ارائه یک روش ابتکاری برای تشخیص آسیب در تیرهای عرشه پل‌های فولادی و بتنی با ترکیب پاسخ‌های جابه‌جایی-زمان حسگرها و تبدیل موجک گسسته (DWT) و ارائه روشی جدید برای تعیین مؤثرترین مکان‌های نصب حسگرها.

نوع مقاله : پژوهشی اصیل (کامل)

نویسنده
دانشگاه تربیت مدرس
10.48311/mcej.2026.123226.82952
چکیده
در این پژوهش با ابتکاری جدید از طریق ترکیب پاسخ جابه‌جایی-زمان حسگرها و تبدیل موجک گسسته، آسیب و تعیین موقعیت دقیق آن شناسایی شده و سپس روشی نوین برای تعیین مؤثرترین مکان نصب حسگرها با هدف کاهش تعداد آن‌ها ارائه شده است. این رویکرد که بر پایه استخراج شاخص «اختلاف انرژی نرمال‌شده موجک‌ها» از طریق مقایسه پاسخ‌های سازه در دو حالت سالم و آسیب‌دیده تحت عبور بار متحرک بنا شده، در نهایت منجر به ارائه یک راهکار عملی و اجرایی برای ابزارگذاری مؤثر در پروژه‌های پایش سازه گردیده است. برای این منظور، دو پل « میل پاند پادر » (تیر فلزی) در آمریکا و «عباس‌آباد» (تیر بتنی) در ایران مدل‌سازی شده‌اند. ترک‌های خستگی بر اساس شناسایی نقاط بحرانی با استفاده از تحلیل تنش تحت بارهای آیین‌نامه آشتو و نشریه ۱۳۹ در سه سناریوی بحرانی (شامل نواحی تکیه‌گاهی و وسط دهانه) با کاهش سختی در المان‌ها مدل‌سازی شدند. پاسخ جابه‌جایی-زمان عرشه تحت عبور بار متحرک با سرعت ثابت توسط روش شبه دینامیکی استخراج و مورد تحلیل «تبدیل موجک گسسته» قرار گرفت. با استناد به «اصل سن‌ونان» و «تئوری تیرها»، در نزدیکی محل وقوع ترک در بال، «جان تیر» به‌دلیل تغییرات شدید در توزیع تنش، آسیب را بهتر نشان می‌دهد، در حالی که در فواصل دورتر، «بالِ موافق با آسیب»، پاسخ قابل‌ تشخیص‌تری ارائه می‌دهد. این رویکرد منجر به تدوین فلوچارتی عملیاتی و جامع جهت پایش سلامت پل‌های واقعی با تعداد محدود حسگر شده است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

An innovative bridge deck girders damage detection approach by combining sensor displacement-time responses and Discrete Wavelet Transform (DWT), and proposing a novel method to determine the most effective sensor placement locations.

نویسنده English

farhad daneshju
Tarbiat modares university
چکیده English

An innovative bridge deck girders damage detection approach by combining sensor displacement-time responses and Discrete Wavelet Transform (DWT), and proposing a novel method to determine the most effective sensor placement locations.



Abstract



Over time, bridge structural members, particularly their steel and concrete girders, experience a reduction in stiffness, fatigue cracking, and localized damage due to environmental factors (such as temperature fluctuations, humidity, and corrosion), dynamic loads from passing vehicles, and potential design or construction flaws. A fundamental challenge in bridge structural health monitoring (SHM) is the accurate and timely detection of damage under actual operating conditions and moving loads. This study introduces an innovative approach combining sensor displacement-time responses with the Discrete Wavelet Transform (DWT) to detect damage and pinpoint its exact location; furthermore, a novel method is proposed to determine the most effective sensor placement, aiming to minimize the total number of sensors required.



This study introduces a novel approach that identifies damage and pinpoints its exact location by combining sensor displacement-time responses with the Discrete Wavelet Transform; it further proposes a new method to determine optimal sensor placement aimed at minimizing the number of sensors required. Based on the extraction of a "normalized wavelet energy difference" index—derived from comparing structural responses in healthy and damaged states under a moving load—this approach ultimately provides a practical, implementable solution for effective instrumentation in structural health monitoring projects.



To this end, two bridges—the Mill Pond Powder bridge (steel girder) in the USA and the Abbas-Abad bridge (concrete girder) in Iran (designed by the author)—were modeled using CSI Bridge software; the validity of these models was confirmed by comparing results with previous studies and field load test data from similar systems, respectively. To realistically simulate damage, fatigue cracks were modeled by reducing element stiffness at critical locations—identified through stress analysis under AASHTO and Publication 139 code loads—across three critical scenarios (including support regions and mid-span). The deck's displacement-time response under a constant-speed moving load was extracted using a pseudo-dynamic method and subsequently analyzed via the Discrete Wavelet Transform (DWT) using a custom code developed in MATLAB.



The algorithm developed in this environment, featuring automated analysis capabilities, evaluates various defined mother wavelets and decomposition levels, ranking them from highest to lowest based on the "normalized energy difference" between the healthy and damaged states. In this process, maximizing this difference serves as the primary criterion for selecting the optimal configuration, as higher values indicate greater damage clarity and a superior ability to distinguish responses, thereby yielding the most accurate results. The findings demonstrated that the precise location of the damage can be identified by ranking the "wavelet normalized energy difference" values and analyzing the timing of the index's peak relative to the load speed.



Furthermore, the analysis of the behavior at various points along the deck yielded a key insight regarding sensor placement: based on Saint-Venant's principle and beam theory, the beam web—located near the site of a flange crack—reveals the damage more clearly due to drastic changes in stress distribution, whereas at greater distances, the flange on the same side as the damage provides a more discernible response. This approach has led to the development of a comprehensive, operational flowchart for the health monitoring of actual bridges using a limited number of sensors.

کلیدواژه‌ها English

Health monitoring
bridge decks
steel girders
concrete girders
wavelet transform
sensor placement

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 06 آبان 1405