Systemindentification and Structural Health Monitoring Using Piezoceramic Actuators

In dieser Arbeit wird ein Monitoringkonzept für die automatisierte Überwachung von Stahltragwerken entwickelt. Das Konzept bewertet die Schwingungseigenschaften harmonisch angeregter Strukturen mit den Methoden der Systemidentifikation. Die Messtechnik wird in Form von piezokeramischen Aktuatoren direkt in das Tragwerk integriert. Die piezokeramischen Aktuatoren ermöglichen sowohl die dynamische Anregung des Systems als auch die Messung der Systemantwort. Für die Berechnung piezoelektrischer Systeme wird die Finite-Elemente-Methode verwendet. Das entwickelte finite Makroelement verringert den numerischen Aufwand, indem die elektro-mechanischen Gleichungen auf Elementebene analytisch gelöst werden. Im Rahmen der Systemidentifikation erfolgt die Anpassung eines mathematischen Modells des Tragwerks mit Hilfe der indirekten parametrischen Identifikation an die experimentell ermittelten dynamischen Größen. Das identifizierte Modell dient als Referenzlösung für die Zustandsanalyse. Für die Identifikation lokaler Zustandsänderungen werden zwei Indikatoren vorgestellt, welche die Lokalisierung und Quantifizierung einer Zustandsänderung ermöglichen. Hierfür wird die indirekte parametrische Identifikation mit einem Testverfahren gekoppelt. Die Validierung des Konzeptes erfolgt numerisch sowie experimentell an einem geschädigten Stahlblech.The present work deals with a structural health monitoring concept for steel structures. The concept evaluates the vibration characteristics of harmonically excited structures with the methods of system identification. The measurement instrumentation is integrated into the structure. By means of piezoceramic actuators it is possible to excite the system as well as to measure the system response. For the computation of piezoelectric systems the Finite-Element-Method is applied. A finite macro-element is developed to increase the numerical efficiency by incorporating the analytical solution of the electro-mechanical equations. A model updating algorithm is applied to adapt a mathematical model of the structure to the experimental data. The identified model serves as reference solution for further investigations. For the localization and quantification of a local damage two indicators are presented, based on the model updating algorithm in combination with a test procedure. The validation of the concept is realized numerically and experimentally on a damaged steel plate