شناسایی آسیب در پایه های پل‏های بتن آرمه تحت ارتعاش محیطی به کمک روش بهینه یابی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی عمران، واحد اراک، دانشگاه آزاد اسلامی، اراک، ایران

2 استاد، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

3 استاد، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تهران، تهران، ایران

4 دانشیار، دانشکده علوم مهندسی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

 
امروزه، استفاده از الگوریتم‏های فراابتکاری به­طور گسترده­ای در جهت شناسایی آسیب در سازه­ها استفاده می­شود. در حالی که در این مقاله سعی شده به دور از این الگوریتم‏ها و صرفاً از روش‏های کلاسیک و ریاضی بهینه­یابی که درک فیزیکی بهتری به ما می­دهند استفاده شود.در این مقاله، روش جدیدی برای تشخیص آسیب­های محیطی ایجاد شده در پایه­های پل‏ها به صورت مسئله معکوس پیشنهاد شده است. در این روش،در ابتدا، با توجه به یک سناریوی مشخص آسیب، درصد آسیب و موقعیت آن فرض می­شود. سپس، با فرض محدود بودن اطلاعات ارتعاشی، با استفاده از روش بهینه­یابی و تعریف تابع هدف برای عضو خمشی محوری پایه پل، مقدار متغیر (درصد کاهش سختی) به­دست می­آید.
با توجه به خطی در نظر گرفتن آسیب در حد پوسته پوسته شدن بتن، و با استفاده از روش بهینه­یابی خطی به روش سیمپلکس، حداقل میزان خطای ایجاد شده در سه حالت مورد بررسی، مقادیر 7/0، 1/0 و 45/1 درصد (اکثر مواقع سه رابطه) به دست آمد که بیانگر انطباق خوب بین نتایج روش پیشنهادی و مقادیر اولیه می­باشد. برای صحت­سنجی مدل‏سازی، از یک نمونه آزمایشگاهی استفاده شد. بررسی نتایج آزمایشگاهی و تحلیلی نشان می­دهد که روش پیشنهادی برای شناسایی آسیب در پایه پل‏های بتن آرمه، با دقت زیادی می‏تواند استفاده شود. 
  

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Damage Detection of RC Bridge Piers under Ambient Vibration Using Optimization Method

نویسندگان [English]

  • soroush safakhah 1
  • ali kheiroddin 2
  • seyyed mehdi zahrayi 3
  • hossein rohami 4
چکیده [English]

The vibrations applied to bridges during their normal operation conditions can be defined as ambient vibrations. These vibrations include the effects of traffic, wind and other low excitations imposed to the structure. Detection and evaluation of the location and dimensions of the damages are accounted as one of the most important stages for structural maintenance. These damages may often occur due to ignorance of standard clauses during structural design, neglecting proper construction regulations, high age of the structure and improper structural maintenance. Using a simple and classic method for damage detection in bridge piers can be significantly efficient. Nowadays, metaheuristic algorithms are widely used in structures. Although in this study, it is aimed to use only mathematical and classic methods of optimization, which imply better physical understanding, however in this paper, a new method based on inverse problem, is proposed to detect ambient damages in bridge piers.
In this proposed method, firstly the damage percentage and its location are assumed based on a typical damage scenario. Then, assuming lack of sufficient vibration data, the variable (stiffness degradation percentage) is defined using optimization method and introducing objective function for axial flexural member of the bridge pier. Assuming linear damage up to spalling of the concrete, the errors at three modes using linear optimization simplex method are revealed 0.7, 0.1 and 1.45 percent (mostly three equations). The obtained results showed good agreement with the initial values. Also, results of an experiment are used to validate the models. Evaluation of the experimental and analytical results showed that the proposed method for damage detection of RC bridge piers can be precisely applied
  
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Damage Detection
  • Optimization method
  • ambient vibration
  • RC bridge pier
احمدی، ح. ر. و دانشجو، ف. (1389). "استخراج مشخصات دینامیک عرشه خرپایی پل راه­آهن فیروزه با استفاده از توابع زمان- فرکانس". اولین کنفرانس ملی سازه و فولاد و دومین کنفرانس کاربرد فولادهای پر استحکام در صنعت سازه، تهران.
Adewuyi, A. P., Wu, Z. and Serker, N. H. M. K., 2009. “Assessment of vibration-based damage identification methods using displacement and distributed strain measurements”. Struct. Health Monit., 8(6): 443-461.
Alvandi, A. and Cremona, C. 2006. “Assesment of vibration-based damage identification techniques.” J. Sound Vib., 292(1): 179-202.
Balageas, D., Fritzen, C. and Guemes, A. 2006. “Introduction to Structural Health Monitoring”. ISTE, Ltd, London.
Chopra, A. K. 2007. “Dynamics of Structures in Theory and Applications to Earthquake Engineering”. 4th Edition, Prentice Hall, Berkeley, USA.
Esfandiari, A., Rahai, A. and  Bakhtiari-Nejad,  F.  2007. “Damage assessment of structure using incomplete measured mode shapes”. Struct. Control Health Monit., 14: 808-829.
Farrar, C. R. and Worden, K. 2013. “Structural Health Monitoring”. John Wiley & Sons, Ltd.
Friswell, M. I., Penny, J. E. T. and Wilson, D. A. L. 1994. “Using vibration data and statistical measure to locate damage in structures modal analysis”. Int. J. Anal. Exp. Modal Anal., 9(4): 239-254.
Gonzalez, M. P. and Zapico, J. L. 2008. “Seismic damage identification in buildings using neural networks and modal data”. Comp. Struct., 86(3-5): 416-426.
Haftka, R. T. and Gurdal, Z. 1993. “Elements of Structural Optimization”. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands.
Hao, H. and Xia, Y. 2002. “Vibration-based damage detection of structures by genetic algorithm”. J. Comp. Civil Eng., 16(3): 222-229.
Kim, J. T., Ryu, Y. S., Cho, H. M. and Stubbs, N. 2003. “Damage identification in beam-type structures frequency-based method vs mode-shape-based method”. Eng. Struct., 25: 57-67.
Koh, C. G. and Perry, M. J. 2010. “Structural Identification and Damage Detection Using Genetic Algorithms”. Structures and Infrastructures Series, Taylor & Francis, London, UK.
Kourehli, S. S. 2015. “Damage assessment in structures using incomplete modal data and artificial neural network”. Int. J. Struct. Stab. Dyn., 15(6), doi: 10.1142/S0219455414500874.
Kourehli, S. S. 2017. “Structural damage diagnosis using incomplete static responses and LS-SVM”, J. Inverse Probl. Sci. Eng., 25: 418-433.
Meruance, V. and Heylen, W. 2011. “An hybrid genetic algorithm to detect structural damage using modal properties”. Mech. Sys. Sig. Process., 25(5): 1559-1573.
Park, S., Kim, Y. B. and Stubbs, N. 2002. “Nondestructive damage detection in large structures via vibration monitoring”. Electr. J. Struct. Eng., 2: 59-75.
Rasouli, A., Ghodrati Amiri, G., Kheyroddin, A., Ghafory-Ashtiany, M. and Kourehli, S. S. 2014. “A new method for damage prognosis based on incomplete modal data via an evolutionary algorithm”. Eur. J. Environ. Civil Eng., 18(3): 253-270.
Rasouli, A., Kourehli, S. S., Ghodrati Amiri, G. and Kheyroddin, A. 2015. “A two-stage method for structural damage prognosis in shear frame based on story displacement index and modal residual force”. Adv. Civil Eng., 2015, Article ID 527537, 15 p.
Ren, W. X. and De Roeck, G. 2002.  “Structural damage identification using modal data simulation verification”. J. Struct. Eng., ASCE, 128(1): 87-95.
Ruotolo, R. and Surac, C. 1997. “Damage assessment of multiple cracked beams: Numerical results and experimental validation”. J. Sound Vib., 206(4): 567-588.
Yan, Y., Cheng, L., Wu, Z. and Yam, L. 2007. “Development in vibration-based structural damage detection technique”. Mech. Sys. Sig. Process., 21: 2198-2211.
Zembaty, Z., Kowalski, M. and Pospisil, S. 2006. “Dynamic identification of a reinforced concrete frame in progressive states of damage”. Eng. Struct., 28(5): 668-681.