砌体拱集中位移绘图的交互式软件研究" (20字)

软件X 19（2022）101154原始软件出版物砌体拱集中位移绘图的交互式软件Yu Yuana，Gabriel Stockdaleb，Gabriele Milania，a建筑系，建筑环境和建筑工程，米兰理工大学，达芬奇广场，32，20133米兰，意大利bMassimo Methods，Inc.，11034 Crescent Drive，Nevada City，CA 95959，美国ar t i cl e i nf o文章历史记录：2021年12月24日收到收到修订版，2022年3月27日接受，2022年保留字：男尊同应廉价快速的监控系统MATLABGUIa b st ra ct拱门是砖石建筑遗产的重要组成部分，也是基础设施用于桥梁和涵洞。砌体拱的性能测试和结构健康监测需要有效的测试方法。在这方面已经有很多的检测方法，其中基于视觉的无损检测方法非常有吸引力。然而，在这方面，随着对测量精度和范围的要求的增加，劳动力和经济成本扩大到不经济的水平。一种新颖的，廉价的，快速的测量策略，直接专注于砌体拱的机械故障已经开发出来。这种称为行为映射（BM）的策略是基于单应性的，不需要高精度的相机或广泛的实验设置。在BM的概念验证开发过程中，一个大规模的干堆拱由于弹簧位移而反复倒塌。这产生了大量的数据，需要开发基于MATLAB®的图形用户界面（GUI）。这篇文章的目的是介绍图形用户界面和附带的数据的目的是提供教育洞察到砌体拱的行为。这些集成在GUI中的教育实验案例提供了更好地理解干石拱在脚位移下的失效机制的可能性，以及容易识别机械接头的发生和确定变形的值。该GUI还可以适用于不同的牙弓配置，以及进一步的实时监测。©2022作者（S）。由爱思唯尔公司出版这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。代码元数据当前代码版本V1此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-22-00013Code Ocean computecapsule法律代码许可证MIT许可证使用的代码版本控制系统使用的软件代码语言、工具和服务MATLAB 2021 b编译要求、操作环境依赖性MATLAB 2021 b如果可用开发人员文档/手册链接无问题支持电子邮件gabriel@masonrymethods.com1. 动机和意义1.1. 背景清真寺建筑在世界各地广泛分布。它们构成了建筑遗产的主要部分，*通讯作者。电子邮件地址：gabriele. polimi.it（Gabriele Milani）.https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101154至今仍在使用。曲线砌体构件作为一种有效的承重结构形式，具有十分重要的作用。 曲线砌体结构的行为仍需进一步了解，实验分析提供的数据是进一步了解的基础，也是支持分析或数值方法发展的基础[1，2]。另外，由于砌体结构本身存在的损伤和敏感性，对砌体结构的健康监测和进一步保护显得尤为重要2352-7110/©2022作者。由爱思唯尔公司出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxYu Yuan，Gabriel Stockdale和Gabriele Milani软件X 19（2022）1011542×××#36825;的改造工作[3]。为了满足这些要求，一种有效和经济的测量方法是必不可少的。在众多的测量方法中，无损检测（NDT）是非常有吸引力的。无损检测方法包括基于液体渗透、热成像、射线照相、超声波、视觉检测等的方法[5]。目前，已有很多基于视觉的技术应用于砌体拱，由于简单和灵活的优点[6]。例如，摄影测量已被应用于收集现有建筑物的几何信息和损伤分布[7-当然，当试图获得更精细的结果时，测量和后处理的成本增加，导致不经济的项目。一种新的高效经济的基于视觉的措施-已经介绍了基于圬工拱块之间的潜在刚体运动制定的位移策略[15]。在初步的概念验证阶段，这一策略被应用到一个比例模型的干石拱，反复受到水平弹簧位移崩溃。为了处理产生的大量数据，在MATLAB中开发GUI以全局格式和关节特定格式的变形计算记录实验的它允许在实验中产生的数据的有效评估，并因此提供了一个很好的教育机会，为学生在理解和分析的干石砌体拱受到水平弹簧位移的力学1.2. 衡量战略GUI中显示的结果是通过一种新的策略生成的，旨在监测和识别圬工拱的机械运动。一般的策略是通过在每个关节周围应用4 -4点网格来计算两个刚性块之间的潜在相对运动的固定集合。然后，通过一系列的规模拱试验验证了这一策略的初步概念验证阶段。以下对测量计算的在文献[15]中可以找到全面的描述。基于稳定性设计和刚性无张力模型，两块体之间有八种可能的变形变形包括旋转（顶部旋转和底部旋转），滑动（右滑动和左滑动），以及如图1所示的两者的四种组合。这些变形可以通过施加在接合线周围的点集的矢量长度和点积这些测量是通过将4 × 4网格平行、垂直和对称于接合线来实现的。如示于图1，滑移定义为两块体沿节理线方向的相对位移（δ），在由原始点和变形点网格组成的三角形中，可以很容易地用勾股定理确定旋转角度可以通过由点集形成的矢量的点积来确定。应用两种旋转计算方法：（1）在变形之前和之后由相同点对生成的两个向量之间的点积计算;以及（2）在变形之后生成的两个向量之间的点积计算。由于点积的结果不受矢量位置的影响，因此对于组合变形，计算方法可以相同，首先计算滑移，然后计算潜在旋转角。由于采用了44点网格，矢量选择的点对组合，用于计算导致重复计算的旋转角度或位移。总共进行了16次滑动位移的独立计算和160次旋转角的独立计算。这种冗余对于提高结果的准确性是非常有益的，特别是对于对测量精度非常敏感的角度计算在建立了上述理论基础之后，接下来的问题是从视频记录中提取有用的信息用于变形计算。这一问题通过应用物体跟踪得到在MATLAB®中建立了从视频中获得测量变形的程序，并总结如下：(1) 将视频帧转换为二值图像：在转换过程中，通过基于颜色阈值的掩码来提高(2) 识别和确定初始帧中的网格点：转换后的二进制图像中的圆形标记通过基于斑点属性的掩码进行过滤。(3) 从一帧到另一帧跟踪点：跟踪可以通过MATLA B®计算机视觉系统实现[16]。最小分配成本标识网格点的进展。(4) 传送坐标：然后通过单应性变换[ 17 ]将点从图像坐标平面投影到局部笛卡尔平面，该单应性变换可以通过MATLAB[ 18 ]中提供的fitgeotrans函数轻松构建。(5) 执行变形计算：如上所述，所有计算都是瞬时进行的，然后可以通过变量的方差来确定变形类型，这将在第3.1节中举例说明。更详细的测量原理和验证见文献[15]。本文1.3. 缩尺拱试验为了验证和证明测量策略的有效性，一个比例模型的干石拱受到水平弹簧位移的力学破坏过程进行了记录。刻度拱由11个通过3D打印制造的相同块组成，净跨度为268 mm，高度为81 mm。在块的侧面粘上砂纸片，以防止任何滑动。将具有测量点的掩模粘在每个块的表面拱和应用点网格的详细尺寸如图所示。 二、足弓的机械失效是由右脚手动施加水平位移并由标尺参考触发的。左脚保持非固定。通过位于牙弓三个不同位置的手机摄像头记录了故障传播（见图1）。2）的情况。 总共进行了六次测试，四次在A点，一次在B点和C点。将这些测试生成的数据集成到GUI中。有关实验设置和执行的更详细描述，请参阅文献[15]。2. 软件描述2.1. 软件构架应用该策略，记录Yu Yuan，Gabriel Stockdale和Gabriele Milani软件X 19（2022）1011543图1.一、刚 性 块 体 变 形 的 识别与计算策略。图二. 比 例 拱 的 实验方案：（a）块和拱的尺寸;（b）相 机 的 位置。在整个故障过程中（即，每个关节16分，测试拱的10个接头）。除了关节的旋转和滑动变形之外，另一种类型的机械故障的直观指示器也可以是有用的，即关于关节的对称点对外部点集的平均长度（即，图1和图4中的第1列和第4列的点 1）被命名为ID长度1，并且内部（即，图1中列2和3的点）分别作为ID长度2。如图3.用户可以通过以下交互组件（由实线框表示）选择要显示的测试和测量结果：(1) 下拉菜单1：选择要加载到界面(2) 下拉菜单2：选择要检查的测量结果类型(3) 关节按钮：在全局结果之间切换（未按下），如图所示。 3（a），和更详细的联合具体结果（按，图。 3（b））如图所示。 3（b）(4) 切换按钮：播放和暂停视频(5) 滑块：跟踪和/或选择当前显示的帧随着用户的不同选择，绘图窗口和数据表（由虚线框指示）将以不同的显示进行响应：(1) 绘图窗口1：显示所选测试的当前帧;或如果“切换按钮”处于“播放”状态，则播放视频(2) 绘图窗口2：显示所选测试的所有接头的指定测量结果;或按下接头按钮时显示一个接头的测量结果及其方差。垂直的黑色虚线条Yu Yuan，Gabriel Stockdale和Gabriele Milani软件X 19（2022）1011544图3.第三章。GUI布局：（a）初始界面;（b）按下关节按钮的界面。指示当前帧在绘图窗口1中的位置;(3) 关节数据显示表：显示当前帧下各关节的测量结果。2.2. 软件功能本文所介绍的GUI旨在方便用户确定变形值，以及更好地了解砌体拱的机械接缝的形成，六个测试的结果直接集成到GUI代码中。为了包括采用相同测量策略的其他测试，在编程GUI代码时，需要添加或替换文件路径，包括视频和MATLAB数据文件，该文件以特定顺序存储从行为映射获得的变形计算[15]。用户可以选择显示所有接头的变形直至失效，或显示特定接头的变形和变化，从该变形和变化可以区分机械接头和变形类型。有必要开发这个GUI，以实际顺序存储和显示这些大量数据，并允许用户方便地查看和严格检查结果。总的来说，可以实现以下功能，下一节将举例(1) 确定了拱的力学节点和拱在力学破坏下的变形类型。(2) 从关节表中随时确定每个关节的变形值（旋转或滑动）(3) 从视频或变形曲线中识别拱的倒塌时刻和形态3. 说明性实例3.1. 机械接头和变形机械关节可以很容易地从视频或所有关节的变形图中识别出来。如图图4（a）中，接头6（用浅蓝线表示）与其他接头相比，在所有变形图中都有明显的变化。即使在视频中关节的开口在视觉上不明显，变形值也准确地记录在表格和曲线中。而对于非机械接头，Yu Yuan，Gabriel Stockdale和Gabriele Milani软件X 19（2022）1011545见图4。 机械连接和变形类型的识别示例：变形与试验1的（a）所有接头和（b）接头6的框架图变形值和方差将保持在恒定值附近可以从数据显示表中读取每个关节的精确变形值，或者通过单击曲线上的某个点，将显示变形值和帧编号 应注意，图形窗口的一般MATLAB®功能保留在GUI界面中。因此，可以缩放和拖动绘图，以便于观察视频或曲线的更多细节。一旦识别出机械接头，就可以通过比较该单个接头的变形曲线来识别接头的变形类型。如图4（b）可以可以确定接头6的变形类型是旋转。得出此结论是因为旋转测量的方差（由蓝色条表示）是恒定的， 其他变形类型持续增加，Yu Yuan，Gabriel Stockdale和Gabriele Milani软件X 19（2022）1011546表1通过引入的GUI识别机械接头在整个测试过程中的变化。这表明计算不准确，并将测量结果识别为错误。3.2. 机械故障从结构力学的角度来看，拱的典型破坏是四个铰的形成，结构系统的稳定性丧失[19，20]。在缩尺拱试验中，在右脚处施加水平位移以触发失效。考虑到试验设置排除了块体之间的滑动，为了适应在完全倒塌之前弹性的增加，必须有两个铰链分别在内拱和外拱处打开这种情况下，当拱仍然可以站在即使有一些关节Yu Yuan，Gabriel Stockdale和Gabriele Milani软件X 19（2022）1011547图五. 试验3中机械接头的改造。开放在表1中被称为当第三个铰链打开（表1中称为稳定和故障情况示意图见表1。拱的失效可能非常迅速地发生，并且从“稳定”状态转变没有明显的警告信号，但是GUI允许对机械接头进行逐帧评估。绘图窗口的缩放功能也为视频和数据的更详细检查提供了便利将其与完整的变形曲线相结合，提供了一个非常全面的拱性能分析模型。对于每个测试，表1中总结了分别显示稳定和失效状态的两个帧。对于测试2，可以从测试开始通过变形曲线直接识别两个在其余的试验中，只有一个铰链出现在沉降的早期阶段。通过观察放大的视频，可以注意到左足弓脚已经旋转，形成另一个旋转铰链，表示为通过围绕某个关节出现突然变形的时刻逐帧播放视频，可以观察到在拱形出现第二个铰链后，第一个通过图上的指示条，通过故障周围曲线的巨大上升，可以很容易地确定故障时间最终导致坍塌的机械接头并不一定出现在之前的破坏发展中。例如，在表1中引用的测试2中，可以看出，当接近塌陷时，蓝线（表示接头（1））下降，而橙线（表示接头（2））快速增加。在视频中，它显示块2已经旋转，并且机械关节已经从关节1转移到关节2。在拱失效后，测量曲线显示出一些与视频中块体运动不一致的变形。故障发生得如此之快，以至于测量方法无法再准确地跟踪标记点，从而导致错误的计算。对应于视频帧的实时计算提供了被测试拱的非常详细的行为。图中的红色圆圈。5、接头2（橙色线表示）在短时间内的小变形（小于5度的旋转）也可以记录并反映在图中。关节1和关节2的旋转变形在选定帧处表现出相反的行为，因为它们都是由第二块的移动。测试5的另一个例子如图所示。 6（a），其中机械接头10的旋转增加不像在其它测试中那样明显。这里，该关节的旋转值在增加之前首先减小。结合放大视频可以发现，当拱架处于初始位置时，在关节10处存在未闭合的旋转角度的方向没有标记，因此，当发生旋转时，需要首先补偿原始开口。类似的情况也出现在测试3中。4. 影响本文中介绍的GUI提供了一种方便的方法来评估通过为砌体拱设计的新测量策略计算的变形。测量策略的新颖性在于表征砌体拱在接缝处的机械失效。与单应性的应用一起，该方法提供了通过有限数量的标记和单个相机进行监测的可能性。变形的发展和机械接头的发生可以很容易地从GUI以及包括变形、方差和时间的详细值中识别通过同时呈现视频和变形图，用户可以研究和探索干石拱在水平弹性位移下的详细行为。这导致在图形用户界面举行教育意义的工程师感兴趣的砌体拱行为。在此图形用户界面的基础上，结果显示也可以很容易地适应不同配置的砌体拱。 对于当前版本，结果已集成到GUI直接，但也有可能在与视频跟踪和变形计算方面完全集成后，将同一平台转换为实时监控GUI。在这样的应用前景下，由于会出现大量的数据，开发这种图形用户界面是必要的5. 结论本文介绍了一个图形用户界面，通过一种新的测量策略记录的水平弹簧位移的重复倒塌的规模砌体拱的机械变形。该策略是一种基于视觉的非破坏性方法，可以通过标记在Yu Yuan，Gabriel Stockdale和Gabriele Milani软件X 19（2022）1011548见图6。（ a）测试5和（b）测试3的接头10的旋转。块表面。该图形用户界面允许用户方便地检查结果，并了解干石拱的机制。由于砌体拱系统的破坏的复杂性，该图形用户界面作为一个宝贵的资源，为年轻的研究人员和学生开始他们的研究问题。这种策略的潜力，作为一个廉价和快速的监测系统，现有的砖石拱也存在和扩展的意义，图形用户界面，为将来不同拱型的实时监测提供了一个监测界面和预警系统。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢余媛感谢国家留学基金管理委员会为她在意大利米兰理工大学攻读博士学位附录A. 补充数据与本文相关的补充材料可以在https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101154上找到。引用[1] Sarhosis V，de Santis S，de Felice 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