysis,Laser interferometry,Wind and earthquake response

ÇOK KATLI YAPILARDA ROBOTİK LAZER TARAYICI SİSTEMLERLE YAPISAL SAĞLIK TAKİBİ

Abstract

Bu çalışmada çok katlı bina, köprü vb. yapıların anlık sağlık durumlarının takibinde kullanılmak amacıyla uzaktan algılama ve temassız ölçüm tekniklerine dayalı, programlanabilir robotik bir tarayıcı sistem geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Önerilen sistem, ölçüm tekniği olarak lazer Doppler interferometri kullanılacağı için test edilen yapılar üzerine herhangi bir sensör yerleştirilmesine ihtiyaç duyulmadan her türlü yapıya kolaylıkla uygulanabilir. Yüksek hassasiyet ve çözünürlükte ölçüm alınabilmesi amacıyla, yüksek örnekleme frekansına sahip bir lazer Doppler titreşimölçer, yatay ve düşey eksenlerde bağımsız hareket edebilen motorize bir platform üzerine yerleştirilmiştir. Platforma eklenen kameralı görüntüleme sistemleri, geliştirilen kontrol algoritmaları ve arayüz yardımıyla, kullanıcının test ve ölçümler ile ilgili çeşitli parametreleri kişisel bilgisayarı üzerinden kontrol edebileceği bütünleşik bir yapı oluşturulmuştur. Geliştirilen tarayıcı sistem laboratuvarda kurulan küçük ölçekli çok katlı bina modelleri üzerinde test edilerek yapıların dinamik özelliklerinin yüksek doğruluk ve çözünürlükte çıkarılabildiği gösterilmiştir. Önerilen sistem birden fazla yapının düzenli bir şekilde taranmasına imkan sağlayacak şekilde programlanabilmektedir. Elde edilen titreşim verisinin analizi sonucunda yapının doğal frekanslarının, sönümleme oranlarının ve mod şekillerinin hızlı ve etkin bir şekilde hesaplanabildiği görülmüştür.

Keywords

• Yapısal sağlık takibi,Robotik sistemler,Titreşim ölçümü,Modal analiz,Lazer interferometri,Rüzgar ve deprem salınımı

References

1. Bocca, M., Eriksson, L., Mahmood, A., Jäntti, R. ve Kullaa, J. (2011) A synchronized wireless sensor network for experimental modal analysis in structural health monitoring, Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 26(7), 483–499. doi:10.1111/j.1467-8667.2011.00718.x
2. https://www.polytec.com/int/, Erişim Tarihi: 20.07.2018, Konu: Lazer Titreşimölçerler.
3. Krishnamurthy, V., Fowler, K. ve Sazonov, E. (2008) The effect of time synchronization of wireless sensors on the modal analysis of structures, Smart Materials and Structures, 17(5) 055018. doi: 10.1088/0964-1726/17/5/055018
4. Magalhães, F. ve Cunha, Á. (2016) Automated identification of the modal parameters of a cable-stayed bridge: Influence of the wind conditions, Smart Structures and Systems,17(3), 431 444. doi:10.12989/sss.2016.17.3.431
5. Nickitopoulou, A., Protopsalti, K. ve Stiros, S. (2006) Monitoring dynamic and quasi-static deformations of large flexible engineering structures with GPS: Accuracy, limitations and promises, Engineering Structures, 28(10), 1471-1482. doi:10.1016/j.engstruct.2006.02.001
6. Oliveira, G., Magalhães, F., Cunha, Á. ve Caetano, E. (2018), Continuous dynamic monitoring of an onshore wind turbine, Engineering Structures, 164, 22-39. doi:10.1016/j.engstruct.2018.02.030
7. Tamura, Y., Matsui, M., Pagnini, L.C., Ishibashi, R. ve Yoshida A (2002). Measurement of wind-induced response of buildings using RTK-GPS, Journal of Wind Eng. Ind. Aerodyn, 90(12-15), 1783–93. doi:10.1016/S0167-6105(02)00287-8
8. Yang, S., Allen ve M.S. (2012), Output-only Modal Analysis using Continuous-Scan Laser Doppler Vibrometry and application to a 20 kW wind turbine, MSSP Mechanical Systems and Signal Processing, 31, 228-245. doi:10.1016/j.ymssp.2012.04.012