Identification des structures de génie civil, Identification of civil engineering structures

Francisco Garcés

Description

Sous la direction de Ahmed Mébarki
Thèse soutenue le 22 février 2008: Paris Est
Cette thèse présente trois méthodes pour l’identification des rigidités des structures d’usage commun dans l’ingénierie civile, à partir de données dynamiques expérimentales. La première méthode est développée pour des structures composées pour portiques. La deuxième méthode proposée est appliquée à des structures constituées pour des poutres isostatiques. La troisième est une méthodologie d’estimation des rigidités en flexion (EI) et au cisaillement (GA/?) pour une structure constituée de murs dont les énergies de déformation en flexion et cisaillement peuvent être soit du même ordre de grandeur, soit l’une prépondérante par rapport à l’autre. Pour chaque méthode, des simulations numériques sont effectuées pour identifier les dommages structuraux ou les variations des rigidités, en termes de localisation et de magnitude de ces dommages. L'incidence et l'impact des erreurs et bruits sur les valeurs estimées des rigidités structurales sont analysés. Les méthodologies sont également appliquées pour localiser des dommages mécaniques ou des réductions de section sur modèles de laboratoire. A partir des concepts dynamiques de base et considérant une typologie donnée de structure, la thèse développe les concepts et formulations permettant d’identifier les rigidités résiduelles des structures considérées. Les méthodes peuvent être aisément mises en oeuvre pour déterminer les éventuels dommages (localisation et intensité) qui peuvent affecter une structure, par exemple après un séisme. Peu de mesures sont requises à cet effet : des essais de vibration libre et du matériel peu onéreux de mesures sont amplement suffisants dans le cas particulier des structures étudiées
-Dommage structural
-Poutres isostatiques
-Murs de contreventement
-Portiques
-Bruits et signal
This thesis presents three methods to estimate and locate damage in framed buildings, simply-supported beams and cantilever structures, based on experimental measurements of their fundamental vibration modes. Numerical simulations and experimental essays were performed to study the effectiveness of each method. A numerical simulation of a multi-storey framed building, a real bridge and a real chimney were carried out to study the effectiveness of the methodologies in identifying damage. The influence of measurement errors and noise in the modal data was studied in all cases. To validate the experimental effectiveness of the damage estimation methods, static and dynamics tests were performed on a framed model, a simply supported beam, and a cantilever beam in order to determine the linear behavior changes due to the increase of the level of damage. The structural identification algorithms during this thesis were based on the knowledge type of the stiffness matrix or flexibility matrix to reduce the number of modal shapes and required coordinates for the structural assessment. The methods are intended to develop tools to produce a fast response and support for future decision procedures regarding to structures widely used, by excluding experimental information, thereby allowing a cost reduction of extensive and specific testing
-Dynamic analysis
-Structural damaged
-Simple supported beam
-Shear wall building
-Cantilevers
-Framed Buildings
-Monitoring of structures
-Noise and signals
Source: http://www.theses.fr/2008PEST0238/document

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 47
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

UNIVERSITÉ PARIS-EST
ÉCOLE DOCTORALE MODES




Thèse de doctorat
Discipline: Génie Civil




Francisco GARCÉS




IDENTIFICATION OF CIVIL ENGENIEERING
STRUCTURES




Thèse dirigée par M. Ahmed MEBARKI

Soutenue le 22 février de 2008





Jury

M. Abdekhalek EL HAMI Rapporteur
M. Hamid AFRA Rapporteur
M. Michel LORRAIN Examinateur
M. Carlos GENATIOS ExamChristian CREMONA Examinateur
tel-00470540, version 1 - 6 Apr 2010












To
My wife Liany and my parents Florinda and Alfonso
tel-00470540, version 1 - 6 Apr 2010
Acknowledgements



I would like to express my gratitude to my teacher and friend, Carlos Genatios. I
would like to thank them for their guidance and support in the last years.

My special thanks to my friend Pedro García and Marianela Lafuente for their
assistance in this thesis.

Thanks to FONACIT, CDCH of the UCV, FUNDAYACUCHO and the French
Government, for Bursary provided towards supporting my study.

Thanks to Ahmed Mebarki and Laboratoire de mecanique for giving me the
opportunity to work my thesis in the University Paris-Est.

To my Work colleagues and friends in the IMME-UCV, Williams Ascanio,
Alcibíades Molina, and work colleagues in France Sandra Jerez, Leila Abdou, Natalia
Valencia, Sulpicio Sanchez thank you for your friendship, care and support.

Lastly, I am very grateful to my wife, parents and my family for their support and
encouragements.
tel-00470540, version 1 - 6 Apr 2010RÉSUMÉ

Cette thèse présente trois méthodes pour l’identification des rigidités des structures
d’usage commun dans l’ingénierie civile, à partir de données dynamiques
expérimentales.
La première méthode est développée pour des structures composées pour portiques.
La deuxième méthode proposée est appliquée à des structures constituées pour des
poutres isostatiques. La troisième est une méthodologie d’estimation des rigidités en
flexion (EI) et au cisaillement (GA/ γ) pour une structure constituée de murs dont les
énergies de déformation en flexion et cisaillement peuvent être soit du même ordre de
grandeur, soit l’une prépondérante par rapport à l’autre.
Pour chaque méthode, des simulations numériques sont effectuées pour identifier les
dommages structuraux ou les variations des rigidités, en termes de localisation et de
magnitude de ces dommages. L'incidence et l'impact des erreurs et bruits sur les
valeurs estimées des rigidités structurales sont analysés.
Les méthodologies sont également appliquées pour localiser des dommages
mécaniques ou des réductions de section sur modèles de laboratoire.
A partir des concepts dynamiques de base et considérant une typologie donnée de
structure, la thèse développe les concepts et formulations permettant d’identifier les
rigidités résiduelles des structures considérées. Les méthodes peuvent être aisément
mises en œuvre pour déterminer les éventuels dommages (localisation et intensité) qui
peuvent affecter une structure, par exemple après un séisme. Peu de mesures sont
requises à cet effet : des essais de vibration libre et du matériel peu onéreux de
mesures sont amplement suffisants dans le cas particulier des structures étudiées.

MOTS CLÉS : Analyse dynamique, Dommage structural, Poutre isostatiques, Murs de
contreventement, consoles, portiques, Maintenance et inspection, Bruits et signal.
tel-00470540, version 1 - 6 Apr 2010IDENTIFICATION OF CIVIL ENGENIEERING
STRUCTURES

ABSTRACT

This thesis presents three methods to estimate and locate damage in framed buildings,
simply-supported beams and cantilever structures, based on experimental
measurements of their fundamental vibration modes. Numerical simulations and
experimental essays were performed to study the effectiveness of each method.
A numerical simulation of a multi-storey framed building, a real bridge and a real
chimney were carried out to study the effectiveness of the methodologies in
identifying damage. The influence of measurement errors and noise in the modal data
was studied in all cases.
To validate the experimental effectiveness of the damage estimation methods, static
and dynamics tests were performed on a framed model, a simply supported beam, and
a cantilever beam in order to determine the linear behavior changes due to the
increase of the level of damage.
The structural identification algorithms during this thesis were based on the
knowledge type of the stiffness matrix or flexibility matrix to reduce the number of
modal shapes and required coordinates for the structural assessment. The methods are
intended to develop tools to produce a fast response and support for future decision
procedures regarding to structures widely used, by excluding experimental
information, thereby allowing a cost reduction of extensive and specific testing.

KEYWORDS: Dynamic analysis, structural damaged, simple supported beam, Shear
wall building, cantilevers, Framed Buildings, monitoring of structures, noise and
signals.

Laboratoire de Modélisation et Simulation Multi-échelle, Université Paris-Est
5, Boulevard Descartes, 77454 Marne la Vallée Cedex 2
tel-00470540, version 1 - 6 Apr 2010
TABLE OF CONTENTS
1
1. INTRODUCTION ........................................................................................................................................................ 1
1.1 JUSTIFICATION ....................................................................................................................................................... 3
1.2 OBJECTIVES............................................................................................................................................................. 7
1.3 CONTENTS OF THE STUDY................................................................................................................................... 8
2
2. STRUCTURAL DAMAGE: METHODS OF IDENTIFICATION USING EXPERIMENTAL STRUCTURAL
DYNAMICS.............................................................................................................................................................. 11
2.1 INTRODUCTION .................................................................................................................................................... 13
2.2 STUDY OF DAMAGE............................................................................................................................................. 13
2.2.1 DAMAGE ESTIMATION AFTER AN EXTREME EVENT............................................................................... 15
2.2.1.1 Classification according to damage observed ..................................................................................................... 15
2.2.1.2 Classification according to functionability.............................. 15
2.2.1.3 Classification according to level of repair required............................................................................................. 16
2.2.1.4 Combined Classification ..................................................................................................................................... 16
2.2.2 STRUCTURAL HEALTH MONITORING (SHM).............................................................................................. 17
2.3 DAMAGE IDENTIFICATION METHODS USING MODAL DATA.................................................................... 18
2.3.1 SURVEY OF PREVIOUS LITERATURE............................................................................................................ 18
2.3.2 CHANGES IN NATURAL FREQUENCY........................................................................................................... 19
2.3.3 METHODS BASED ON MODE SHAPES 22
2.3.3.1 Comparison of modes shapes................................. 23
2.3.3.2 Mode shape curvatures........................................................................................................................................ 24
2.3.4 MODAL STRAIN ENERGY ................................................................................................................................ 25
2.3.5 DYNAMIC FLEXIBILITY............................. 26
2.3.6 RESIDUAL FORCE VECTOR METHOD (RFV)......... 28
2.3.7 MODEL UPDATING BASED METHODS............. 29
2.3.8 DAMPING............................................................................................................................................................. 32
2.3.9 NEURAL NETWORK METHODS ...................................................................................................................... 33
2.3.10 GENETIC ALGORITHM METHODS.........................