Real-time data-driven safety assessment for building structures

Abstract

(English) The evolution mechanism of structural performance remains a critical research topic in structural mechanics. Cracks, serving as indicators of performance deterioration, manifest physically at the meso-scale as processes of crack initiation and propagation, while at the macro-scale, they correspond to the global responses of structural stiffness degradation and load-bearing capacity attenuation. Traditional manual inspection methods are time-consuming and labor-intensive, and the acquired data are often unsuitable for direct application in structural evolution analysis. Consequently, this study focuses on developing performance evolution methodologies for crack-damaged buildings, aiming to enhance assessment efficiency and provide robust support for the lifecycle safety management of large-scale urban building structures. This research primarily addresses crack evolution prediction, crack-embedded finite element modeling techniques, rapid finite element modeling methods, and automated crack embedding approaches. Firstly, based on the curvature characteristics of reinforced concrete (RC) members, a method for predicting crack locations according to curvature variations is proposed and validated for accuracy through four-point bending tests. Secondly, to further improve prediction precision, an initial-condition-free crack prediction method is introduced. This approach, grounded in nonlinear bond-slip theory, is capable of describing extreme scenarios of reinforcement-concrete debonding, and its feasibility is experimentally verified. Regarding crack embedding within finite element models, this study presents a method for calculating the flexibility matrix of cracked elements based on strain energy release rate theory, along with modification techniques adaptable to diverse boundary conditions. Simultaneously, a novel simulation method utilizing nonlinear spring elements is proposed for unreinforced masonry structures, and its effectiveness is experimentally validated. Building upon this, a method for embedding cracks into masonry structures is further developed. This method simulates the alterations in tensile-compressive and shear behavior of post-cracking elements by adjusting the mechanical properties of planar elements and spring elements. Finally, a computer vision data-driven geometric adaptive modular finite element modeling method is proposed. This technique enables rapid acquisition of geometric information for frame structures, facilitating swift modeling and condition assessment. Additionally, to address the challenge of automated crack embedding in finite elements, a labeled crack embedding method is introduced. By assigning labels containing information on crack position, orientation, and boundary conditions, rapid integration of crack data is achieved. In summary, this study yields significant advancements in performance analysis methods for damaged buildings. It establishes theoretical formulations for crack location prediction and develops modeling approaches for damaged beams, columns, and walls, thereby laying a scientific foundation for constructing a structural performance evolution analysis framework.

(Català) El mecanisme d'evolució del comportament estructural continua sent un tema de recerca fonamental en la mecànica estructural. Les esquerdes, com a indicadors de deteriorament del comportament, es manifesten físicament a escala mesoscòpica com a processos d'iniciació i propagació de fissures, mentre que a escala macroscòpica es corresponen amb respostes globals de degradació de la rigidesa estructural i atenuació de la capacitat portant. Els mètodes tradicionals d'inspecció manual requereixen molt de temps i esforç, i les dades obtingudes solen ser inadequades per a la seva aplicació directa en l'anàlisi de l'evolució estructural. En conseqüència, aquest estudi se centra en desenvolupar metodologies d'evolució del comportament per a edificis danyats per esquerdes, amb l'objectiu de millorar l'eficiència de l'avaluació i proporcionar un suport robust per a la gestió de seguretat al llarg del cicle de vida de grans estructures edificatòries urbanes. Aquesta investigació aborda principalment la predicció de l'evolució d'esquerdes, tècniques de modelatge d'elements finits amb esquerdes incrustades, mètodes ràpids de modelatge d'elements finits i enfocaments automatitzats d'incrustació d'esquerdes. En primer lloc, basant-se en les característiques de curvatura dels elements de formigó armat (FA), es proposa un mètode per predir la ubicació d'esquerdes segons les variacions de curvatura, la precisió del qual es valida mitjançant assaigs de flexió en quatre punts. En segon lloc, per millorar encara més la precisió de la predicció, s'introdueix un mètode de predicció d'esquerdes sense condicions inicials. Aquest enfocament, fonamentat en la teoria no lineal del lliscament d'adherència, és capaç de descriure escenaris extrems de desenganxament entre l'armadura i el formigó, i la seva viabilitat es verifica experimentalment. Pel que fa a la incrustació d'esquerdes en models d'elements finits, aquest estudi presenta un mètode per calcular la matriu de flexibilitat d'elements esquerdats basat en la teoria de la taxa d'alliberament d'energia de deformació, juntament amb tècniques de modificació adaptables a diverses condicions de contorn. Simultàniament, es proposa un nou mètode de simulació que utilitza elements moll no lineals per a estructures de maçoneria no reforçada, i l'eficiàcia del qual es valida experimentalment. Sobre aquesta base, es desenvolupa a més un mètode per incrustar esquerdes en estructures de maçoneria. Aquest mètode simula les alteracions en el comportament tenso-compressiu i tallant dels elements esquerdats mitjançant l'ajust de les propietats mecàniques dels elements plans i els elements moll. Finalment, es proposa un mètode de modelatge d'elements finits modular, geomètricament adaptable i basat en dades de visió per computadora. Aquesta tècnica permet l'adquisició ràpida d'informació geomètrica d'estructures portants, facilitant un modelatge ràpid i una avaluació de l'estat. Addicionalment, per abordar el repte de la incrustació automatitzada d'esquerdes en elements finits, s'introdueix un mètode d'incrustació d'esquerdes etiquetades. En assignar etiquetes que contenen informació sobre la posició, orientació i condicions de contorn de les esquerdes, s'aconsegueix una integració ràpida de les dades d'esquerdes. En resum, aquest estudi aconsegueix avenços significatius en els mètodes d'anàlisi del comportament d'edificis danyats. Estableix formulacions teòriques per a la predicció de la ubicació d'esquerdes i desenvolupa enfocaments de modelatge per a bigues, pilars i murs danyats, establint així una base científica per a la construcció d'un marc d'anàlisi de l'evolució del comportament estructural.

(Español) El mecanismo de evolución del comportamiento estructural sigue siendo un tema de investigación fundamental en la mecánica estructural. Las fisuras, como indicadores de deterioro del comportamiento, se manifiestan físicamente a escala mesoscópica como procesos de iniciación y propagación de grietas, mientras que a escala macroscópica se corresponden con respuestas globales de degradación de rigidez estructural y atenuación de la capacidad portante. Los métodos tradicionales de inspección manual requieren mucho tiempo y esfuerzo, y los datos obtenidos suelen ser inadecuados para su aplicación directa en el análisis de la evolución estructural. En consecuencia, este estudio se centra en desarrollar metodologías de evolución del comportamiento para edificios dañados por fisuras, con el objetivo de mejorar la eficiencia de la evaluación y proporcionar un apoyo sólido para la gestión de seguridad a lo largo del ciclo de vida de grandes estructuras edilicias urbanas. Esta investigación aborda principalmente la predicción de la evolución de fisuras, técnicas de modelado de elementos finitos con fisuras incrustadas, métodos rápidos de modelado de elementos finitos y enfoques automatizados de incrustación de fisuras. En primer lugar, basándose en las características de curvatura de los elementos de hormigón armado (HA), se propone un método para predecir la ubicación de fisuras según las variaciones de curvatura, cuya precisión se valida mediante ensayos de flexión en cuatro puntos. En segundo lugar, para mejorar aún más la precisión de la predicción, se introduce un método de predicción de fisuras sin condiciones iniciales. Este enfoque, fundamentado en la teoría no lineal del deslizamiento de adherencia, es capaz de describir escenarios extremos de despegue entre la armadura y el hormigón, y su viabilidad se verifica experimentalmente. En relación con la incrustación de fisuras en modelos de elementos finitos, este estudio presenta un método para calcular la matriz de flexibilidad de elementos fisurados basado en la teoría de la tasa de liberación de energía de deformación, junto con técnicas de modificación adaptables a diversas condiciones de contorno. Simultáneamente, se propone un novedoso método de simulación que utiliza elementos resorte no lineales para estructuras de mampostería no reforzada, y su eficacia se valida experimentalmente. Sobre esta base, se desarrolla además un método para incrustar fisuras en estructuras de mampostería. Este método simula las alteraciones en el comportamiento tenso-compresivo y cortante de los elementos fisurados mediante el ajuste de las propiedades mecánicas de los elementos planos y los elementos resorte. Finalmente, se propone un método de modelado de elementos finitos modular, geométricamente adaptable y basado en datos de visión por computadora. Esta técnica permite la adquisición rápida de información geométrica de estructuras porticadas, facilitando un modelado rápido y una evaluación del estado. Adicionalmente, para abordar el desafío de la incrustación automatizada de fisuras en elementos finitos, se introduce un método de incrustación de fisuras etiquetadas. Al asignar etiquetas que contienen información sobre la posición, orientación y condiciones de contorno de las fisuras, se logra una integración rápida de los datos de fisuras. En resumen, este estudio logra avances significativos en los métodos de análisis del comportamiento de edificios dañados. Establece formulaciones teóricas para la predicción de la ubicación de fisuras y desarrolla enfoques de modelado para vigas, columnas y muros dañados, sentando así una base científica para la construcción de un marco de análisis de la evolución del comportamiento estructural.