بخشی از مقاله
خلاصه
برای شناسایی وضعیت سازهای در پلها، نیاز است تا خصوصیات دینامیکی آنها از جمله اشکال مودی سازه تعیین شوند و مورد بررسی قرار گیرند. در اینجا، هدف بررسی و استخراج پاسخ پل ناشی از حرکت خودرو با استفاده از روش جداسازی کور منابع است. برای این منظور، خودرویی از روی پل عبور داده شده است تا به عنوان محرک عمل کند. از طرفی در مکانهای مختلف پل حسگرهایی نصب شده است. مقادیر ثبت شده توسط هر حسگر شامل ترکیبی از پاسخ پل و خودرو است.
جداسازی کور سیگنالها عبارت است از بازیابی سیگنال های مشاهده نشده از روی ترکیباتی از آنها که مشاهده شدهاند. برتری روش جستجوی کور منابع به سایر روشها، این است که نیازی به اطلاعات دقیق در مورد تحریکهای اعمال شده - ورودیها - ندارد و تنها با استفاده از بازتابهای اندازهگیری شده عمل میکند؛ به عبارت دیگر، روشی خروجی-محور است.
تحلیل مؤلفههای مستقل و شناسایی کور با استفاده از آمار مرتبهی دوم، دو الگوریتم اساسی روش مذکور هستند. پژوهش حاضر، امکان شناسایی اشکال مودی یک سیستم در زمینهی دینامیک سازه را به وسیلهی الگوریتمهای اساسی معرفی شده برای جستجوی کور منابع فراهم میکند. برای مقایسه و صحتسنجی نتایج بهدست آمده، از یک مثال عددی استفاده شده است.
در روش عددی، سیستم پل و خودروی عبوری به صورت تیر الاستیک سادهای که مجموعهی جرم و فنر بر آن سوار است، مدلسازی شده است. مقایسهی نتایج، بیانگر تطابق کامل اشکال مودی تعیین شده با استفاده از الگوریتمهای تحلیل مؤلفههای مستقل و شناسایی کور با استفاده از آمار مرتبهی دوم، با مقادیر واقعی است . نتایج بدست آمده نشان دهندهی توانایی، صحت و دقت مناسب روش جستجوی کور منابع در زمینهی دینامیک سازه است.
.1 مقدمه
نظارت بر سلامت سازههای عمرانی و تشخیص آسیبهای آن در مراحل اولیه، یکی از موضوعات مورد توجه همیشگی بوده است. اهمیت پلها بهعنوان گرههای ارتباطی در شریانهای حملونقل بر کسی پوشیده نیست. از اینرو بررسی خرابی در این سازهها به منظور ایجاد یک چرخهی تعمیر و نگهداری نیاز به توجه محققین دارد. در دهههای اخیر به دلیل افزایش حجم باری و ابعاد وسایل نقلیه، شرایط بارگذاری پلها تغییر کرده است. همچنین اغلب پلها با گذشت زمان دچار نقصهای سازهای شدهاند. بنابراین، بازسازی و افزایش طول عمر این سازهها، اهمیت موضوعات نگهداری و ایمنی را نشان میدهد .
به طور مرسوم، نگهداری پل اغلب متکی به روشهای بازرسی چشمی میباشد که در بیشتر موارد دقت کافی را ندارند و فقط آسیبهایی که قابل مشاهده هستند را تشخیص میدهند. بنابراین، ممکن است آسیب سازهای پلها ناشناخته باقی بماند. بسیاری از خرابیها به علت نبود اطلاعات ظرفیت سازهای روی دادهاند و پژوهشگران متعددی همچون چوپانیت و فرومسرن [1] معتقدند که بازرسی چشمی به تنهایی برای پایش سلامت پلها کفایت نمیکند. به همین دلیل، روشهای پایش سلامت سازهای - SHM - *، در حال تبدیل شدن به بخش بسیار محبوب سیستمهای مدیریت، تعمیر و نگهداری زیرساختها میباشند.
از آنجایی که SHM به تشخیص خودکار رفتارهای سازهای غیرعادی متکی میباشد؛ میتوان از ایمنی و دوام سازه در طول مدت خدمت آن اطمینان حاصل نمود .[2] یکی از معروفترین رویکردهای SHM، استفاده از دادههای ارتعاشی برای برآورد غیرمخرب آسیب است. روشهای شناسایی سیستم سازهای را میتوان، با توجه به اطلاعات اولیهی مورد نیازشان، به دو دسته تقسیم کرد. دستهی اول روشهایی هستند که به روشهای ورودی-خروجی معروف هستند و در آنها باید بازتابهای اندازهگیری شده - خروجیها - و همچنین تحریکهای اعمال شده - ورودیها - مشخص باشند.
دسته ی دوم روشهایی هستند که در آنها برای شناسایی سیستم، نیازی به اطلاع دقیق از تحریکهای ورودی نمیباشد، این روشها به روشهای خروجی-محور معروف میباشند. با توجه به اطلاعات اولیهی مورد نیاز در روشهای ورودی- خروجی، استفاده از این روشها مستلزم انجام تستهای آزمایشگاهی است که در آنها تحریک وارده قابل اندازهگیری و کنترل باشد. از طرفی به دلیل هزینهینسبتاً بالای اینگونه آزمایشها از یک طرف و ملاحظات ایمنی سازه از طرف دیگر، در دو دههی اخیر توجه محققین به روشهای خروجی محور جلب شده است.
رویداد آسیب در یک سازه موجب تغییر در خصوصیات فیزیکیاش میشود و در پی آن، تغییرات قابل ملاحظهای در خصوصیات دینامیکی سازه اتفاق خواهد افتاد. روش معمول برای تعیین خصوصیات دینامیکی سازهی پل، نصب حسگرهای ارتعاشی در مکانهای متفاوت روی پل و اتصال آنها به سیستم جمعآوری داده است
در این پژوهش نیز از این روش استفاده شده است به این ترتیب که، خودرویی با مشخصات معلوم از روی پل عبور داده میشود تا به عنوان محرک عمل کند و همزمان با عبور خودرو، حسگرهایی که در نقاط مختلف روی پل نصب شدهاند، پاسح دینامیکی حاصل از اندرکنش پل و خودرو را ثبت میکنند. پاسخ بهدست آمده شامل جابهجایی، سرعت و شتاب نقاط مختلف پل و خودرو است .
در این مقاله برای تخمین اشکال مودی، تنها از دادههای مربوط به شتاب نقاط مختلف پل که توسط حسگرها ثبت شده است، استفاده میشود. از آنجایی که، فقط دادههای خروجی در دسترس هستند، برای دستیابی به هدف مورد نظر که شناسایی اشکال مودی است نیاز به یک روش خروجی-محور میباشد. برای این منظور در پژوهش حاضر از روش جداسازی کور منابع - BSS - استفاده میشود.
.2 پایش سلامت سازه ای پل
در سال 1970، صنعت نفت به منظور تشخیص آسیب در سکوهای دریایی خود، از روشهای شناسایی آسیب مبنی بر ارتعاش استفاده کرد؛ در اواخر همین سال با گسترش شاتل فضایی، صنعت هوا-فضا نیز روشهای تشخیص آسیب براساس ارتعاش را مورد بررسی قرار داد. اوایل سال 1980، انجمن عمران مطالعاتی را در زمینهی تشخیص آسیب سازههای پل و ساختمان انجام داد. همچنین از سال 1990 برخی از دولتهای آسیایی قوانینی را مبنی بر این که شرکتهای مجری موظف هستند در مدت زمان معینی، گواهی سلامت پل را در طول خدمترسانی ارائه نمایند، مطرح کردند. همین امر تا حدودی موجب ارتقای پژوهش در زمینهی سیستمهای SHM برای پلها با دهانههای بزرگ شده است]
عملکرد سیستمهای SHM پل را می توان به 5 مرحله تقسیم کرد :[7]
1. استخراج دادهها با استفاده از حسگرهای مختلف؛
2. پردازش دادهها شامل: نرمالسازی، پاکسازی، ذخیره کردن و انتقال دادهها؛
3. تعیین مشخصات مودال سیستم؛
4. شناسایی - تخمین - آسیب سازه بر اساس مشخصات مودال سازه؛
5. تصمیمگیری برای ارزیابی موثر سازهی پل.
سیستم SHM یک مسئلهی خروجی-محور است و این میتواند یک نقطه ضعف محسوب شود، بنابراین محققان برای رفع این مشکل، دو رویکرد اصلی را مورد توجه قرار دادهاند: رویکرد اول، پیشرفت در زمینهی فنآوری حسگرها است - سختافزار، مربوط به مرحلهی 1و - 2 و دیگری، توسعهی الگوریتم تخمین آسیب و استخراج مشخصات دقیقتر با استفاده از خروجیهای اندازهگیری شده است - تجزیهی سیگنال، مربوط به مرحلهی 3و. - 4 تحقیق و پژوهش بر روی قسمت سختافزاری موجب ارتقای فنآوری حسگرها شده است، مانند حسگرهای فیبر نوری، شبکههای حسگر بیسیم و ساختار هوشمند و غیره. همچنین تحقیق بر روی استخراج مشخصه - مربوط به مرحلهی - 3 موجب شده است چند روش شناسایی سیستم خروجی-محور ایجاد شود از جمله: الگوریتم تجزیهی حوزهی فرکانس - FDD - *، الگوریتم پایش سیستم ویژه - ERA - و الگوریتم تجزیه به مودهای تجربی . - EMD -
.3 اندرکنش پل-خودرو
برای بیان اندرکنش پل-خودرو از مدل ریاضی خودروی تست عبوری بر روی یک پل ساده استفاده شده است. همانطور که در شکل 1 دیده میشود، خودرو به صورت یک سیستم جرم-فنر مدلسازی شده است. این سیستم متحرک شامل دو جرم است که با مجموعهای از فنرها و میراگرها به یکدیگر متصل شدهاند. m1 نشاندهندهی جرم بدنهی خودرو و سوار بر فنر است در حالیکه m2 بیانگر جرم چرخهای خودرو و در تماس با تیر است. پل نیز به صورت یک تیر ساده به طول L و جرم مخصوص m و صلبیت خمشی EI در نظر گرفته شده است.
