Published August 1, 2023 | Version v1
Publication Open

A Low-Cost Wireless Multinode Vibration Monitoring System for Civil Structures

Creators

  • 1. Universidade de Brasília

Description

Structural health monitoring (SHM) has gained importance because many structures are approaching the end of their design life and demanding maintenance and monitoring. Low-cost solutions may push forward a widespread implementation of SHM on infrastructures but further investigation is still required to assess the performance of technically accessible, simple, and scalable low-cost systems. This work presents the development and validation of a low-cost vibration-based SHM multinode wireless system, based on the Arduino platform, for identification of modal parameters in civil infrastructures. Full details about the hardware and source code of the system are disclosed in an open repository, allowing its reproduction even by non-specialists in electronics. The sampling frequency stability of the system is experimentally characterized, and interpolation postprocessing algorithms are proposed to solve inherent limitations. The system is validated, and its performance is investigated in impulse and ambient vibration tests performed in a real-scale slab and a high-grade system. The data obtained from the proposed system in impulse tests allowed estimation of natural frequencies within 2%, and MAC values around 0.3 to 0.9, in relation to those estimated with the high-grade system. However, the low-cost system was unable to produce usable data in ambient vibration tests.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

اكتسبت مراقبة الصحة الهيكلية أهمية لأن العديد من الهياكل تقترب من نهاية عمرها التصميمي وتتطلب الصيانة والمراقبة. قد تدفع الحلول منخفضة التكلفة إلى الأمام تنفيذًا واسع النطاق لإدارة السلامة والصحة المهنية على البنى التحتية ولكن لا تزال هناك حاجة إلى مزيد من التحقيق لتقييم أداء الأنظمة منخفضة التكلفة التي يمكن الوصول إليها تقنيًا والبسيطة والقابلة للتطوير. يقدم هذا العمل تطوير والتحقق من صحة نظام لاسلكي متعدد العقد قائم على الاهتزاز منخفض التكلفة، يعتمد على منصة أردوينو، لتحديد معلمات الوسائط في البنى التحتية المدنية. يتم الكشف عن التفاصيل الكاملة حول الأجهزة ورمز المصدر للنظام في مستودع مفتوح، مما يسمح بإعادة إنتاجه حتى من قبل غير المتخصصين في الإلكترونيات. يتميز استقرار تردد أخذ العينات للنظام بشكل تجريبي، وتقترح خوارزميات الاستيفاء بعد المعالجة لحل القيود المتأصلة. يتم التحقق من صحة النظام، ويتم التحقق من أدائه في اختبارات الاندفاع والاهتزاز المحيط التي يتم إجراؤها في لوح حقيقي ونظام عالي الجودة. سمحت البيانات التي تم الحصول عليها من النظام المقترح في اختبارات الاندفاع بتقدير الترددات الطبيعية في حدود 2 ٪، وقيم MAC حوالي 0.3 إلى 0.9، فيما يتعلق بتلك المقدرة مع النظام عالي الجودة. ومع ذلك، لم يتمكن النظام منخفض التكلفة من إنتاج بيانات قابلة للاستخدام في اختبارات الاهتزاز المحيط.

Translated Description (French)

La surveillance de l'état des structures (SHM) a pris de l'importance car de nombreuses structures approchent de la fin de leur durée de vie nominale et exigent une maintenance et une surveillance. Les solutions à faible coût peuvent faire avancer une mise en œuvre généralisée de la SHM sur les infrastructures, mais une enquête plus approfondie est encore nécessaire pour évaluer la performance des systèmes à faible coût techniquement accessibles, simples et évolutifs. Ce travail présente le développement et la validation d'un système sans fil multinode SHM basé sur les vibrations à faible coût, basé sur la plate-forme Arduino, pour l'identification des paramètres modaux dans les infrastructures civiles. Tous les détails sur le matériel et le code source du système sont divulgués dans un référentiel ouvert, permettant sa reproduction même par des non-spécialistes en électronique. La stabilité de la fréquence d'échantillonnage du système est caractérisée expérimentalement, et des algorithmes de post-traitement d'interpolation sont proposés pour résoudre les limitations inhérentes. Le système est validé et ses performances sont étudiées dans des tests de vibrations impulsionnelles et ambiantes effectués dans une dalle à l'échelle réelle et un système de haute qualité. Les données obtenues à partir du système proposé dans les tests d'impulsion ont permis d'estimer les fréquences naturelles à moins de 2 % et les valeurs MAC autour de 0,3 à 0,9, par rapport à celles estimées avec le système de haute qualité. Cependant, le système à faible coût n'a pas été en mesure de produire des données utilisables dans les tests de vibrations ambiantes.

Translated Description (Spanish)

El monitoreo de la salud estructural (SHM) ha ganado importancia porque muchas estructuras se están acercando al final de su vida útil de diseño y exigen mantenimiento y monitoreo. Las soluciones de bajo costo pueden impulsar una implementación generalizada de SHM en las infraestructuras, pero aún se necesita más investigación para evaluar el rendimiento de los sistemas de bajo costo técnicamente accesibles, simples y escalables. Este trabajo presenta el desarrollo y validación de un sistema inalámbrico multimodo SHM basado en vibraciones de bajo coste, basado en la plataforma Arduino, para la identificación de parámetros modales en infraestructuras civiles. Los detalles completos sobre el hardware y el código fuente del sistema se divulgan en un repositorio abierto, lo que permite su reproducción incluso por parte de no especialistas en electrónica. La estabilidad de la frecuencia de muestreo del sistema se caracteriza experimentalmente y se proponen algoritmos de postprocesamiento de interpolación para resolver las limitaciones inherentes. El sistema está validado, y su rendimiento se investiga en ensayos de impulso y vibración ambiental realizados en una losa a escala real y un sistema de alta ley. Los datos obtenidos del sistema propuesto en pruebas de impulso permitieron estimar frecuencias naturales dentro del 2%, y valores de MAC alrededor de 0.3 a 0.9, en relación a los estimados con el sistema de alto grado. Sin embargo, el sistema de bajo coste no pudo producir datos utilizables en las pruebas de vibración ambiental.

Files

5240059.pdf.pdf

Files (4.5 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:58aa3471e574c3c28166b93954947393
4.5 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
نظام مراقبة اهتزاز لاسلكي متعدد العقد منخفض التكلفة للمنشآت المدنية
Translated title (French)
Un système de surveillance des vibrations multi-nœuds sans fil à faible coût pour les structures civiles
Translated title (Spanish)
Un sistema inalámbrico de monitorización de vibraciones multinodo de bajo coste para estructuras civiles

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4385471326
DOI
10.1155/2023/5240059

Is supplement to
https://openalex.org/W4211226875 (Other)
https://openalex.org/W3200592856 (Other)
https://openalex.org/W3124496217 (Other)
https://openalex.org/W29013974 (Other)
https://openalex.org/W2834083170 (Other)
https://openalex.org/W2793125704 (Other)
https://openalex.org/W2365375181 (Other)
https://openalex.org/W2088530548 (Other)
https://openalex.org/W2056912651 (Other)
https://openalex.org/W2010803583 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Brazil

References

  • https://openalex.org/W1487136995
  • https://openalex.org/W1983669115
  • https://openalex.org/W1999064956
  • https://openalex.org/W2010122118
  • https://openalex.org/W2058084172
  • https://openalex.org/W2075984303
  • https://openalex.org/W2103289165
  • https://openalex.org/W2106822551
  • https://openalex.org/W2129868767
  • https://openalex.org/W2166134217
  • https://openalex.org/W2171655636
  • https://openalex.org/W2575188202
  • https://openalex.org/W2604321178
  • https://openalex.org/W2606465596
  • https://openalex.org/W2692645000
  • https://openalex.org/W2792679127
  • https://openalex.org/W2794119010
  • https://openalex.org/W2802178703
  • https://openalex.org/W2849379948
  • https://openalex.org/W2905113794
  • https://openalex.org/W2907140623
  • https://openalex.org/W2951027780
  • https://openalex.org/W2960842447
  • https://openalex.org/W2969061532
  • https://openalex.org/W3010814752
  • https://openalex.org/W3010969668
  • https://openalex.org/W3121391794
  • https://openalex.org/W3123972711
  • https://openalex.org/W3154798279
  • https://openalex.org/W3159163441
  • https://openalex.org/W3199606602
  • https://openalex.org/W4206385156
  • https://openalex.org/W4221110862
  • https://openalex.org/W4254435174
  • https://openalex.org/W4376607944