اعتبار،چابکی،پاسخگویی

تشخیص آسیب در پل‌های فولادی و بتنی تحت اثرات محیطی و عملیاتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه عمران، دانشکده عمران و منابع زمین، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران مرکزی، تهران، ایران

2 پژوهشگاه استاندارد، پژوهشکده فناوری و مهندسی، گروه پژوهشی ساختمانی و معدنی، کرج، ایران

چکیده
تغییرات محیطی و عملیاتی موجب می‌شوند پایش پیوسته سلامت سازه‌های مهندسی عمران دقت و قابلیت اطمینان خود را از دست بدهد. روش یادگیری بدون‌ناظر محلی مبتنی بر خوشه‌بندی دوگانه داده‌ها می‌تواند به حل این چالش کمک کند. هدف اصلی این روش، استخراج مرتبط‌ترین اطلاعاتی است که نسبت به تغییرات محیطی و عملیاتی حساسیت کمی دارند. در این پژوهش، روش خوشه‌بندی قله چگالی محلی بر پایه درخت پوشای کمینه (LDPC-MST) برای تقسیم تمام نقاط داده‌ی موجود به خوشه‌های اصلی به‌کار گرفته شده است. سپس با استفاده از زیرخوشه‌های نماینده‌ی تمام خوشه‌های اصلی، شاخصی برای شناسایی آسیب بر اساس فاصله‌ی مجذور ماهالانوبیس تعریف می‌شود تا هرگونه تغییر غیرعادی ناشی از آسیب را تشخیص دهد. به‌منظور ارزیابی کارایی روش پیشنهادی، یک پل قوسی فولادی و یک پل بتن‌آرمه‌ی جعبه‌ای تحت تغییرات شدید محیطی مورد بررسی قرار گرفته‌اند. همچنین چندین تحلیل مقایسه‌ای انجام شده تا برتری این روش نشان داده شود. نوآوری اصلی این پژوهش، توسعه‌ی یک روش جدید یادگیری بدون‌ناظر محلی از طریق به‌کارگیری فرایند خوشه‌بندی دوگانه و الگوریتم LDPC-MST است. نتایج نشان می‌دهد روش پیشنهادی قادر است به‌طور مؤثری اثرات محیطی و عملیاتی را به حداقل رسانده و نتایج قابل اعتمادی ارائه دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Damage detection in steel and concrete bridges under environmental and operational effects

نویسندگان English

Mohammadreza Mahmoudkelayeh 1
Behnam Adhami 1
Behzad Saeedi Razavi 2
1 Department of Civil Engineering, CT.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran.
2 Department of Construction and Mineral Engineering, Technology and Engineering Research Center, Standard Research Institute (SRI), Karaj, Iran
چکیده English

Environmental and operational changes, make the continuous monitoring of the health of civil engineering structures inaccurate and unreliable. The local unsupervised learning method based on double data clustering can help to solve this challenge. The main purpose is to extract the most relevant information insensitive to environmental and operational variations. The Local Density Peak Clustering under Minimum Spanning Tree (LDPC-MST) divides all available data points into main clusters. Using the representative sub-clusters of all main clusters, a damage detection indicator based on the Mahalanobis-squared distance is defined to detect any abnormal change caused by damage. Then, a steel arch bridge and a concrete box-girder bridge under strong environmental variations are investigated. Several comparative analyses are also performed to indicate the superiority of this method. The main innovation of this research is to develop a novel locally unsupervised learning method by using the process of double clustering and LDPC-MST. Results show that the proposed method is highly able to minimize the environmental and operational effects and provide reliable results.

کلیدواژه‌ها English

  • Damage detection. continuous structural health monitoring
  • unsupervised learning
  • data clustering
  • environmental and operational variability
Cheng D, Zhu Q, Huang J, Wu Q, Yang L (2021) Clustering with Local Density Peaks-Based
Minimum Spanning Tree. IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering 33
(2):374-387. doi:https://doi.org/10.1109/TKDE.2019.2930056
Jin C, Jang S, Sun X, Li J, Christenson R (2016) Damage detection of a highway bridge under
severe temperature changes using extended Kalman filter trained neural network. J Civ
Struct Health Monit 6 (3):545-560. doi:https://doi.org/10.1007/s13349-016-0173-8
Maes K, Van Meerbeeck L, Reynders EPB, Lombaert G (2022) Validation of vibration-based
structural health monitoring on retrofitted railway bridge KW51. Mech Syst Sig Process
165:108380. doi:https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2021.108380
Mahmoudkelayeh M.R, Adhami B, Saeedi Razavi B.S (2024) Continuous health assessment
of bridges under sudden environmental variability by local unsupervised learning. J
Perform Constr Facil 38 (5). doi: https://doi.org/10.1061/JPCFEV.CFENG-4323
Mario Azzara R, De Roeck G, Girardi M, Padovani C, Pellegrini D, Reynders E (2018) The
influence of environmental parameters on the dynamic behaviour of the San Frediano bell
tower in Lucca. Eng Struct 156:175-187.
doi:https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2017.10.045
Qiu L, Fang F, Yuan S, Boller C, Ren Y (2019) An enhanced dynamic Gaussian mixture
model–based damage monitoring method of aircraft structures under environmental and
operational conditions. Struct Health Monit 18 (2):524-545.
doi:https://doi.org/10.1177/1475921718759344
Reynders E, De Roeck G (2009) Continuous Vibration Monitoring and Progressive Damage
Testing on the Z24 Bridge. In: Encyclopedia of Structural Health Monitoring. John Wiley
& Sons, Inc., Chichester, United Kingdom.
doi:https://doi.org/10.1002/9780470061626.shm165
Saeedi Razavi B.S, Mahmoudkelayeh M.R, Saeedi Razavi S (2021) Damage identification
under ambient vibration and unpredictable signal nature. J Civ Struct Health Monit.
(11):1253–1273 doi:https://doi.org/10.1007/s13349-021-00503-x
Sarmadi H (2021) Investigation of machine learning methods for structural safety assessment
under variability in data: Comparative studies and new approaches. J Perform Constr Facil
35 (6):04021090. doi:https://doi.org/10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0001664
Sarmadi H, Entezami A, Salar M, De Michele C (2021) Bridge health monitoring in
Civil and Project Journal, 2025, 7(10), 54-65
https://doi.org/10.22034/cpj.2025.553244.1408
65
environmental variability by new clustering and threshold estimation methods. J Civ Struct
Health Monit 11 (3):629-644. doi:https://doi.org/10.1007/s13349-021-00472-1
Sarmadi H, Entezami A, Behkamal B, De Michele C (2022) Partially online damage detection
using long-term modal data under severe environmental effects by unsupervised feature
selection and local metric learning. J Civ Struct Health Monit.
doi:https://doi.org/10.1007/s13349-022-00596-y
Sousa Tomé E, Pimentel M, Figueiras J (2020) Damage detection under environmental and
operational effects using cointegration analysis – Application to experimental data from a
cable-stayed bridge. Mech Syst Sig Process 135:106386.
doi:https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2019.106386
Tibshirani R, Walther G, Hastie T (2001) Estimating the number of clusters in a data set via
the gap statistic. J Roy Stat Soc Ser B (Stat Method) 63 (2):411-423.
doi:https://doi.org/10.1111/1467-9868.00293
Yang L, Shami A (2020) On hyperparameter optimization of machine learning algorithms:
Theory and practice. Neurocomputing 415:295-316.
doi:https://doi.org/10.1016/j.neucom.2020.07.061
  • تاریخ دریافت 22 شهریور 1404
  • تاریخ بازنگری 30 شهریور 1404
  • تاریخ پذیرش 26 مهر 1404
  • تاریخ اولین انتشار 26 مهر 1404
  • تاریخ انتشار 01 دی 1404