بخشی از مقاله
خلاصه
از اولین قدمها در پایش سلامت سازهها و مقاومسازی سازهها تعیین محل و شدت و نوع آسیب در سازهها میباشد. ترک، آسیبی است که اغلب در عضوهای سازهای رخ میدهد و ممکن است موجب گسیختگیهای جدی در سازه شود. برای کشف ترک روشهای غیر مخرب بسیاری، بر اساس تغییرات در مشخصات دینامیکی سازه - فرکانسها، شکلهای مودی، توابع انتقال و غیره - که ناشی از آسیب میباشد، موجود است. در این میان، روش تحلیل موجک بعنوان روشی قابل قبول از طریق مشاهدات عددی و آزمایشگاهی، مورد تایید واقع شده که بر پاسخ سازه آسیب دیده اعمال و محل آسیب بصورت اغتشاش در ضرایب موجک آشکار میگردد.
یکی از روشهای مهم، تحلیل موجک شکلهای مودی سازه است که بنابر مرور ادبیات این حوزه، علی رغم اینکه مطالعات متنوعی توسط پژوهشگران در این حوزه انجام شده اما این روشها برای تشخیص ترک در سازهها بهینهسازی نشدهاند و به نحوی که مطالعات حال حاضر پراکندگی زیادی دارند .
در این پژوهش با انجام روش تشخیص ترک در سازه تیر طره فولادی، با استفاده از تحلیل موجک بهینه شده برای تیر طره فولادی میپردازیم. تحلیل موجک را بر اساس شکلهای مودی مراتب بالای سازه انجام خواهیم داد. بدین ترتیب که بررسی مینماییم چه نوع تابع موجک و چه نوع روشی برای پایش ترک در تیر طره، بهینه است و نتایج مناسبتر را ارائه میدهد. در این پژوهش نشان میدهیم که روش پیشنهادی قادر است تا ترکهایی با فواصل مختلف از تکیهگاه طره را به خوبی تشخیص دهد. همچنین روش ارائه شده قادر است بیش از یک ترک بر روی تیر طره را نیز تشخیص دهد.
.1 مقدمه
در مبحث پایش سلامت سازهها، کشف آسیبها در سازهها جایگاه ویژه ای دارد. همچنین از اولین گامها در مقاومسازی سازهها تعیین محل و شدت و نوع آسیب در سازهها میباشد. ترک، آسیبی است که اغلب در عضوهای سازه ای رخ میدهد و ممکن است موجب گسیختگیهای جدی در سازه شود. برای کشف ترک روشهای غیر مخرب بسیاری، بر اساس تغییرات در مشخصات دینامیکی سازه - فرکانسها، شکلهای مودی، توابع انتقال و غیره - که ناشی از آسیب میباشد، موجود است. مطابق دانش ارتعاشات، تحلیل این تغییرات می تواند شناسایی ترک را ممکن سازد.
در مطالعه Dimarogonas و همکاران، به عنوان ایده ی اولیه، ترک را به صورت نرمیت موضعی مدل کرد و سختی معادل را توسط آزمایشاتی به دست آورده شد.[1] در مطالعه Gudmaunson، از روش اختلال - آشفتگی - برای پیش بینی تغییرات در فرکانسهای طبیعی ناشی از ترکها در سازه استفاده شد.[2] در مطالعه Rizos و همکاران، روشی را پیشنهاد دادند که برای استفاده از دامنه ی اندازهگیری شده در دو نقطه از تیر طره که در یکی از مودهای طبیعیاش میلرزد بکار گرفته میشود.
طیف این گزارشات روز افزون بوده است و همچنان از جمله چالشهای مورد توجه است. از اولین پارامترهای مورد استفاده در تشخیص سلامت سازهای، فرکانسهای طبیعی ارتعاش است که در آنها فرکانس طبیعی سازه موجود در محل و با استفاده از تجهیزاتی ویژه برداشت شده و سپس با فرکانس طبیعی سازه سالم مقایسه میگردد. در مطالعه Farrar و همکاران، وجود خرابی در پل را با استفاده از شناسایی تغییرات در فرکانس طبیعی مورد بررسی قرار دادند. آنها متوجه شدند در شرایطی که سختی یکی از شاهتیرهای اصلی به میزان قابل توجهی کاهش داشت، تغییر کمی در فرکانس به وجود آمده است. همچنین، در برخی موارد ممکن است برای تشخیص محل خرابی نیاز به تعداد زیادی از فرکانسهای طبیعی باشد که این امر در عمل مشکلات فراوانی را تولید خواهد نمود.
فرکانس طبیعی سازه یک مشخصه کلی سازه بوده و تنها قابلیت تشخیص وجود خرابی در سازه را خواهد داشت و هیچ اطلاعاتی در مورد محل یا شدت خرابی به دست نخواهد داد. روش دیگر، استفاده از شکل مودی است. تحقیقات انجام شده توسط West، جزء اولین تحقیقات بر روی تشخیص خرابی با استفاده از شکل مودی و بدون نیاز به مدلسازی اجزاء محدود بوده است. در این پژوهش همبستگی بین مودهای یکسازه، قبل و بعد از بارگذاری تعیین گردیده و از مقایسه بین آنها محل خرابی تشخیص داده شده است.[5] مطالعه Fox، نشان داد که روش ارائه شده توسط وست برای تشخیص برخی خرابیها دارای نقایصی است و لذا استفاده از نقاط بیشتر برای سنجش شکل مودی را پیشنهاد نمود.
در مطالعه Ratcliffe، مشخصه دینامیکی دیگری که مورد توجه قرار گرفته، انحنای مدی است. انحنای مدی در واقع معرف مشتق دوم شکل مودی است. انحنای مدی با کرنش سطح عضو مورد آزمایش در ارتباط میباشد و لذا با تغییر سختی در قسمتی از عضو به دلیل بروز خرابی، انحنای مدی نیز به طور محلی تغییر خواهد نمود.
روشهای گوناگونی در راستای بررسی و تشخیص تغییرات پاسخ سازه در هنگام آسیب، ارائه شده است که هر کدام دارای توانائیها و ضعفهائی هستند. از جمله روش تبدیل فوریه که اطلاعات مربوط به فرکانسهای موجود در یک سیگنال را ارائه میکند. در حالی که از زمان رخ دادن یک فرکانس خاص هیچ اطلاعاتی به دست نمیدهد. یک روش مفید برای این منظور، تحلیل موجک سیگنالهاست که مشکل مذکور را ندارد. تبدیلهای موجک قادرند بسیاری از جنبههای ناشناخته اطلاعات را که دیگر روشهای تحلیل سیگنال نمیتوانستند آشکار کنند، کشف کند.
ایده اصلی تشخیص آسیب توسط موجک چنین است که وجود آسیب در سازهها، میتواند در شکل مودی سازه سبب ایجاد نقاط تکین یا منفرد شود. مطالعه Banks و همکاران در سال 1996، از اولین مقالههای منتشر شده درباره کشف ترک با استفاده از روش موجک میباشد. این مقاله تلاش برای شناسایی ترک در تیر با تکیهگاه ساده ارائه شده است.
در مطالعه Loutridis و همکاران، روی شناسایی ترک دوبل در تیرها به کمک تحلیل موجک تحقیق کردند. بدین صورت که مود ارتعاش اصلی یک تیر طره ترک خورده دوبل را با استفاده از تبدیل موجک پیوسته تحلیل و موقعیت ترکها را ارزیابی کردند . برای تعیین موقعیت ترکها، از پاسخ جابجایی محاسبه شده تیر مورد بررسی، تبدیل موجک گرفته شد. تبدیل موجک برای مقیاسهای 1 تا 25 با موجک sym4 بعنوان موجک تحلیل کننده، انجام شده است. مشاهده شد که ضرایب تبدیل موجک، مقادیر بالایی را در محل ترکها نشان میدهند
در مطالعه Sherif و همکاران، از روشی مبتنی بر تبدیل موجک و محرکهای پیزوالکتریک برای شناسایی خرابی در پلها استفاده کردند. در این روش از دادههای حاصل از سیگنالهای ارتعاشی برای شناسایی خرابی در یک پل فولادی خطوط راه آهن استفاده شد. نتایج مدل ریاضی و تجربی پل نیز مورد مقایسه قرار گرفته است
در مطالعه Jeon و همکاران، به کمک تحلیل موجک یک روش شناسایی ترک در سازه دال فولادی ارائه شده است. و نتایج آزمایشگاهی حاکی از کارآیی بالای تحلیل موجک در این گونه مسائل است. روش آنها مبتنی بر یک الگوریتم پردازش تصویر توسط تحلیل موجک است که از تصاویر لایه مواد اکسید شده بر روی قاب، ترک را شناسایی میکند
در مطالعه Yong و همکاران، به شناسایی محل ترک در سازههای تیری پرداختند. آنها از تلفیق روش تحلیل موجک و بُعد فرکتال استفاده نمودند. در آزمایش خود از روش موجک برای تحلیل شکل مودال ترک استفاده نمودند و دریافتند که ترکهای کوچک قابل ردیابی نیست و نیاز به استفاده از بعد فراکتال میباشد. مطالعه خود را بر روی تیر طره انجام دادند و با شبیهسازی کارآیی روش خود را تصدیق نمودند
در مطالعه Abdulkareem و همکاران، به بررسی تشخیص آسیب در صفحه فولادی پرداخته شد. آنها از ترکیب از شکل های مودی سازه سالم و سازه معیوب استفاده کردند و از تحلیل به روش تبدیل موجک دوبعدی بهره بردند.
بیشتر تحقیقات گزارش شده مبتنی بر تبدیل موجک اختصاص به اولین شکل مودی دارد و حتی به 3 شکل مودی اول. این بیشتر به این دلیل است که شکل مودی مرتبه پایینتر بسیار آسانتر از مراتب بالاتر بدست میآید. در مطالعه Okafor و همکاران، سه شکل مودی آزمایشگاهی و شش شکل مودی عددی برای یک تیر طره توسط تحلیل موجک را بررسی نمودند. آنها نتیجه گرفتند که اولین و سومین مودهای عرضی محل آسیب را به وضوح نشان میدهند، اما دومین شکل مودی ناموفق میباشد، چون آسیب در جای خالی گذر از صفر برای شکل مودی دوم واقع میشود.
در مطالعه دیگری Gentile و همکاران، نشان دادند که آسیب ممکن است در محلهایی با حساسیت ضعیف برای شکلهای مودی معین رخ دهد. در نتیجه نه شکلهای مودی پایین و نه هیچ یک از مودهای بالاتر تکی نمیتوانند به صورت پیش فرض برای تشخیص آسیب مفید محسوب شوند. آنها همچنین بیان کردند که مودهای در دسترس یا شکلهای انعکاسی عملی میبایست بررسی گردند.
در یک مطالعه عددی توسط Castro و همکاران، روی کیفیت تشخیص آسیب بر حسب مرتبه مودهای ارتعاشی برای یک محور میلهای لرزان ارائه نمودند که در آن تاثیر مرتبه ی مودی روی تشخیص آسیب را فرموله کرده است. آنها بیان نمودند که شکلهای مودی مرتبه بالاتر برای تشخیص آسیب مناسبتر هستند و نتیجه گرفتند که مودهایی از جابجایی که گرهی نزدیکتر به آسیب از نوع سختی دارند، برای تشخیص در میله بهترین میباشند.
در مطالعه Rucka، تشخیص خرابی در تیر طره فلزی توسط تحلیل موجک با بررسی درجات بالای شکلهای مودال، انجام شده است. تحلیل مودال در درجات بالا بدلیل محدودیتهای فنی تا زمانهای اخیر بسیار مشکل و نشدنی بوده، درحالیکه مودهای درجات بالا حاوی اطلاعات مفیدی میباشد. با ظهور روش اسکن لرزهای با لیزر و فراهم شدن امکان تحلیل درجات بالاتر شکلهای مودی، این مقاله با بررسی شکلهای مودی از نوع مراتب بالاتربرای تیر طره، کارآیی تحلیل موجک را مطالعه نموده است. با بررسی هشت مود اول، موثر بودن تحلیل موجک پیوسته تصدیق شد. حتی در برخی مطالعات بصورت شبیه سازی تا ده شکل مودی هم ارائه شده است .
بنابر مرور ادبیات این حوزه، علی رغم اینکه مطالعات متنوعی توسط پژوهشگران در این حوزه انجام شده اما هیچ کدام از روشها برای تشخیص ترک در سازهها بهینهسازی نشدهاند و به نحوی که مطالعات حال حاضر پراکندگی زیادی دارند و محققان در متون این حوزه از موجکهای مختلف و بعضا با ویژگیهایی متضاد هم استفاده کردهاند. در این پژوهش قصد داریم با بررسی جامعتر با ارائه روش تشخیص ترک در سازه تیر طره فولادی، با استفاده از تحلیل موجک بهینه شده برای تیر طره فولادی بپردازیم. تحلیل موجک را بر اساس شکلهای مودی مراتب بالای سازه انجام خواهیم داد.
