Fatigue damage assessment and detection in notched components based on phenomenological models and operational modal analysis

• N. García-Fernández ^[1] ; Adrián Álvarez-Váquez ; M. Muñiz-Calvente ^[1] ; F. Pelayo ^[1] ; M. López Aenlle
  1. [1] Universidad de Oviedo

     Universidad de Oviedo

     Oviedo, España

     
• Localización: Revista española de mecánica de la fractura, ISSN-e 2792-4246, Nº. 4 (comunicaciones 5th Iberian Conference on Structural Integrity), 2022, págs. 83-88
• Idioma: español
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• Resumen
  • español

    El cálculo del daño acumulado por fatiga en estructuras en servicio, como herramienta para la predicción del fallo en componentes estructurales, así como del cálculo de la vida remanente, constituye uno de los retos en el análisis de la integridad estructural. Otro enfoque del problema consiste en utilizar técnicas de detección de daño basadas en Análisis Modal Operacional (OMA), mediante la comparación de los parámetros modales (frecuencias naturales, modos de vibración, etc.) correspondientes a dos estados diferentes de la estructura (dañado y no dañado). Ambos métodos son dos enfoques alternativos para la detección y predicción del fallo de estructuras en servicio. Sin embargo, no es sencillo establecer una relación directa entre el daño acumulado por fatiga, la posición del daño y la variación correspondiente de cada uno de los parámetros modales de la estructura. En este trabajo se han realizado ensayos de fatiga en una viga de acero S275, con sección cuadrada de 25mm de lado, en la que se han mecanizado distintos concentradores de tensiones.

    A partir de los resultados de los ensayos se ha realizado un ajuste del campo S-N y se han determinado las curvas de probabilidad de fallo. Por otro lado, se han aplicado técnicas de detección de daño utilizando las frecuencias naturales estimadas mediante análisis modal operacional. Finalmente, se han determinado las probabilidades de fallo por fatiga asociadas a cambios de frecuencias naturales del 2%, 3% y 5%, para los tres primeros modos de vibración de la viga.

  • English

    The calculation of accumulated fatigue damage and the remaining fatigue life of in-service-structures, as tools for the prediction of failure, being nowadays one of the main challenges in structural integrity analysis. Alternatively, Operational Modal Analysis (OMA) can be used to detect damage comparing the modal parameters (e.g., natural frequencies, mode shapes, etc.) corresponding to both damaged and undamaged states of the structural component. Both approaches are, indeed, two different techniques to predict and detect the fatigue failure of structures in service. Nevertheless, the derivation of relations between the accumulated fatigue damage and the corresponding changes in the modal parameters of the structural component is not straightforward. In this work, an experimental fatigue campaign has been performed on a S275 steel beam, with square section of 25 mm, involving different kind of stress concentrators. On the one hand, the analytical definition of the S-N curves has been derived based on a probabilistic approach. On the other hand, damage detection techniques have been applied based on changes in the natural frequencies estimated with operational modal analysis. As a result, the probabilities of fatigue failure corresponding to a reduction in the natural frequencies of 2 %, 3 % and 5 % are obtained for the first three vibration modes.