1403

CIV3 29

Hasan Najjar

شناسايي موقعيت، شدت و اثر ديناميكي آسيب در قوس‌هاي آجري نيم‌دايره و شاخ‌بزي با استفاده از آزمون مودال عملياتي و به‌روزرساني مدل المان محدود

دكتري

2025/10/08

251 ص .

مهرداد حجازي

قوس‌هاي آجري , قوس نيم‌دايره‌اي , قوس شاخ‌بزي , تحليل مودال عملياتي (OMA) , به‌روزرساني مدل اجزا محدود (FEMU) , شناسايي آسيب

This thesis investigates how damage alters the dynamic behaviour of Persian brick masonry arches using a three-level Structural Health Monitoring (SHM) framework: Level 1(damage detection) via frequency/damping shifts an‎d damage-detection indices; Level 2 an‎d 3 (localisation an‎d severity) via Finite-Element Model Updating (FEMU). Three case studies are examined: a brick masonry semi-circular arch, a pointed arch, an‎d a small-scale pointed arch. For the semi-circular arch, three controlled damage scenarios (left, right, centre) were introduced. Operational Modal Analysis (OMA) showed progressive frequency reductions with damage, with Mode 2 most sensitive (43%). Modal damping increased; Stochastic Subspace Identification (SSI) produced more stable estimates than Enhanced Frequency Domain Decomposition (EFDD). Dynamic parameters of the restored arch were identified over eight tests spanning 30 minutes to 14 days after the restoration had been completed. Frequencies stabilised after 24 hours, recovering by 13% relative to the damaged state. Damage-detection indices confirmed overall recovery (Modal Assurance Criterion (MAC), Normalised Modal Difference (NMD)), while Coordinate Modal Assurance Criterion (COMAC) indicated residual local deficits. In the small-scale pointed arch, sensor mass effects were pronounced; only three in-plane modes were reliably extracted, requiring mass an‎d stiffness corrections in modelling. A macro finite-element model was adopted for this specimen, whereas a micro model was developed for the full-scale pointed arch. Both approaches identified damage: macro-modelling was practical where information was limited, while micro-modelling yielded more precise local severity estimates when material data were available. For the full-scale pointed arches, three specimens were built: one undamaged, one with unilateral damage, an‎d one with bilateral symmetrical damage. The presence of damage resulted in a consistent reduction in natural frequencies, accompanied by noticeable changes in mode shapes. FEMU with thickness reduction as updating parameter localised damaged regions consistent with scenarios. The thesis contributes: (i) time-resolved evidence of stiffness recovery after restoration, (ii) demonstration of COMAC’s limitation for precise localisation an‎d the necessity of FEMU at Level 2, (iii) assessment of scale an‎d sensor-mass effects, an‎d (iv) guidance on indicator selec‎tion, sensor placement, an‎d modelling strategies for heritage arches. The findings validate the framework as an effective tool to detect, localise, an‎d assess damage an‎d restoration in brick masonry arches.

در اين رساله، تأثير آسيب بر رفتار ديناميكي قوس‌هاي آجري ايراني با به‌كارگيري يك چارچوب سه‌سطحيِ پايش سلامت سازه (SHM) بررسي مي‌شود: سطح 1 (تشخيص وقوع آسيب) بر پايهٔ تغييرات فركانس/ميرايي و شاخص‌هاي تشخيص؛ و سطوح 2 و 3 (مكان‌يابي و برآورد شدت) از طريق به‌روزرساني مدل اجزاي محدود (FEMU). سه مطالعهٔ موردي ارزيابي شده‌اند: يك قوس آجري نيم‌دايره، يك قوس شاخ‌بزي در مقياس كامل، و يك قوس شاخ‌بزي در مقياس كوچك. در قوس نيم‌دايره، سه سناريوي آسيب كنترل‌شده (سمت چپ، سمت راست، ميانه) اعمال شد. تحليل مودال عملياتي (OMA) كاهش تدريجي فركانس‌ها را با افزايش آسيب نشان داد؛ به‌طوري‌كه مود دوم بيشترين حساسيت را داشت (43%). ميرايي مودال افزايش يافت و روش شناسايي زير‌فضاي تصادفي (SSI) برآوردهاي باثبات‌تري نسبت به EFDD ارائه كرد. پارامترهاي ديناميكي قوسِ مرمت‌شده در هشت آزمون، از 30 دقيقه تا 14 روز پس از اتمام مرمت، شناسايي شد؛ فركانس‌ها حدود 24 ساعت پس از مرمت پايدار شدند و نسبت به حالت آسيب‌ديده حدود 13% بازيافت نشان دادند. شاخص‌هاي تشخيص آسيب، بهبود كلي را تأييد كردند (MAC، NMD)، در حالي‌كه COMAC به آسيب‌هاي موضعي باقي‌مانده اشاره نمود. در قوس شاخ‌بزيِ مقياس كوچك، اثر جرم حسگرها چشمگير بود؛ تنها سه مود درون‌صفحه‌اي با اطمينان استخراج شد و اين امر ضرورت اعمال تصحيحات جرم و سختي را در مدل‌سازي نشان داد. براي اين نمونه، مدل ماكرو به‌كار رفت، در حالي‌كه براي قوس شاخ‌بزيِ مقياس كامل، مدل ميكرو توسعه يافت. هر دو رويكرد در شناسايي آسيب موفق بودند: مدل‌سازي ماكرو در شرايط محدوديت اطلاعات كارآمدتر است، و مدل‌سازي ميكرو هنگام دسترسي به داده‌هاي مصالح، برآورد دقيق‌تري از شدت موضعي فراهم مي‌كند. در قوس‌هاي شاخ‌بزيِ مقياس كامل، سه نمونه ساخته شد: سالم، با آسيب يك‌طرفه، و با آسيب دوطرفهٔ متقارن. حضور آسيب به كاهش منظم فركانس‌هاي طبيعي و تغييرات محسوس در مودشكل‌ها انجاميد. در FEMU با درنظرگرفتن كاهش ضخامت به‌عنوان پارامتر به‌روزرساني، نواحي آسيب‌ديده به‌صورت سازگار با سناريوها مكان‌يابي شدند. دستاوردهاي رساله عبارت‌اند از: (1) ارائهٔ شواهد زمان‌مند از بازيابي سختي پس از مرمت، (2) تبيين محدوديت COMAC در مكان‌يابي دقيق و تأكيد بر ضرورت به‌كارگيري FEMU در سطح 2، (3) ارزيابي اثر مقياس و جرم حسگر، و (4) ارائهٔ راهنماي عملي براي انتخاب شاخص‌ها، آرايش حسگرها، و راهبردهاي مدل‌سازي در قوس‌هاي آجري تاريخي. نتايج، كارآمدي چارچوب پيشنهادي را براي تشخيص، مكان‌يابي، برآورد شدت آسيب و نيز پايش مرمت در قوس‌هاي آجري تأييد مي‌كند.

حسن طاهر نجار

993035002

مهندسي عمران - سازه

مهندسي عمران

148942

148943

7

148944

148945

148946

148947

148948

148949

148950

148951

148952

148953

Brick Masonry Arches , Pointed Arch , Operational Modal Analysis , Finite Element Model Updating , Damage Detection