بخشی از مقاله
چکیده
سازه های موجود در معرض خطرات عمده ای همچون افت کارایی سازه و خرابی آن می باشند. این مشکلات با خطرات طبیعی یا مصنوعی مانند زلزله و انفجار تشدید می شوند. از آنجایی که با زلزله بصورت دینامیکی و در فاصله زمانی بسیار کوجکی بر روی سازه اعمال می شود، از اینرو تحلیل دینامیکی از اهمیت بسیار بالایی برخوردار می باشد.
در این مقاله، سازه با استفاده از نرم افزار المانهای محدود ANSYS10 تحت آنالیز مودال قرار گرفته و فرکانسهای طبیعی و مود شکل های نمونه های سالم و معیوب بدست می آید. نتایج نشان می دهد که فرکانس در نمونه های معیوب کاهش می یابد. در ادامه با بکارگیری بار ضربه سازه تحت تحلیل دینامیکیِ گذرای غیر خطی قرار گرفته و با بررسی نمودارهای جابجایی - زمان، سرعت - زمان، شتاب - زمان و لنگر - زمان می توان تاثیر خرابی را در نمودارهای شتاب و لنگر - زمان بصورت تغییرات در دامنه شناسایی کرد.
-1 مقدمه
سازه های موجود در معرض خطرات عمده ای مانند: افت کارایی سازه و خرابی آن می باشند. این مشکلات با خطرات طبیعی یا مصنوعی مانند: زلزله و انفجار تشدید می شوند. آسیب های سازه ای موجب تغییرات نامطلوب در کارایی سازه می گردند. خرابی ها ممکن است بطور ناگهانی رخ دهند مانند گسیختگی یک المان در اثر بارگذاری زلزله یا از نوع رشد آسیب و بصورت پیشرونده مانند کاهش سختی و مقاومت در اثر رشد ترک باشد
بنابراین استفاده از روشهایی برای شناسایی خرابی مورد نیاز می باشد. در این راستا متدهای پایش سلامت سازه ها - Structural Health Monitoring - که به اختصار SHM نامیده می شود، موضوع تحقیقات پردامنه ای است که تاکنون انجام شده است.
در سال های اخیر نیز برای توسعه سیستم های قابل اعتماد و بهینه SHM کوشش های فراوانی شده است. این سیستم ها باید جوابگوی سوالاتی مانند محل آسیب و خرابی سازه ها باشند. که در اینصورت می توان به تمهیدات بعدی برای تعمیر و بهسازی سازه ها اندیشید. بطور کلی، SHM بصورت زیر تعریف می شود: »گردآوری، ارزشیابی و آنالیز اطلاعات تکنیکی به منظور تسهیل در تصمیم گیری های مدیریتی در طول عمر سازه.«
مهمترین نکته در طراحی یک سیستم SHM کارا، آگاهی از تغییرات مورد جستجو و نحوه شناسایی آنهاست. اثرات و مشخصه های خرابی در یک سازه خاص، نقش کلیدی را در تعریف و پایه ریزی یک سیستم SHM ایفا می کند. بیشتر روش های SHM، بر آنالیز مودال ارتعاشات و مطالعه تغییرات فرکانس های ویژه و شکل مودها توجه داشته اند.
آسیب ها و عیوبی از قبیل ترک، شکاف، کاهش جرم حجمی و کاهش ضریب الاستیسیته؛ موجب کاهش سختی می شوند. این مطلب همراه با افزایش زمان تناوب طبیعی سازه - کاهش فرکانس - خواهد بود. به نظر می رسد، بدلیل توزیع غیریکنواخت تنش در سازه مرتعش و تفاوت آن در هر مود، وجود ترک بر مودهای ارتعاشی تاثیری غیریکنواخت خواهد داشت. بر پایه این مسئله، روش های تعیین خرابی متفاوتی مورد ارزیابی قرار گرفته و کارایی هر یک با توجه به نتایج تئوریک و یا آزمایشگاهی مشخص شده است
در این میان، ترک ها از مهمترین دلایل شکست های سازه ای هستند که شناسایی و نمایان کردن آنها در زمره متدهای SHM قرار می گیرد. در این مسیر تلاش های فراوانی صورت گرفته است که در ادامه به تعدادی از این تجربیات اشاره می شود.
- الف - : نمونه سالم
- ب - : نمونه ترک خورده
شکل : 1 مشخصات سازه مدل شده
جدول.1 مشخصات محل و عمق ترک در نمونه های مدل شده
-3 آنالیز مودال و بررسی نتایج
در مراحل طراحی سازه ای وقطعات صنعتی که تحت تاثیر نوسانات به واسطه بارها ومحرک های ارتعاشی می باشند، آنالیز مودال کاملاً ضروری است. زیرا نوسانات در محدوده فرکانس طبیعی سازه، موجب افزایش دامنه نوسانی و در نتیجه از هم پاشیدگی قطعه می شود.
از آنالیز مودال جهت تعیین مقدار فرکانس طبیعی وشکل مود آن، در فرکانس مزبور استفاده می شود. مقدار فرکانس طبیعی هر سازه بستگی به شکل آن سازه، جنس وتکیه گاه های آن سازه دارد. در این نوع تحلیل هر گونه عوامل غیر خطی حتی در صورت تعریف، نادیده گرفته می شود. مهمترین گزینه های این تحلیل بعد از مدلسازی؛ تعداد فرکانس های طبیعی - مبین تعداد مودهای مورد نیاز برای استخراج - ومحدوده فرکانسی است که تحلیل در آن بازه انجام خواهد شد.
شکل: 4 تغییر شکل سازه در مود شکل سوم شکل: 5 تغییر شکل سازه در مود شکل چهارم
اولین تا چهارمین فرکانس طبیعی برای هر هفت نمونه در جدول 2 آمده است. همچنین تغییرات فرکانسی هر مود در تمامی نمونه ها در شکل 6 مورد بررسی قرار گرفته است. همانطور که شکل نشان میدهد با افزایش عمق ترک و نیز افزایش تعداد ترک، مقادیر فرکانس ها کاهش می یابد. که این کاهش فرکانسها، از مود سوم به بعد بسیار محسوس می باشد که این تغییرات بصورت یک ناهماهنگی در نمودار مشخص می باشد.
جدول : 2 نتایج چهار فرکانس طبیعی اول نمونه ها
