1-4- هدف و گستره رساله حاضر…………………………………………………………….. 5
1-5- ابعاد رساله……………………………………………………………………………….. 8
فصل دوم- مرور ادبیات فنى و تاریخچه مطالعات پیشین…………………………………… 2
2-1- مقدمه…………………………………………………………………………………….. 10
2-2- شناسایی آسیب با بهره گرفتن از آنالیز تحلیلی با فرایند معکوس…………………… 12
2-2-1- روشهای محاسبه سخت……………………………………………………………. 12
2-2-2- روشهای محاسبه نرم……………………………………………………………….. 13
2- 3- تغییر در خصوصیات مودى………………………………………………………………. 13
2- 3- 1- تغییر فركانس…………………………………………………………………………. 14
2- 3-2- تغییر میرائى………………………………………………………………………… 16
2- 3-3- تغییر اشكال مودی……………………………………………………………………. 16
2-4- كنترل پاسخ……………………………………………………………………………… 17
2-5- تغییرات تابع پاسخ فركانسى و تابع پاسخ ضربه…………………………………….. 17
2-6- روشهاى احتمالاتی………………………………………………………………….. 17
2-6-1- مشخصه توابع چگالی احتمال…………………………………………………. 18
2-6- 2- آزمون همبستگى……………………………………………………………… 18
2-6-3- تابع وابستگى……………………………………………………………………. 19
2-7- مدلهاى خانواده ARMA……………………………………………………………
2- 8- ماتریس نرمی………………………………………………………………… 19
2-9- اصلاح ماتریسهاى مشخصه……………………………………………………. 20
2-10- تئورى انتشار امواج…………………………………………………………….. 20
2-11- شناسایی آسیب با بهره گرفتن از الگوریتم بهینهئیابی…………………….. 21
2-11-1- شناسایی آسیب با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک………………………….. 21
2-11-2- تشخیص آسیب بر اساس سایر روشهای بهینه یابی…………………… 22
2- 12- تشخیص آسیب بر اساس پردازش سیگنالها……………………………. 23
2-12-1- پردازش در حوزه زمان…………………………………………………… 23
2- 12-2- پردازش در حوزه فركانس………………………………………………… 25
2-12-2-1- تحلیل فوریه…………………………………………………………………. 26
2-12-2-2- تبدیل فوریه با زمان کوتاه…………………………………………………. 26
2-12-2-3- تحلیل ویولت (موجک)………………………………………………………. 27
2-12-2-4- بسته ویولتی (ویولت پکت)………………………………………………… 28
2-12-2-5- تحلیل کرولت ( منحنیک)………………………………………………….. 30
2- 12-3- پردازش در حوزه زمان- فركانس……………………………………………… 30
2-12-3-1- ارائه ویگنر- ویل………………………………………………………………… 33
2-12-3-2- كلاس كوهن…………………………………………………………………. 34
2-13-تاریخچه مطالعات در زمینه تشخیص آسیب در سازه پلها……………………. 35
2-13-1- مقدمه……………………………………………………………………………. 35
2-13-2- تشخیص آسیب در سازه پلها با بهره گرفتن از شبكه های عصب‍ی………….. 35
2-13-3- تشخیص آسیب در سازه پلها با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک………………. 38
2-13-4- تشخیص آسیب در سازه پلها با بهره گرفتن از روشهای پردازش سیگنال……… 40
2-13-5- تشخیص آسیب در سازه پل با بهره گرفتن از داده های ناقص…………………. 42
2-14- تاریخچه مطالعات در زمینه تشخیص آسیب با بهره گرفتن از داده های استاتیکی…. 42
2-15- جمعبندی…………………………………………………………………………… 44
فصل سوم- روشها و الگوریتمهای بیهنه یابی……………………………………………. 46
3-1- مقدمه………………………………………………………………………………… 47
3-2- انواع روش های بهینهیابی……………………………………………………………. 47
3-2-1- روشهای شمارشی……………………………………………………………….. 47
3-2-2- روشهای محاسباتی- عددی………………………………………………….. 48
3-2-3- روشهای تکاملی………………………………………………………………. 48
3-3- الگوریتم ژنتیک……………………………………………………………………… 48
3-3-1- مقدمه……………………………………………………………………………. 48
3-3-2-ساختار الگوریتم ژنتیک……………………………………………………. 50
3-3-3-اجزای الگوریتم ژنتیک………………………………………………………… 51
3-3-3-1- متغیرهای طراحی……………………………………………………………. 51
3-3-3-1-1- متغیرهای طراحی گسسته…………………………………………… 51
3-3-3-1-2- متغیرهای طراحی پیوسته………………………………………………. 52
3-3-3-2- تابع صلاحیت…………………………………………………………….. 52
3-3-3-2-1- درجهبندی تابع صلاحیت………………………………………………. 53
3-3-4- عملگرهای ژنتیک……………………………………………………………. 55
3-3-4-1- عملگرتکث‍یر………………………………………………………………….. 56
3-3-4-2- عملگر پیوند……………………………………………………………………. 57
3-3-4-3- عملگرجهش…………………………………………………………………… 59
3-3-5- شكاف نسل………………………………………………………………………… 60
3-3-6- مزایای الگوریتم ژنتیک…………………………………………………………… 61
3-4- الگوریتم بهینه یابی گروه ذرات (PSO)………………………………………………. 61
3-4-1- مقدمه…………………………………………………………………………….. 61
3-4-2- نحوه ارتباط بین اجزاء در فرایند رسیدن به هدف……………………………….. 63
3-4-2-1- همسایگی جغرافیایی…………………………………………………………. 63
3-4-2-2- همسایگی به شیوه شبکه های اجتماعی……………………………. 63
3-4-3- تشریح روش گروه ذرات…………………………………………………………. 64
3-4-3-1- همگرایی الگوریتم PSO………………………………………………….
3-4-3-2- بهبودهای الگوریتم………………………………………………………….. 67
3-4-3-3- مواجهه با محدودیتها………………………………………………………. 68
3-4-4- الگوریتم گروه ذرات با گروه منفعل (PSOPC)……………………………………. 69
3-5- الگوریتم……………………………………………………………………………….. 70
3-5-1- مقدمه……………………………………………………………………………… 70
3-5-2- تشریح روش BB-BC…………………………………………………………..
3-6- الگوریتم جستجوی سیستم باردارشده (CSS)………………………………… 75
3-6-1- مقدمه…………………………………………………………………………….. 75
3-6-1-1- قوانین الکتریکی……………………………………………………………. 75
3-6-1-2- قوانین مکانیک نیوتنی……………………………………………………. 76
3-6-2- روش جستجوی سیستم ذرات باردار با متغیرهای پیوسته………………. 77
3-6-3- راندمان قوانین CSS…………………………………………………………..
3-7- سایر الگوریتمها……………………………………………………………………. 86
3-8- جمعبندی………………………………………………………………………….. 86
فصل چهارم- روش های پیشنهادی تشخیص آسیب در سازه با الگوریتمهای تکاملی….87
4-1- مقدمه………………………………………………………………………………. 88
4-2- روش پیشنهادی اول- استفاده از اطلاعات استاتیکی برای تشخیص آسیب….. 89
4-2-1- فرضیات در استفاده از داده های استاتیکی………………………………… 89
4-2-2- تشخیص آسیب در سازه بر اساس پاسخهای استاتیکی………………… 90
4-2-3- اعمال اثرات نوفه در تشخیص آسیب استاتیکی………………………….. 92
4-3- روش پیشنهادی دوم- استفاده از اطلاعات دینامیکی برای تشخیص آسیب…93
4-3-1-فرضیات در استفاده از داده های دینامیکی…………………………………… 93
4-3-2- تشخیص آسیب در سازه بر اساس پاسخهای دینامیکی…………………. 93
4-3-2-1- روش اول تشخیص آسیب در سازه………………………………………… 93
4-3-2-2- روش دوم تشخیص آسیب در سازه………………………………………. 95
4-3- 3- اعمال اثرات نوفه در تشخیص آسیب دینامیکی…………………………….. 97
4-4- عدم قطعیتها در تشخیص آسیب……………………………………………………. 97
4-5- شیوه انجام تشخیص آسیب……………………………………………………….. 98
فصل پنجم- تجزیه وتحلیل نتایج تحقیق………………………………………………. 101
5-1- مقدمه……………………………………………………………………………….. 102
5-2- سازه های مورد بررسی برای تشخیص آسیب……………………………………. 102
5-2-1-مقدمه………………………………………………………………………… 102
5-2-2- تیر فولادی………………………………………………………………………… 104
5-2-3- پل خرپایی فولادی……………………………………………………………….. 104
5-2-3-1-پل خرپایی 1……………………………………………………………………. 104
5-2-3-2- پل خرپایی ( Belgian) شماره 2…………………………………………. 105
5-2-3-3- پل خرپایی ( Belgian) شماره 3………………………………………….. 106
5-2-4- پل قوسی فلزی…………………………………………………………………… 106
5-3- تشخیص آسیب با بهره گرفتن از داده های استاتیکی……………………………….. 108
5-3-1- پل قوسی فولای دو بعدی……………………………………………………………. 109
5-3-2- پل خرپایی فولای دو بعدی……………………………………………………….. 112
5-3-3- بررسی مدل آزمایشگاهی……………………………………………………… 115
5-4- تشخیص آسیب با بهره گرفتن از داده های دینامیکی………………………………….. 122
5-4-1- پل خرپایی فولای دو بعدی…………………………………………………………… 123
5-4-2- پل تیر شکل فولای دو بعدی………………………………………………………. 126
5-4-3- پل خرپایی فولای دو بعدی( Belgian)…………………………………………… 129
5-4-4- پل خرپایی فولای دو بعدی(Bowstring)………………………………………….. 133
5-4-5- پل خرپایی فولای……………………………………………………………………….. 136
5-4-6- بررسی مدل آزمایشگاهی…………………………………………………………. 139
فصل ششم- نتیجه گیری و پیشنهادات………………………………………………………. 145
6-1- نتیجه گیری……………………………………………………………………………….. 145
6-2- پیشنهادات…………………………………………………………………………………… 149
مراجع………………………………………………………………………………………… 150
پیوست 1- واژه نامه ( فارسی- انگلیسی)………………………………………………… 160
چکیده:
دوره بهره برداری از سازههای ساخته شده به دست بشر محدود بوده و تحت ه‍یچ شرایط‍ی ابدی نیست. وجود عوامل مختلف داخلی و خارجی باعث میشوند که اجزای سازه دچار آسیب شده و سازه تحت بارهای بهره برداری دچار مشکل جدی و حتی به طور کامل منهدم شود. شناسایی آسیب در یک سازه در دهههای اخیر توجه محققان زیادی را به خود جلب كرده است، زیرا کشف زود هنگام آسیب میتواند از خراب‍ی فاجعه بار سازهها جلوگیری کند. همچنین در صورت تشخیص و رفع به موقع عیوب و آسیب میتوان به عمر مفید سازهها افزود و باعث استفاده بهینه از سرمایه مل‍ی و صرفه جویی در مصرف منابع گردید.
در این میان سنجش سلامتی پلها و اطمینان از سطح ایمنی آنها از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. رخداد آسیبهای کوچک، گرچه کارایی پلها را مختل نمیسازد، اما می تواند رفتار سازه را در برابر بارهای ضربهای و ناگهانی تحت الشعاع قرار دهد و به انهدام ناگهانی ستونها یا عرشهی پل منجر شود. در این پایان نامه ، روشهایی نوین، برای تشخیص آسیب در سازه پلهای فولادی با بهره گرفتن از اطلاعات استاتیکی و دینامیکی پیشنهاد گردیده است. برای این منظور، مسأله تشخیص آسیب در پلها، بصورت یک مسأله معکوس تعریف و توابع هدف مختلفی پیشنهاد شده است. سپس با کمک روشهای بهینهیابی تکاملی به حل مسأله و یافتن پاسخهای بهینه این توابع هدف پرداخته شده است. روشهای بهینهیابی تکاملی، بر مبنای پدیدههای طبیعی استوار بوده و قابلیت جستجوی فضای پاسخ را با رویکردی آماری-احتمالاتی دارا میباشد و لذا قادرند مسائل پیچیده را با سرعت بسیار بالایی مورد تجزیه و تحلیل قرار دهند. بنابراین از الگوریتمهای متعددی نظیر ژنتیک، اجتماع ذرات، انفجار بزرگ و گروه ذرات باردار در بهینهیابی استفاده شده است. برای یافتن پاسخ مناسب، سعی و خطای بسیار صورت پذیرفته است. در ادامه به منظور بررسی کارایی روشهای ارائه شده، از مثالهای عددی مختلفی نظیر تیر، چهار نوع خرپا و پل قوسی شکل استفاده شده و تحت سناریوهای آسیب مختلفی مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین تاثیرات عواملی چون نوفهها، تعداد مودهای محدود، بررسی شده است. همچنین در مثالی نیز برای کاهش اثرات انتخاب نوع الگوریتم بر پاسخها، سازه بزرگی با الگوریتمهای مختلف بررسی و مورد تشخیص آسیب قرار گرفته است. نتایج در مورد تمام سازههای بررسی شده نشان دهنده کارایی و صحت روشهای پیشنهادی با حضور نوفه در سطحهای بالاست. برای حصول اطمینان از درستی روش پیشنهادی برای تشخیص آسیب در سازههای واقعی، از نتایج آزمایشگاهی یا مثالهای شاهد موجود در این زمینه با هر دو روش پیشنهادی استفاده گردیده است. در نهایت ملاحظه گردید در تشخیص آسیب توسط روش پیشنهادی دوم در سازههای با تعداد اعضای بیشتر و پیچیدهتر، الگوریتم گروه ذرات باردار در مقایسه با سه الگوریتم دیگر جوابهای دقیقتری نتیجه داده است. همچنین این الگوریتم با جمعیت اندك و تعداد تكرار كمتر قادر به شناسایی مكان و مقدار آسیب در المانهای آسیب دیده با دقت بالایی بوده است. در مورد سازههای با تعداد اعضا متوسط و تعداد آسیبهای کمتر، الگوریتمPSOPC جوابهای بهتری ارائه داده است. همچنین لازم به ذکر است در سازههای با تعداد متوسط اعضا و تعداد آسیبهای بیشتر، الگوریتمBB-BC دارای همخوانی بیشتری با روش پیشنهادی و در نتیجه دقت بالاتری بوده است. در انتها میتوان گفت نتایج بدست آمده، مؤید کارایی و دقت مناسب روشهای پیشنهادی در تشخیص آسیب در پلها با وجود نوفه بالا میباشد.
فصل اول: کلیات
1-1- مقدمه
وقوع بارگذارىهاى ناگهانى و ویژه نظیر باد و زلزله، آسیبهاى مختلفى را در سازهها ایجاد مىنماید و رخداد چنین خسارات و نواقصى در سازه سبب تغییر مشخصات و رفتار سازه مىگردد. همچنین گذشت زمان و شرایط محیطى نیز سبب فرسایش و زوال مصالح سازهها و در نتیجه تغییر مشخصات آنها مىگردد. موارد مذكور سبب شده است تا شناسایى خصوصیات سیستم، تشخیص آسیب موجود در آن (شدت، نوع، زمان و محل آسیب) و پایش سلامت سازه[1] به یكى از مسائل مهم در علوم مهندسى، از جمله مهندسى عمران بدل گردد.
به بیان دیگر بررسی رفتار سازههای مهم نظیر پلها، سدها تحت بارهای عادی و یا بارهای خاص مانند زلزله برای مهندسین ممکن گردیده که موجب تشخیص آسیب در سازهها به عنوان زیر مجموعه ای در این بحث شده است. در این راستا با در اختیار داشتن پاسخهای سازه قبل و پس از آسیب میتوان شدت، نوع و محل آسیب را بدست آورد.
از آنجا كه آسیب ایجاد شده در سازه تاثیر مستقیمى بر خصوصیات و مشخصات سازه مىگذارد، سلامت سازه به نوع، شدت و محل آسیب ایجاد شده در آن وابسته بوده و به همین سبب توانایى تشخیص آسیب ایجاد شده در سیستمهاى مختلف سازهای از جمله ساختمانها یكى از موضوعات مهم و قابل توجه به شمار مىرود. منظور از آسیب، ایجاد هرگونه تغییر در خصوصات سیستم بوده به گونهاى كه رفتار آن نسبت به وضعیت اولیه تغییر نماید. این تعریف در سازهها، به تغییرات خصوصیات مصالح یا هندسه سازه كه كارایی سازه در حال و آینده را مختل مىسازد، محدود میگردد. با نظر به آنچه كه اشاره گردید، مباحث شناسایی خصوصیات سیستم، تشخیص آسیب ایجاد شده و پایش سلامت سازهها بصورت وابسته بوده و گاهی بطور همزمان مورد توجه قرار میگیرند.
از آن جا كه كشور ما در یكى از مناطق لرزهخیز جهان قرارگرفته است، علاوه بر سایر آسیبها بیشترین آسیبی كه در سازهها رخ میدهد در اثر زلزله مىباشد. اگرچه این آسیبها ممكن است چندان واضح نباشد كه قابلیت شناسایی توسط بازدیدهاى میدانى را داشته باشد، اما مىتواند تغییراتى در خصوصیات سازه ایجاد نماید كه سبب كاهش سطح عملكردى سازه موجود در زلزلههاى بعدى گردیده و حتى اسباب تخریب كلى سازه در زلزلههاى آینده را فراهم آورد. لازم به ذکر است که عدم شناسایی به موقع آسیب موجب از حیز انتفاع افتادن سازه و تحمیل هزینه اقتصادی به لحاظ ساخت مجدد سازه خواهد شد. در خصوص سازههای خاص و شریانهای حیاتی علاوه بر مشکلات اقتصادی، معضلات اجتماعی و یا حتی سیاسی را نیز می تواند در بر داشته باشد. برای روشن شدن اهمیت پایش سلامت سازه میتوان آن را با آزمایشات تشخیصی پزشکی برای حصول اطمینان از سلامت انسان قیاس نمود.
در گذشته از روشهاى گوناگونى به منظور بررسى سلامت سازهها استفاده شده است كه عموماً شامل مشاهدات میدانى و آزمایشهای محدود شامل آزمایشهاى مخرب و غیرمخرب بوده اند. اما پیش شرط لازم براى انجام چنین آزمایشهایی حدس محدوده آسیب ایجاد شده سازهها و در دسترس بودن آن مىباشد كه بنابراین نتایج ناشى از آنها كاملاً وابسته به حدس درست محل احتمالی آسیب هستند. علاوه بر این، انجام این آزمایشها نیاز به ابزارهایى دارد كه این امر سبب افزایش هزینههاى انجام آنها مىگردد. بنابراین تعداد آزمایشهاى انجام شده جهت بررسى سازه مىبایست به حداقل مقدار لازم كاهش داده شوند. از سوى دیگر، مهارت كاربر نیز در دقت نتایج بدست آمده، نقش مستقیم داشته و سبب ضعف بیشتر این آزمایشها در تشخیص آسیب و شناسایی مشخصات سازه مىگردد. همچنین به دلیل کیفى بودن نتایج بدست آمده، این آزمایشها نمىتوانند تخمینى از تغییرات به وقوع پیوسته در خصوصات دینامیكى سازه آسیب دیده، بدست دهند.
با پیشرفت علم، با بهره گیری از اطلاعات استاتیکی ثبت شده در سازهها و تغییرات آن به تعیین خواص سازه با اینگونه ثبتها قدم برداشته شد. همچنین پس از آنكه دانشمندان به سمت استفاده از داده هاى ارتعاشى براى پیداكردن خواص دینامیكى سازهها پیش رفتند، با انجام آزمایشهاى ارتعاشات محیطى و یا تحریكات اجبارى تا حدود زیادى موفق به دست آوردن خواص دینامیکى سازهها گردیدند و بدین ترتیب پس از وقوع پدیدههای طبیعی همچون زلزله با این روشها خواص دینامیكى سازه را محاسبه كرده و از مقایسه نتایج آنها با نتایج بدست آمده از آزمایشهاى صورت گرفته قبل از زلزله به میزان آسیبى كه در سازه اتفاق افتاده بود، پى مىبردند. البته با بهره گرفتن از این روشها تنها تا حدودى امكان بررسی وضعیت سازه قبل و بعد از یک حادثه، مثلأ زلزله، قابل اندازه گیرى بود و هنوز امكان دستیابى به چگونگى تغییرات خواص سازه در طول رخداد زلزله ممكن نبود، امرى كه جهت حفظ سلامت سازه در حین زلزله بسیار حیاتى است. همچنین استفاده از آزمایشهای ارتعاشات اجبارى و محیطى هزینههاى زیادى را نیز طلب مىكردند كه با این وجود از آن جا كه تحریک اعمال شده در این آزمایشها در مقایسه با تحریكات زلزله بسیار كوچک مىباشند، لذا تصویر واضحى از تغییرات ایجاد شده در مشخصات سازه پس از زلزله بدست نخواهند داد.
بنابراین هدف از این پژوهش آن است كه با پیشنهاد رویکردی جهت شناسایى خصوصیات سازه، با بکارگیری الگوریتمهای تکاملی روشی برای تشخیص محل و شدت آسیبهاى رخداده بر پایه اطلاعات (داده های) استاتیکی یا دینامیکی ارائه گردد.
بنابراین دو روش پیشنهادی با بهره گرفتن از داده های استاتیکی و دینامیکی سازه هایی به شکل پلهای با قدمت بیشتر موجود انتخاب گردید. اشکال انتخابی شامل پل تیر شکل، چهار شکل متفاوت پل خرپایی و پل قوسی میباشند. در نهایت روند تشخیص آسیب با تشکیل تابع هدف و بهینه سازی آن توسط چهار الگوریتم متفاوت( برای اطمینان به تابع هدف انتخابی و کاهش اثرات نوع الگوریتم) انجام گردید.
2-1- پایش سلامت سازه ها
اگر مراحل ثبت داده ها به صورت دائم و یا دوره ای صحیح صورت گیرد نشانگر عملکرد سازه است. پایش سلامت سازه به سه حالت زیر صورت می پذیرد.
1- کوتاه مدت
2- میان مدت
3- بلند مدت
البته تمام این موارد می تواند در کل سازه و یا به صورت محلی صورت پذیرد.
مهندسان سازه مدت طولانى است كه تلاش كردهاند تا با بهره گرفتن از داده هاى موجود و ابزارهای مناسب، آسیب را در سازهها شناسایى كنند.
پایش سلامت در سازه ها با جواب به سوالات زیر توص‍یف می شود:
|
[یکشنبه 1399-09-30] [ 01:24:00 ب.ظ ]
|
