تشخیص آسیب در پلهای فولادی با استفاده از الگوریتم های تکاملی
دسته بندي :
کالاهای دیجیتال »
رشته عمران و نقشه برداری (آموزش_و_پژوهش)
این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد.
چکیده
دوره بهره برداري از سازه¬هاي ساخته شده به دست بشر محدود بوده و تحت ه‍يچ شرايط‍ي ابدي نيست. وجود عوامل مختلف داخل‍ي و خارج‍ي باعث مي¬شوند که اجزاي سازه دچار آسيب شده و سازه تحت بارهاي بهره¬برداري دچار مشکل جدي و حت‍ي به طور کامل منهدم شود. شناسايي آسیب در يک سازه در دهه¬هاي اخ‍ير توجه محققان زيادي را به خود جلب كرده است، زيرا کشف زود هنگام آسیب مي-تواند از خراب‍ي فاجعه بار سازه¬ها جلوگيري کند. همچنين در صورت تشخيص و رفع به موقع ع‍يوب و آسیب مي¬توان به عمر مف‍يد سازه¬ها افزود و باعث استفاده بهينه از سرمايه مل‍ي و صرفه جويي در مصرف منابع گردید.
در این میان سنجش سلامتی پل¬ها و اطمینان از سطح ایمنی آنها از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. رخداد آسیب¬های کوچک، گرچه کارایی پل¬ها را مختل نمی¬سازد، اما می¬تواند رفتار سازه را در برابر بارهای ضربه¬ای و ناگهانی تحت الشعاع قرار دهد و به انهدام ناگهانی ستون¬ها یا عرشه¬ی پل منجر شود. در این پایان¬نامه، روش¬هایی نوین، برای تشخیص آسیب در سازه پل¬های فولادی با استفاده از اطلاعات استاتیکی و دینامیکی پیشنهاد گردیده است. برای این منظور، مسأله¬ی تشخیص آسیب در پل¬ها، بصورت یک مسأله¬ی معکوس تعریف و توابع هدف مختلفی پیشنهاد شده است. سپس با کمک روش¬های بهینه¬یابی تکاملی به حل مسأله¬ و یافتن پاسخ¬های بهینه این توابع هدف پرداخته شده است. روش¬های بهینه¬یابی تکاملی، بر مبنای پدیده¬های طبیعی استوار بوده و قابلیت جستجوی فضای پاسخ را با رویکردی آماری-احتمالاتی دارا می¬باشد و لذا قادرند مسائل پیچیده را با سرعت بسیار بالایی مورد تجزیه و تحلیل قرار دهند. بنابراین از الگوریتم¬های متعددی نظیر ژنتیک، اجتماع ذرات، انفجار بزرگ و گروه ذرات باردار در بهینه¬یابی استفاده شده است. برای یافتن پاسخ مناسب، سعی و خطای بسیار صورت پذیرفته است. در ادامه به منظور بررسی کارایی روش¬های ارائه شده، از مثال¬های 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 نوفه¬ها، تعداد مودهای محدود، بررسی شده است. همچنین در مثالی نیز برای کاهش اثرات انتخاب نوع الگوریتم بر پاسخ¬ها، سازه بزرگی با الگوریتم¬های مختلف بررسی و مورد تشخیص آسیب قرار گرفته است. نتایج در مورد تمام سازه¬های بررسی شده نشان دهنده کارایی و صحت روش¬های پیشنهادی با حضور نوفه در سطح¬های بالاست. برای حصول اطمینان از درستی روش پیشنهادی برای تشخیص آسیب در سازه¬های واقعی، از نتایج آزمایشگاهی یا مثال¬های 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 سازه¬های با تعداد اعضای بیشتر و پیچیده¬تر، الگوریتم گروه ذرات باردار در مقایسه با سه الگوریتم دیگر جواب¬های دقیق¬تری نتیجه داده است. همچنین این الگوریتم با جمعيت اندك و تعداد تكرار كمتر قادر به شناسايي مكان و مقدار آسيب در المان¬هاي آسيب ديده با دقت بالايي بوده است. در مورد سازه¬های با تعداد اعضا متوسط و تعداد آسیب¬های کمتر، الگوریتمPSOPC جواب¬های بهتری ارائه داده است. همچنین لازم به ذکر است در سازه¬های با تعداد متوسط اعضا و تعداد آسیب-های بیشتر، الگوریتمBB-BC دارای همخوانی بیشتری با روش پیشنهادی و در نتیجه دقت بالاتری بوده است. در انتها می¬توان گفت نتایج بدست آمده، مؤید کارایی و دقت مناسب روش¬های پیشنهادی در تشخیص آسیب در پل¬ها با وجود نوفه بالا می¬باشد.
واژه¬های کلیدی:
پل فولادی، تشخیص آسیب، الگوریتم¬های تکاملی، داده¬های استاتیکی، داده¬های دینامیکی.
فهرست مطالب
«عنوان» «صفحه»
فصل اول- کلیات 13
1-1- مقدمه 2
1-2- پایش سلامت سازه¬ها 4
1-3- آسیب در پل¬ها 4
1-4- هدف و گستره رساله حاضر 5
1-5- ابعاد رساله 8
فصل دوم- مرور ادبيات فنى و تاريخچه مطالعات پيشين 2
2-1- مقدمه 10
2-2- شناسايي آسیب با استفاده از آنال‍يز تحل‍يل‍ي با فرايند معکوس 12
2-2-1- روش¬هاي محاسبه سخت 12
2-2-2- روش¬هاي محاسبه نرم 13
2- 3- تغيير در خصوصيات مودى 13
2- 3- 1- تغيير فركانس 14
2- 3-2- تغيير ميرائى 16
2- 3-3- تغيير اشكال مودی 16
2-4- كنترل پاسخ 17
2-5- تغييرات تابع پاسخ فركانسى و تابع پاسخ ضربه 17
2-6- روش¬هاى احتمالاتی 17
2-6-1- مشخصه توابع چگالی احتمال 18
2-6- 2- آزمون همبستگى 18
2-6-3- تابع وابستگى 19
2-7- مدل¬هاى خانواده ARMA 19
2- 8- ماتريس نرمی 19
2-9- اصلاح ماتريس¬هاى مشخصه 20
2-10- تئورى انتشار امواج 20
2-11- شناسايي آسیب با استفاده از الگوريتم بهینه¬یابی 21
2-11-1- شناسايي آسیب با استفاده از الگوريتم ژنتیک 21
2-11-2- تشخیص آسیب بر اساس سایر روش¬های بهینه¬یابی 22
2- 12- تشخیص آسیب بر اساس پردازش سيگنال¬ها 23
2-12-1- پردازش در حوزه زمان 23
2- 12-2- پردازش در حوزه فركانس 25
2-12-2-1- تحليل فوريه 26
2-12-2-2- تبدیل فوریه با زمان کوتاه 26
2-12-2-3- تحليل ويولت (موجک) 27
2-12-2-4- بسته ويولتي (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 ويگنر- ويل 33
2-12-3-2- كلاس كوهن 34
2-13-تاريخچه مطالعات در زمينه تشخيص آسیب در سازه پل¬ها 35
2-13-1- مقدمه 35
2-13-2- تشخيص آسیب در سازه پل¬ها با استفاده از شبكه¬هاي عصب‍ي 35
2-13-3- تشخيص آسیب در سازه پل¬ها با استفاده از الگوريتم ژنتيک 38
2-13-4- تشخيص آسیب در سازه پل¬ها با استفاده از روش¬های پردازش سیگنال 40
2-13-5- تشخیص آسیب در سازه پل با استفاده از داده¬های ناقص 42
2-14- تاریخچه مطالعات در زمینه تشخیص آسیب با استفاده از داده-های استاتیکی 42
2-15- جمع¬بندی 44
فصل سوم- روش¬ها و الگوریتم¬های بیهنه¬یابی 46
3-1- مقدمه 47
3-2- انواع روشهای بهینه¬یابی 47
3-2-1- روش¬های شمارشی 47
3-2-2- روش¬های محاسباتی- عددی 48
3-2-3- روش¬های تکاملی 48
3-3- الگوریتم ژنتیک 48
3-3-1- مقدمه 48
3-3-2-ساختار الگوريتم ژنتيک 50
3-3-3-اجزاي الگوريتم ژنتيک 51
3-3-3-1- متغيرهاي طراحي 51
3-3-3-1-1- متغيرهاي طراحي گسسته 51
3-3-3-1-2- متغيرهاي طراحي پيوسته 52
3-3-3-2- تابع صلاحيت 52
3-3-3-2-1- درجه¬بندي تابع صلاحيت 53
3-3-4- عملگرهاي ژنتيک 55
3-3-4-1- عملگرتکث‍ير 56
3-3-4-2- عملگر پيوند 57
3-3-4-3- عملگرجهش 59
3-3-5- شكاف نسل 60
3-3-6- مزایای الگوریتم ژنتیک 61
3-4- الگوریتم بهينه یابي گروه ذرات (PSO) 61
3-4-1- مقدمه 61
3-4-2- نحوه ارتباط بین اجزاء در فرآیند رسیدن به هدف 63
3-4-2-1- همسايگي جغرافيايي 63
3-4-2-2- همسايگي به شيوه شبکه هاي اجتماعي 63
3-4-3- تشریح روش گروه ذرات 64
3-4-3-1- همگرایی الگوریتم PSO 66
3-4-3-2- بهبودهای الگوریتم 67
3-4-3-3- مواجهه با محدودیت¬ها 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 70
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 84
3-7- سایر الگوریتم¬ها 86
3-8- جمع¬بندی 86
فصل چهارم- روشهای پیشنهادی تشخیص آسیب در سازه با الگوریتم¬های 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 پاسخ¬های 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 دادههای 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 قطعیت¬ها در تشخیص آسیب 97
4-5- شیوه انجام تشخیص آسیب 98
فصل پنجم- تجزیه وتحلیل نتایج تحقیق 101
5-1- مقدمه 102
5-2- سازههای 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 استفاده 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 استفاده 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
فهرست شکل¬ها
«عنوان» «صفحه»
شکل 2-1- دسته بندی کلی روشهای تشخیص آسیب 10
شکل 2-2- تجزیه سیگنال توسط تبدیل ویولت پکت[80] 28
شکل 2-3-الف- تجزيه نمونه‌هاي زماني مربوط به دو سيگنال مختلف[36] 29
شکل 2-3-ب- تجزيه نمونه‌هاي زماني مربوط به دو سيگنال مختلف[36] 30
شکل 2-4- فرآیند معمول تشخیص آسیب در سازه پل¬ها [134] 41
شکل 2-5- فلوچارت فرآیند محاسباتی تشخیص آسیب[136] 42
شکل3-1- درجه بندي خطي در شرايط عادي [148] 54
شکل3-2- درجه بندي خطي در شرايط ويژه[148] 54
شکل3-3- نحوه انتخاب طرح به وسيله چرخ گردان [148] 56
شکل3-4- نحوه عملكرد پيونديك نقطه اي[148] 58
شکل3-5- نحوه عملكرد پيوند دو نقطه¬اي [148] 58
شکل3-6- نحوه عملكرد پيوند سه نقطه¬اي [148] 58
شکل3-7- نحوه عملكرد پيوند يكنواخت [148] 59
شکل3-8- نحوه عملكرد جهش [148] 59
شکل 3-9- مقايسه حرکت جمعي و انفرادي پرندگان[149] 61
شکل3-10- نحوه حرکت ذره در میان گروه[149] 62
شکل3-11- قوانین حرکت ذرات[149] 62
شکل3-12- همسايگي جغرافيايي[149] 63
شکل3-13-گراف نحوه ارتباط در همسايگي به شيوه شبکه¬هاي اجتماعي[149] 64
شکل 3-14- تعیین موقعیت و سرعت جدید ذره 65
شکل 3-15- (الف) ذره در موقعیت امکان¬ناپذیر ،(ب) ذره در موقعیت امکان¬پذیر[153] 68
شکل 3-16- فلوچارت الگوریتم گروه ذرات با گروه منفعل 70
شکل 3-17- گسترده شدن کاندیداهای حل اولیه برروی فضای جستجوی دو بعدی؛ مرکز جرم این کاندیداها با دایره قرمز رنگ مشخص شده است. [155] 71
شکل 3-18- مثالی از انباشتگی نقاط در اطراف مرکز جرم پس از 500 تکرار[156] 73
شکل-3-19- فلوچارت الگوریتم BB-BC 74
شکل 3-20- ترازوی پیچشی کولمب که ذرات باردار A و B در آن قرار دارند[158] 75
شکل 3-21- مقایسه میان بزرگی نیروی وارد بر ذره با استفاده از دو رابطه متفاوت[158] 80
شکل 3-22- فلوچارت الگوریتم سیستم جستجوی ذرات باردار (CSS) 84
شکل4-1- فلوچارت الگوریتم ژنتیک 99
شکل 4-2- فلوچارت الگوریتم گروه ذرات با گروه منفعل 99
شکل 4-3- فلوچارت الگوریتم انفجار بزرگ(BB-BC) 100
شکل 4-4- فلوچارت الگوریتم سیستم جستجوی ذرات باردار (CSS) 100
شکل 5-1-انواع خرپاهای مورد استفاده در پل¬ها 103
شکل 5-2- سازه قوسی شکل مورد استفاده در پل¬ها 104
شکل 5-3- سازه پل تیر شکل 104
شکل 5-4- پل با سازه خرپایی 105
شکل 5-5- هندسه پل خرپایی شکل 105
شکل 5-6- هندسه سازه پل خرپایی 106
شکل 5-7-الف- هندسه پل قوسی شکل 107
شکل 5-7-ب- هندسه پل قوسی شکل با رفتار خرپایی 107
شکل 5-8- هندسه پل قوسی شکل به همراه محل های آسیب در سناریوهای اول تا سوم 109
شکل 5-9- نتایج تشخیص آسیب در پل قوسی فلزی در سناریو اول 111
شکل 5-10- نتایج تشخیص آسیب در پل قوسی فلزی در سناریو دوم 111
شکل 5-11- نتایج تشخیص آسیب در پل قوسی فلزی در سناریو سوم 111
شکل 5-12- هندسه پل خرپا شکل به همراه محل¬های آسیب در سناریوهای اول تا سوم 112
شکل 5-13- نتایج تشخیص آسیب در پل خرپایی فلزی در سناریو اول 113
شکل 5-14- نتایج تشخیص آسیب در پل خرپایی فلزی در سناریو دوم 114
شکل 5-15- نتایج تشخیص آسیب در پل خرپایی فلزی در سناریو سوم 114
شکل 5-16- نصب و راه¬اندازی سازه خرپایی[161] 116
شکل 5-17- نحوه بارگذاری در سازه برای تشخیص آسیب[161] 117
شکل 5-18-مقایسه نتایج تشخیص آسیب در مدل آزمایشگاهی در تطبیق با تشخیص آسیب در سناریو اول توسط الگوریتم گروه ذرات توسط روش پیشنهادی اول 119
شکل 5-19-مقایسه نتایج تشخیص آسیب در مدل آزمایشگاهی در تطبیق با تشخیص آسیب در سناریو دوم توسط الگوریتم گروه ذرات توسط روش پیشنهادی اول 119
شکل 5-20-مقایسه نتایج تشخیص آسیب در مدل آزمایشگاهی در تطبیق با تشخیص آسیب در سناریو اول توسط الگوریتم ژنتیک توسط روش پیشنهادی اول 120
شکل 5-21-مقایسه نتایج تشخیص آسیب در مدل آزمایشگاهی در تطبیق با تشخیص آسیب در سناریو دوم توسط الگوریتم ژنتیک توسط روش پیشنهادی اول 120
شکل 5-22-مقایسه نتایج تشخیص آسیب در مدل آزمایشگاهی در تطبیق با تشخیص آسیب در سناریو اول توسط الگوریتم ژنتیک و گروه ذرات توسط روش پیشنهادی اول 121
شکل 5-23-مقایسه نتایج تشخیص آسیب در مدل آزمایشگاهی در تطبیق با تشخیص آسیب در سناریو دوم توسط الگوریتم ژنتیک و گروه ذرات توسط روش پیشنهادی اول 121
شکل 5-24- هندسه پل خرپا شکل به همراه محل¬های آسیب در سناریوهای اول تا سوم 123
شکل 5-25- نتایج تشخیص آسیب در پل خرپایی فلزی در سناریو اول 124
شکل 5-26- نتایج تشخیص آسیب در پل خرپایی فلزی در سناریو دوم 125
شکل 5-27- نتایج تشخیص آسیب در پل خرپایی فلزی در سناریو سوم 125
شکل 5-28- هندسه تیر به همراه محلهای آسیب در سناریوهای اول تا سوم 126
شکل 5-29- نتایج تشخیص آسیب در پل تیر شکل فلزی در سناریو اول 127
شکل 5-30- نتایج تشخیص آسیب در پل تیر شکل فلزی در سناریو دوم 128
شکل 5-31- نتایج تشخیص آسیب در پل تیر شکل فلزی در سناریو سوم 128
شکل 5-32- هندسه خرپای انتخابی به همراه محل¬های آسیب در سناریوهای اول تا سوم 129
شکل 5-33- نتایج تشخیص آسیب در پل خرپایی فلزی در سناریو اول 130
شکل 5-34- نتایج تشخیص آسیب در پل خرپایی فلزی در سناریو دوم 131
شکل 5-35- نتایج تشخیص آسیب در پل خرپایی فلزی در سناریو سوم 131
شکل 5-36- تاریخچه همگرایی درخرپای بلژیکی در سناریوی اول 132
شکل 5-37- خطای نتایج الگوریتم BB-BC در هر مرحله در خرپای بلژیکی و سناریوی سوم 133
شکل 5-38- مدل اجزا محدود سازه پل فولادی BOWSTRING 134
شکل 5-39- نتایج تشخیص آسیب در پل فلزی در سناریو اول 135
شکل 5-40- نتایج تشخیص آسیب در پل فلزی در سناریو دوم 135
شکل 5-41- نتایج تشخیص آسیب در پل فلزی در سناریو سوم 136
شکل 5-42- مدل اجزا محدود سازه پل فولادی خرپایی 137
شکل 5-43- نتایج تشخیص آسیب در پل خرپای فلزی در سناریو اول 138
شکل 5-44- نتایج تشخیص آسیب در پل خرپای فلزی در سناریو دوم 138
شکل 5-45- لرزاننده مغناطیسی[161] 139
شکل 5-46- محل نصب لرزاننده و سنسورهای ثبت کننده شتاب[161] 140
شکل 5-47- شکلهای مودی برگرفته از نتایج آزمایشگاهی درحالت سالم و آسیب دیده[161] 140
شکل 5-48-مقایسه نتایج تشخیص آسیب در مدل آزمایشگاهی در تطبیق با تشخیص آسیب در سناریو اول توسط الگوریتم گروه ذرات توسط روش پیشنهادی دوم 141
شکل 5-49-مقایسه نتایج تشخیص آسیب در مدل آزمایشگاهی در تطبیق با تشخیص آسیب در سناریو دوم توسط الگوریتم گروه ذرات توسط روش پیشنهادی دوم 142
شکل 5-50- مقایسه نتایج تشخیص آسیب در مدل آزمایشگاهی در تطبیق با تشخیص آسیب در سناریو اول توسط الگوریتم BB-BC توسط روش پیشنهادی دوم 142
شکل 5-51-مقایسه نتایج تشخیص آسیب در مدل آزمایشگاهی در تطبیق با تشخیص آسیب در سناریو دوم توسط الگوریتم BB-BC توسط روش پیشنهادی دوم 143
فهرست جدول
«عنوان» «صفحه»
جدول 2-1- خلاصه شیوه¬های تشخیص آسیب 11
جدول 5-1- سطح مقطع اعضای پل خرپایی 105
جدول 5-2- سطح مقطع اعضای پل خرپایی 106
جدول 5-3- الف- سطح مقطع اعضای پل قوسی 107
جدول 5-3-ب- سطح مقطع اعضای خرپا 107
جدول 5-4- سناريوهاي مختلف درصد آسيب¬دیدگی اعضا 110
جدول 5-5- بارهای استاتیکی اعمالی به درجات آزادی 110
جدول 5-6- سناريوهاي مختلف آسيب در پل خرپایی 113
جدول 5-7- مشخصات مصالح و سطح مقطع سازه آزمایشگاهی 116
جدول 5-8- جدول بارگذاری و اندازه¬گیری تغییرمکانها قبل اعمال آسیب [161] 117
جدول 5-9- سناريوهاي مختلف آسيب در پل خرپایی 14 دهانه [161] 118
جدول 5-10- سناريوهاي مختلف آسيب در پل خرپایی 124
جدول 5-11- سناريوهاي مختلف آسيب در پل تیر شکل 127
جدول 5-12- سناريوهاي مختلف آسيب در پل خرپا( BELGIAN) 130
جدول 5-13- سناريوهاي مختلف آسيب در پل خرپا(BOWSTRING) 134
جدول 5-14- سناريوهاي مختلف آسيب در پل خرپا 137
جدول 5-15- سناريوهاي مختلف آسيب در سازه آزمایشگاهی[161] 140
فصل اول- کلیات
1-1- مقدمه
وقوع بارگذارى¬هاى ناگهانى و ویژه نظير باد و زلزله، آسیب¬هاى مختلفى را در سازه¬ها ايجاد مى¬نمايد و رخداد چنين خسارات و نواقصى در سازه سبب تغییر مشخصات و رفتار سازه مى¬گردد. همچنين گذشت زمان و شرايط محیطى نيز سبب فرسايش و زوال مصالح سازه¬ها و در نتیجه تغییر مشخصات آنها مى¬گردد. موارد مذكور سبب شده است تا شناسايى خصوصیات سیستم، تشخيص آسیب موجود در آن (شدت، نوع، زمان و محل آسیب) و پایش سلامت سازه به يكى از مسائل مهم در علوم مهندسى، از جمله مهندسى عمران بدل گردد.
به بیان دیگر بررسی رفتار ساز¬ه¬های مهم نظیر پلها، سدها تحت بارهای عادی و یا بارهای خاص مانند زلزله برای مهندسین ممکن گردیده که موجب تشخیص آسیب در سازه¬ها به عنوان زیر مجموعه¬ای در این بحث شده است. در این راستا با در اختیار داشتن پاسخهای سازه قبل و پس از آسیب می¬توان شدت، نوع و محل آسیب را بدست آورد.
از آنجا كه آسیب ايجاد شده در سازه تاثیر مستقيمى بر خصوصیات و مشخصات سازه مى¬گذارد، سلامت سازه به نوع، شدت و محل آسیب ايجاد شده در آن وابسته بوده و به همين سبب توانايى تشخيص آسیب ايجاد شده در سيستم¬هاى مختلف سازه¬ای از جمله ساختمانها يكى از موضوعات مهم و قابل توجه به شمار مى¬رود. منظور از آسیب، ايجاد هرگونه تغيير در خصوصات سيستم بوده به گونه¬اى كه رفتار آن نسبت به وضعيت اوليه تغيير نمايد. اين تعريف در سازه¬ها، به تغییرات خصوصیات مصالح يا هندسه سازه كه كارایی سازه در حال و آينده را مختل مى¬سازد، محدود می¬گردد. با نظر به آنچه كه اشاره گرديد، مباحث شناسایی خصوصيات سيستم، تشخيص آسیب ايجاد شده و پايش سلامت سازه¬ها بصورت وابسته بوده و گاهی بطور همزمان مورد توجه قرار می¬گیرند.
از آن جا كه كشور ما در يكى از مناطق لرزه¬خیز جهان قرارگرفته است، علاوه بر سایر آسیب¬ها بيشترين آسیبی كه در سازه¬ها رخ می¬دهد در اثر زلزله مى¬باشد. اگرچه اين آسیب¬ها ممكن است چندان واضح نباشد كه قابلیت شناسایی توسط بازديدهاى ميدانى را داشته باشد، اما مى¬تواند تغییراتى در خصوصیات سازه ايجاد نمايد كه سبب كاهش سطح عملكردى سازه موجود در زلزله¬هاى بعدى گرديده و حتى اسباب تخريب كلى سازه در زلزله¬هاى آينده 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 سازه¬های 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 می-توان آن را با آزمایشات تشخیصی پزشکی برای حصول اطمینان از سلامت انسان قیاس نمود.
در گذشته از روشهاى گوناگونى به منظور بررسى سلامت سازه¬ها استفاده شده است كه عموماً شامل مشاهدات ميدانى و آزمايشهای محدود شامل آزمايش¬هاى مخرب و غیرمخرب بوده¬اند. اما پیش شرط لازم براى انجام چنین آزمایشهایی حدس محدوده آسیب ايجاد شده سازه¬ها و در دسترس بودن آن مى¬باشد كه بنابراين نتايج ناشى از آنها كاملاً وابسته به حدس درست محل احتمالی آسیب هستند. علاوه بر اين، انجام اين آزمايشها نیاز به ابزارهایى دارد كه اين امر سبب افزايش هزینه¬هاى انجام آنها مى¬گردد. بنابراين تعداد آزمايشهاى انجام شده جهت بررسى سازه مى¬بايست به حداقل مقدار لازم كاهش داده شوند. از سوى ديگر، مهارت كاربر نيز در دقت نتايج بدست آمده، نقش مستقيم داشته و سبب ضعف بيشتر اين آزمايشها در تشخيص آسیب و شناسایی مشخصات سازه مى¬گردد. همچنین به دليل کیفى بودن نتايج بدست آمده، اين آزمایشها نمى¬توانند تخمينى از تغييرات به وقوع پيوسته در خصوصات ديناميكى سازه آسیب ديده، بدست دهند.
با پیشرفت علم، با بهره¬گیری از اطلاعات استاتیکی ثبت شده در سازه¬ها و تغییرات آن به تعیین خواص سازه با اینگونه ثبت¬ها قدم برداشته شد. همچنین پس از آنكه دانشمندان به سمت استفاده از داده¬هاى ارتعاشى براى پیداكردن خواص ديناميكى سازه¬ها پیش رفتند، با انجام آزمايشهاى ارتعاشات محيطى و يا تحريكات اجبارى تا حدود زیادى موفق به دست آوردن خواص ديناميکى سازه¬ها گرديدند و بدين ترتیب پس از وقوع پدیده¬های طبیعی همچون زلزله با اين روشها خواص ديناميكى سازه را محاسبه كرده و از مقايسه نتايج آنها با نتايج بدست آمده از آزمایش¬هاى صورت گرفته قبل از زلزله به ميزان آسیبى كه در سازه اتفاق افتاده بود، پى مى¬بردند. البته با استفاده از اين روش¬ها تنها تا حدودى امكان بررسی وضعيت سازه قبل و بعد از يك حادثه، مثلأ زلزله، قابل اندازه گيرى بود و هنوز امكان دستيابى به چگونگى تغييرات خواص سازه در طول رخداد زلزله ممكن نبود، امرى كه جهت حفظ سلامت سازه در حین زلزله بسيار حیاتى است. همچنين استفاده از آزمايشهای ارتعاشات اجبارى و محيطى هزينه¬هاى زيادى را نيز طلب مى¬كردند كه با اين وجود از آن جا كه تحریک اعمال شده در اين آزمايش¬ها در مقايسه با تحريكات زلزله بسيار كوچک مى¬باشند، لذا تصوير واضحى از تغييرات ايجاد شده در مشخصات سازه پس از زلزله بدست نخواهند داد.
بنابراين هدف از اين پژوهش آن است كه با پیشنهاد رویکردی جهت شناسايى خصوصيات سازه، با بکارگیری الگوریتمهای تکاملی روشی برای تشخیص محل و شدت آسیب¬هاى رخداده بر پایه اطلاعات (داده¬های) استاتیکی یا دینامیکی ارائه گردد.
بنابراین دو روش پیشنهادی با استفاده 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 می¬باشند. 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.
1-2- 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 كرده¬اند تا با استفاده از داده¬هاى موجود و ابزارهای مناسب، آسیب را در سازه¬ها شناسايى كنند.
پایش سلامت در سازه ها با جواب به سوالات زير توص‍يف مي شود:
1ـ آيا آسیب در سازه وجود دارد؟
2ـ موقع‍يت آسیب در سازه کجاست؟
3ـ نوع آسیب موجود چ‍يست ؟
4ـ شدت آسيب چقدر است؟
بعد از شناسايي آسیب، سازه بايد با درنظر گرفتن وضعيت موجود مورد تحليل قرار گ‍يرد و ميزان کارايي سازه سنج‍يده شود و در صورت لزوم نسبت به تعم‍ير و تقویت سازه اقدام شود.
1-3- آسیب در پل¬ها
آسیب يكى از لغات بحث برانگيز در زمينه پايش سلامت سازه¬ها مى¬باشد. به طور كلى «آسیب»؛ ايجاد تغیير دائم در مشخصات سازه از جمله سختى، مقاومت، خصوصيات ديناميكى و يا كاهش سطح عملكرد سازه نسبت به حالت اوليه آن مى¬باشد.
براى پل¬ها آسیب می تواند مربوط به جابجایى نسبى بين عرشه و کوله و تغییر رفتار اعضاى سازه¬اى مى¬باشد. براى تشخيص آسیب روشهاى مختلفى ارائه شده است كه از بين آنها تغييرات در خصوصيات مودى نظير فركانس¬های مودى و اشكال مودى و همچنين به روز¬¬¬رسانی ماتريس¬هاى مشخصه سازه (ماتريس جرم، سختى و ميرایی) و تغييرات در خصوصيات ماتریس سختی را مى¬توان نام برد. در تمامى روش¬هاى تشخيص آسیب نياز است كه ابتدا خصوصيات سازه (فضاى فيزيكى، فضاى مودی، فضاى پاسخ) پیش از آسیب شناخته شود، سپس در گام بعدى با استفاده از داده¬هاى بدست آمده از پاسخ سازه، مشخصات جديد شناسايى شده و با بررسى تغييرات اين مشخصات تشخيص آسیب انجام گردد.
پاسخ لرزه¬اى سازه وابسته به مشخصات ديناميكى سازه و تحريك زلزله مى¬باشد، لذا پاسخ سازه با تغيير در مشخصات ديناميكى سازه، تغيير خواهد كرد. از آنجا كه تغيير در مشخصات ديناميكى سازه نتيجه تغيير در سختى، ميرایی و ساير ويژگى¬هاى سازه (كه در صورت ماندگار بودن اين تغييرات از آنها به عنوان آسیب ياد مى¬شود) مى¬باشد، بنابراين مى¬توان نتيجه گرفت كه ايجاد تغيير در پاسخ لرزه¬اى سازه مى¬تواند به دليل رخداد آسیب در سازه باشد. البته نبايد فراموش نمود كه تغیيرات ايجاد شده در پاسخ لرزه¬اى سازه ممكن است علاوه بر رخداد آسیب¬هاى ماندگار در سازه، مربوط به رفتار غيرخطى خاك و يا غيرخطى شدن سازه باشد، كه بايد به طريقى اثرات اين عوامل درنظر گرفته شده و تغييراتى كه در پاسخ به سبب اين آسیب¬¬ها ايجاد مى¬گردد از اين عوامل مجزا گردد.
از آن جا كه رخداد آسیب در سازه سبب ايجاد تغیير ماندگار در فركانس سازه مى¬شود، بنابراين بررسى فركانس¬هاى طبيعى و ساير خواص مودى سازه در حین ارتعاشات محیطی ابزار مفیدى براى تشخیص آسیب مى¬باشد. حال با توجه به اینکه در بسيارى از مناطق لرزه¬خیز جهان زلزله از اصلی¬ترین چالش¬ها در طراحى سازه¬ها مى¬باشد و عمده خسارات وارد بر سازه¬ها علاوه بر سایر عوامل محیطی ناشى از اين پدیده طبيعى است، بهره¬گیری از این موضوع می¬تواند مفید باشد. با بررسى فركانس¬ها و ساير مشخصات مودى سازه در حين زلزله، تعیين مكان و مقدار آسیب در سازه ممكن خواهد شد.
لازم به ذکر است در روش¬های مبتنی بر داده¬های استاتیکی با اطلاعات بسیار کمی می¬توان آسیب را در سازه با دقت قابل قبولی تشخیص داد لذا اینگونه روشها مورد توجه مهندسان قرار گرفته است. به طور مثال در روش¬های استاتیکی با داشتن تغییرمکان یا کرنش، شناسایی آسیب در سازه میسر است. در تحلیل استاتیکی تغییرات در ماتریس سختی می¬تواند نشان دهنده رخداد آسیب در سازه باشد.
1-4- هدف و گستره رساله حاضر
به طور اجمال حدود دو دهه از شروع بررس‍ي و تحق‍يقات انجام شده در خصوص آشکارسازی آسیب به وسيله بررس‍ي مشخصات سازه¬هاي پل و تغییرات آن نظیر سختی، جرم و شکل مودی مي-گذرد. لازم به ذکر است که تخريب ناگهان‍ي چند نمونه از اين سازه¬ها در نقاط مختلف انگ‍يزه¬¬ای قوي براي شروع اين مطالعات بوده است. به اين ترت‍يب شناخت آسیب احتمال‍ي، مکان¬ياب‍ي آن و ارائه راه حل براي جلوگيري از حوادث مشابه از موضوعات‍ي است که امروزه در جهان در دامنه وس‍يع‍ي در حال تحق‍يق بوده و ضرورت پرداختن به آن به وضوح روشن است.
با علم به آنکه آسیب ايجاد تغیير دائم در مشخصات سازه از جمله سختى، مقاومت، خصوصيات ديناميكى و يا كاهش سطح عملكرد سازه نسبت به حالت اوليه آن مى¬باشد، ادبیات موضوعی موجود در زمینه تشخیص آسیب در سازه پل بررسی و مقالات موجود ارائه و بررسی گردیده است. در این راستا با توجه به آنکه هر گروه از محققان توسط روشی خاص به تشخیص یا تخمین آسیب پرداخته¬اند لذا در بررسی این اقدامات یک تقسیم بندی براساس روش صورت گرفته است. باتوجه به اینکه مقدار آسیب نیز از اهمیت خاصی برخوردار است، به نظر می¬رسد برآورد مقدار آسیب بر اساس داده¬ها (داده¬های استاتیکی و دینامیکی) می¬تواند اهمیت فراوانی داشته باشد. لازم به ذکر است که در استفاده از اطلاعات استاتیکی، تعداد پارامترهای تاثیرگذار کاهش یافته لذا خطاها کاهش می¬یابد.
در سایر مطالعات همانگونه که در بخش تاریخچه به آنها اشاره خواهد شد، به طور عمده بر اساس داده¬های دینامیکی سازه، موقعیت و مقدار آسیب تشخیص داده شده است که در اینگونه محاسبات به اطلاعات و پارامترهای بیشتری مانند فرکانس، شکل مودی، جرم و سختی برای شبیه¬سازی سازه و رفتار آن نیاز است. همچنین می¬توان گفت در هر بار بایستی تحلیل مودال مجدد صورت پذیرد که گاهی زمان بیشتری می¬طلبد. اثرات و مقدار نوفه نیز در این تحلیل¬ها تاثیر بیشتری دارند. بنابراین تشخیص آسیب بر پایه داده¬های استاتیکی در کنار داده¬های دینامیکی استفاده شده است.
با توجه به موارد ذکر شده هدف اصلی در این پایان¬نامه، ارائه روشی برای آشکارسازی آسیب در سازه پل فولادی بر اساس یک مسئله بهینه¬یابی با استفاده از نتایج اطلاعات استاتیکی و همچنین دینامیکی در نظر گرفته شده است.
هنگامیکه مي¬خواه‍يم برخ‍ي کم‍يت¬هاي ف‍يزيک‍ي مثل آسیب¬هاي اعضاي سازه¬اي را برآورد کن‍يم ول‍ي امکان اندازه¬گيري مستقيم آنها وجود ندارد، با بکارگيري روش معکوس از طريق کم‍يت¬هاي ديگر که قابل اندازه¬گيري هستند، مقدار اين کم‍يت¬ها محاسبه مي¬شود. مي¬توان گفت که مسائل معکوس مي¬توانند از طريق اطلاعات مربوط به نتايج آزمايش¬هایی که روي سيستم¬هاي سازه¬اي انجام مي¬گ‍يرد، اينگونه سيستم¬ها را که داراي خواص مواد و شرايط مرزي نامعلوم هستند را شناسايي کنند. لذا آنال‍يز معکوس معمولاً به عنوان تکنيک‍ي تعريف مي¬شود که مي¬تواند پارامترهاي کنترل¬کننده يک سيستم را از آنال‍يز رفتار خروج‍ي آن سيستم تع‍ي‍ين کند.
همان طور که ذکر شده مسئله آشکارسازی آسیب مبتنی بر یک روش بهینه¬یابی در نظر گرفته می¬شود. روشهای بهینه¬یابی خود می¬تواند برای بهینه نمودن پارامترهای مختلف استفاده گردد. در اینجا از بهینه¬یابی تابع هدف استفاده خواهد شد و متغیرهای تابع هدف مقدار آسیب در هر یک از اعضای سازه در نظر گرفته می¬شود. لازم به ذکر است که تابع هدف می¬تواند تابعی از جرم، سختی، میرایی و غیره باشد و همچنین کاهش سختی در اعضای سازه یا پارامترهای دیگری را می¬توان به عنوان مقدار آسیب در تابع هدف انتخابی در نظر گرفت.
همانگونه که ذکر گردید، آسیب ايجاد تغیير دائم در مشخصات سازه از جمله سختى، مقاومت، خصوصيات ديناميكى و يا كاهش سطح عملكرد سازه نسبت به حالت اوليه آن مى¬باشد. آسیب¬ها را می¬توان به صورت خطی و غیرخطی در نظر گرفت که در این تحقیق آسیب بصورت خطی در نظر گرفته شده است.
امروزه الگوریتم¬های بهینه¬یابی تکاملی نظیر الگوریتم¬های ژنتیک، کوچ مورچگان، ژنتیک ترکیبی و رقابت استعماری وجود داشته که کاربرد وسیعی در علوم مختلف یافته¬اند، در سالهای اخیر این کاربرد در مهندسی سازه نیز پر رنگتر شده است. در این پژوهش برای بهینه¬یابی تابع هدف ذکر شده از الگوریتم-های تکاملی نوین استفاده شده است. این الگوریتم¬های تکاملی ابزار مناسبی برای بهینه¬یابی فراهم آورده¬اند. بطور مثال الگوريتم ژنتيک و ابزار آن در تشخيص آسیب سازه پل قادر است، محل و مقدار آسیب را با دقت خوبی نسبت به روش¬های سنتی بهینه¬یابی بدست آورد.
پس از فرمول¬بندی روش برای آشکارسازی آسیب در سازه¬، برای اثبات کارایی و صحت روش ارائه شده از تعدادی مثال عددی در سازه پل استفاده گردیده است. در واقع موثر بودن روش ارائه شده برای نمونه¬هایی از سازه پل بررسی و صحت¬سنجی شده است. با این بررسی می¬توان در موارد مشابه در بخش سازه¬ای پلها تا حد زیادی به صحت روش ارائه شده، مطمئن بود. همانطور که می¬دانیم اطلاعات واقعی ثبت شده از سازه پل دارای نوفه ¬می¬باشد. بنابراین برای بررسی دقیق و واقع-بینانه¬تر بایستی این نوفه¬ها در مدل عددی اعمال گردد. لذا مجددا روش ارائه شده برای تشخیص آسیب در سازه پل¬ها که براساس یک مسئله بهینه¬یابی با استفاده از داده¬های استاتیکی یا دینامیکی بدست آمده بود، با اعمال نوفه سنجش گردیده است. به عبارت ساده در این اقدام با در نظر گرفتن نوفه، پاسخ¬های حاصل از روش پیشنهادی برای صحت یا عدم صحت مطالعه شده است. با اعمال نوفه¬ها و بررسی تاثیر آن بر رفتار سازه¬ای پل یکی از مسائل مهم و بنیادی در تشخیص آسیب در پل نیز بررسی گردیده و همچنین به نوعی تاثیر شرایط محیطی نیز مدنظر قرار گرفته است. لازم به ذکر است تشخیص آسیب با حضور نوفه و یافتن پاسخ¬ها با دقت مناسب نشان دهنده کارایی و نقطه قوت روش ¬های پیشنهادی می¬باشد. سازه-های انتخابی فولادی بوده و پس از رخداد آسیب همچنان خطی می¬ماند که این فرض برای مصالح فولادی بر خلاف مصالح بتنی صحیح است.
همانگونه که می¬دانیم رفتار سازه واقعی می¬تواند اندکی با مدل¬های ساخته شده متفاوت باشد. این تفاوت می¬تواند ناشی از فرضیاتی که در خصوص سازه صورت گرفته نظیر؛ رفتار خطی مصالح، اتصالات، میرایی، تاثیر تکیه¬گاه¬ها، نحوه ساخت اعضا و غیره باشد. با علم به تفاوت رفتار واقعی سازه با مدل¬های تحلیلی، لازم است که قابلیت اعتماد به روش پیشنهادی در حد مناسب باشد. با دید به این موضوع از تعدادی نتایج آزمایشگاهی یا مثال¬های شاهد موجود برای مقایسه نتایج با یکدیگر استفاده شده است. در صورت مشاهده اختلاف در پاسخها مجددا روش پیشنهادی بازبینی شده است. تشخیص آسیب با دقت بسیار مناسب با نظرگیری نوفه¬های بالا در واقع از مزایای خاص روش¬های پیشنهادی می¬باشد.
1-5- ابعاد رساله
در اين پژوهش تلاش شده است تا آسیب ايجاد شده در سازه پل براساس یک مسئله بهینه¬یابی با استفاده از داده¬های استاتیکی یا دینامیکی مربوط به سازه پل ارائه و تشخیص داده شود. بر این اساس دو روش پیشنهادی در این پایان¬نامه ارائه شده است. همچنین با توجه به اینکه در واقعیت اطلاعات اغلب با نوفه همراه است، با اعمال نوفه¬های موجود آسیب در سازه مجدداً بررسی گردیده است. نوآوری در شناسایی آسیب با اعمال نوفه با میزان بیش از 1 درصد تا 12 درصد با دقت بسیار مناسب نشان دهنده توانایی روشهای پیشنهادی در این پایان¬نامه است. فصل اول در خصوص کلیات موضوع مطالبی ارائه شده است. سپس در فصل دوم با توجه به موضوع رساله ادبیات فنی و تاریخچه مطالعات در زمینه تشخیص آسیب ارائه شده است. با توجه به حل بهینه¬یابی مورد نیاز در این پایان¬نامه، در فصل سوم، روشها و الگوریتم¬های بهینه-یابی با تاکید بر روش¬های پیشنهادی تشریح شده است. در فصل چهارم نحوه بهینه¬یابی تابع هدف و در نهایت تشخیص آسیب و شیوه¬های مربوطه در روش¬های پیشنهادی ارائه گردیده است. تجزیه و تحلیل نتایج تشخیص آسیب، صحت سنجی و بررسی روش-های پیشنهادی بر روی مثال¬های عددی و آزمایشگاهی در فصل پنجم ارائه شده است. در نهایت در فصل ششم نتیجه¬گیری شامل بررسی نتایج کلی حاصل شده و پیشنهادات ارائه گردیده است.