عنوان

شناسایی مودال یک سیستم سد قوسی- مخزن- فونداسیون با استفاده از یک روش جدید مبتنی بر ماتریس‌های انتقال‌پذیری

‭۱۹۷۴۲پ‬

per

شناسایی مودال یک سیستم سد قوسی- مخزن- فونداسیون با استفاده از یک روش جدید مبتنی بر ماتریس‌های انتقال‌پذیری

/مجید دامادی‌پور

: مهندسی عمران

، ‮‭۱۳۹۷‬

، افشار

‮‭۱۹۷‬ص‬

چاپی - الکترونیکی

دکتری

مهندسی آب

‮‭۱۳۹۷/۰۶/۲۰‬

تبریز

شناسایی مودال با تعیین پارامترهای مودال سیستم‌های سازه‌ای، از قبیل فرکانس‌های طبیعی، اشکال مودی و نسبت‌های میرایی، نقش مهمی را در ارزیابی سلامت سازه‌ای و بررسی شکاف‌های میان سازه‌های تحت شرایط بهره‌برداری و مدل‌های طراحی آن‌ها ایفا می‌کند از این رو کاربرد آن در ارزیابی رفتار دینامیکی واقعی سیستم‌های سازه‌ای امری مهم و ضروری است .در تحقیق حاضر، یک روش جامع شناسایی مودال متشکل از دو روش جدید تحلیل مودال عملیاتی مبتنی بر انتقال‌پذیری وزن‌دار ‮‭(WTOMA)‬ و تحلیل مودال تجربی مبتنی بر اکسلرنس نامیزان ‮‭(UAEMA)‬ به منظور شناسایی پارامترهای مودال سیستم‌های سازه‌ای خطی تغییرناپذیر با زمان ‮‭(LTI)‬ ارائه شده است .روش پیشنهادی با بهره‌گیری از تکنیک‌های مؤثر در حوزه فرکانس، قادر به شناسایی مناسب پارامترهای مودال از قبیل فرکانس‌های طبیعی و اشکال مودی می‌باشد .الگوریتم‌های ‮‭WTOMA‬ و ‮‭UAEMA‬ که به ترتیب در زمینه‌های تحلیل مودال عملیاتی ‮‭(OMA)‬ و تجربی ‮‭(EMA)‬ ارائه شده‌اند، مبتنی بر ماتریس‌های انتقال‌پذیری جدید مؤثر به شناسایی پارامترهای مودال سیستم‌های سازه‌ای می‌پردازند .ماتریس‌های بکار رفته در الگوریتم‌های پیشنهادی ‮‭WTOMA‬ و ‮‭UAEMA‬ به ترتیب از توابع انتقال‌پذیری وزن‌دار محاسبه شده از رکوردهای روبنایی سازه) خروجی تنها (و توابع پاسخ فرکانسی نامیزان بدست آمده از رکوردهای ارتعاشی روبنا و تکیه‌گاه) ورودی-خروجی (تشکیل شده‌اند .مهم‌ترین ویژگی الگوریتم‌های مذکور اینست که طول کوتاه رکوردها و وجود مؤلفه‌های فرکانسی ناشی از تحریکات محیطی در پاسخ‌ها، توانایی روش پیشنهادی را در استخراج دقیق مودهای سیستم محدود نمی‌کند .الگوریتم‮‭WTOMA‬ ، به منظور شناسایی صحیح مودهای ارتعاشی سیستم‌های سازه‌ای مبتنی بر داده‌های خروجی تنها، از یک تابع وزن مناسب برای فیلترینگ طیفی در مجاورت قطب‌ها استفاده می‌کند .مهم‌ترین چالش در استفاده از الگوریتم پیشنهادی، انتخاب مقدار بهینه پارامتر گاما در محدوده ‮‭۲‬ الی ‮‭۵‬ می‌باشد که نیاز به آزمون و خطا دارد .این مسئله می‌تواند منجر به افزایش حجم محاسبات گردد .الگوریتم ‮‭UAEMA‬ از توابع اکسلرنس نامیزان برای شناسایی پارامترهای مودال استفاده می‌کند .با توجه به اینکه توابع مذکور از نرمال‌سازی جرم دینامیکی نسبت به جرم مودی بدست آمده‌اند، نیازی به دانستن جرم درجات آزادی سیستم دینامیکی) و درنتیجه نیروی ورودی (نیست .با این حال، بایستی توجه داشت که کاربرد الگوریتم ‮‭UAEMA‬ صرفا به تحلیل مودال سازه‌های تحت تحریک پایه محدود می‌شود .با توجه به اینکه روش‌های حوزه فرکانس از توانایی کافی در تخمین مقادیر میرایی برخوردار نیستند، در الگوریتم پیشنهادی، از یک رویکرد مؤثر مبتنی بر تبدیل موجک بهینه پاسخ‌های ارتعاش آزاد و نیز توابع همبستگی بدست آمده از پاسخ‌های ارتعاش محیطی به منظور استخراج اسکلت‌های مودی و تعیین مقادیر میرایی با استفاده از اعمال تکنیک کاهش لگاریتمی بر اسکلت‌های مذکور بهره برده شده است .همچنین، به منظور حذف خطاهای ناشی از دریافت غیرهمزمان سنسورها، از یک تکنیک مؤثر مبتنی بر اصلاح فاز توابع چگالی طیفی توان، جهت توسعه الگوریتم پیشنهادی استفاده شده است که با بکارگیری آن نیازی به دستکاری یا اصلاح مستقیم سیگنال نمی‌باشد .برای صحت‌سنجی روش پیشنهادی، یک مدل عددی ‮‭۵‬ درجه آزادی به کار گرفته شده است .نتایج بدست آمده از این مدل، به طور مفصل ارائه و با یکدیگر مقایسه شده‌اند .مقایسه نتایج نشان می‌دهد که تطابق خوبی بین مقادیر بدست آمده از شناسایی مودال و حل دقیق سیستم ‮‭۵‬ درجه آزادی تحت شرایط مختلف بارگذاری وجود دارد .علاوه بر آن، به منظور بررسی کارایی روش پیشنهادی در تعیین مشخصات دینامیکی سازه‌های عمرانی، سد قوسی کارون ‮‭۳‬ به عنوان مطالعه موردی انتخاب شده است .در مجموع شش مود ارتعاشی مبتنی بر رکوردهای لرزه‌ای سد قوسی کارون ‮‭۳‬ شناسایی شده‌اند که در محدوده بین صفر تا ‮‭۵‬ هرتز قرار دارند .نتایج نشان می‌دهند که فرکانس‌های طبیعی و اشکال مودی بدست آمده از هر یک از الگوریتم‌های پیشنهادی ‮‭WTOMA‬ و ‮‭UAEMA‬ مشابه و نزدیک به یکدیگر هستند .فرکانس پایه شناسایی شده به وسیله الگوریتم‮‭WTOMA‬ ، برابر با ‮‭۲/۲‬ هرتز می‌باشد که از تطابق خوبی با نتایج بدست آمده از الگوریتم ‮‭UAEMA‬ مبتنی بر رکوردهای لرزه‌ای مختلف برخوردار است .نسبت میرایی مربوط به مود پایه نیز ‮‭۲۳/۴‬ درصد می‌باشد که بر اساس اسکلت مودی مستخرج از تبدیل موجک بهینه محاسبه شده است

Modal identification plays an important role in assessing the structural health and examining the gaps between the structures under operating conditions and their design models by determining the modal parameters of structural systems, such as natural frequencies, mode shapes and damping ratios; therefore, its application is important and necessary in evaluating the actual dynamic behavior of the structural systems. In the present research, a comprehensive modal identification approach consisting of two new methods WTOMA (Weighted Transmissibility based Operational Modal Analysis) and UAEMA (Unscaled Accelerance based Experimental Modal Analysis) is presented in order to identify the modal parameters of linear time-invariant (LTI) structural systems. The proposed method is able to properly identify the modal parameters such as natural frequencies and mode shapes using effective techniques in the frequency domain. The WTOMA and UAEMA algorithms, which are respectively presented in the fields of operational (OMA) and experimental (EMA) modal analysis, identify the modal parameters of structural systems based on new effective transmissibility matrices. The matrices used in the proposed WTOMA and UAEMA algorithms are composed of the weighted transmissibility functions calculated by the superstructural records (output-only) and the unscaled frequency response functions obtained from vibrational records of superstructure and support (input-output), respectively. The most important feature of the algorithms is that the short length of records and the presence of frequency components caused by ambient excitations in the responses do not limit the ability of the proposed method to accurately extract the system modes. In order to correctly identify the vibrational modes of structural systems based on output-only data, the WTOMA algorithm uses an appropriate weight function for spectral filtering in the vicinity of the poles. The most important challenge in applying the proposed algorithm is to select the optimal value of the gamma parameter in the range of 2 to 5, which requires trial and error. This can lead to an increase in the amount of calculations. The UAEMA algorithm uses the unscaled Accelerance functions to identify the modal parameters. Considering that the functions are obtained from the normalization of dynamic mass relative to modal mass, there is no need to know about the mass of the degrees of freedom of dynamic system (and consequently input force). However, it should be noted that the application of the UAEMA algorithm is only limited to the modal analysis of the structures under base excitation. Considering that frequency domain methods do not have sufficient ability to estimate damping values, in the proposed algorithm, an effective approach based on optimal wavelet transform of free vibration responses as well as the correlation functions from ambient vibration responses is used to extract modal skeletons and determine the damping values by applying the logarithmic decrement technique on the skeletons. Also, in order to eliminate the errors due to asynchronous sensing of sensors, an effective technique based on phase correction of power spectral density functions is used to develop the proposed algorithm, which does not require direct manipulation or correction of the signals. A numerical 5DOF model is used to validate the proposed method. The results obtained from the model are presented and compared with each other in detail. Comparison of the results shows that there is a good agreement between the values obtained from modal identification and exact solution of the 5DOF system under different loading conditions. In addition, the Karun III Arch dam is selected as a case study in order to investigate the efficiency of the proposed method in determining the dynamic characteristics of civil structures. A total of six vibration modes are identified based on seismic records of Karun 3 arch dam, which ranges between 0-5 Hz. The results show that natural frequencies and mode shapes obtained from each of the proposed WTOMA and UAEMA algorithms are similar and close to each other. The fundamental frequency identified by the WTOMA algorithm is 2.2 Hz that has a good agreement with the results obtained from the UAEMA algorithm based on different seismic records. The damping ratio associated with the fundamental mode is also 4.23 that is calculated based on the modal skeleton extracted from the optimal wavelet transform

دامادی‌پور، مجید

تاری‌نژاد، رضا، استاد راهنما

امین‌فر، محمد حسین، استاد راهنما

سیاه و سفید

نمایه‌سازی قبلی