بخشی از مقاله
چکیده
به فرآیند دستیابی به سطوح مختلف خرابی، "تشخیص خرابی" گفته میشود. یکی از حالات متداول خرابی در ساختمانها، ناشی از ترک، شکست، خوردگی یا عوامل مشابه میباشد و اثرات آن به صورت پدیده ناپیوستگی در سازه بروز مینماید. از مطمئنترین روشهای تشخیص خرابی در سازهها استفاده از آزمونهای لرزهای و پردازش سیگنالی است. وجود خرابی×بر×معادلات×حاکم×بر×حرکت سازه×تأثیرگذار×بوده و پاسخ×سازه آسیب دیده، بر خلاف سازه سالم،×نشأت×گرفته×از×یک معادله دیفرانسیل حرکت نخواهد بود.×این نکته سبب میشود هنگامی که پیشبینی پاسخ سازه آسیب دیده، با استفاده از یک سیستم فازی انجام گیرد، خطای چشمگیری بین پیش بینی فازی و پاسخ سازه رخ دهد.
راهکار تشخیص خرابی ارائه شده در این مقاله بر پایه همین فرض بوده و برای شناسایی ترک در سازههای برشی مورد استفاده قرار میگیرد. در صورت اعمال بار ضربهای به سازه برشی و محاسبه اختلاف بین دریفت حاصل از تغییرمکان ثبت شده سازه و پیشبینی فازی، در کلیه طبقات سازه برشی، میتوان طبقه ترک خورده را شناسایی کرد. روش تشخیص خرابی پیشنهادی بر روی سه سازه برشی پنج، هشت و دوازده طبقه پیادهسازی شده است که در تمامی موارد نتایج مطلوب بوده و نشان دهندهی اثربخشی روش میباشد.
-1 مقدمه
هنگامی که در اثر بارهای وارده یک ضعف در رفتار کل یا یکی از عناصر سیستم پدیدار میگردد، این ضعف خرابی نامیده میشود. خرابی بر معادلات حاکم بر حرکت سیستم تأثیرگذار است. از طریق مقایسهی یک سیستم سالم و آسیب دیده، میتوان به میزان و موقعیت ضعف حادث شده پی برد. به چنین فرآیندی تشخیص خرابی گفته می شود - Adhami, Ashtiani, Khanlari, . - Niromand, 2012 ت صمیمگیری برای ا ستفاده، ترمیم و یا عدم ا ستفاده از هر سازه که تحت بارهای دینامیکی قرار گرفته ا ست یک امر مفید و حتی ضروری میبا شد.
این ت صمیمگیری بر ا ساس موقعیت و میزان خرابی و برآورد درجه ایمنی سی ستم انجام میشود. از این رو بحث تشخیص خرابی یکی از مباحث پایه و مهم مهندسی است که ذهن بسیاری از محققین رشتههای عمران، مکانیک و هوافضا را به خود مشغول ساخته است. به طور کلی روشهای ت شخیص خرابی را میتوان در چهار سطح د ستهبندی نمود، این د ستهبندی در تحقیقات رایتر در سال 1993 دیده میشود :
سطح دو: سطح یک به علاوه تعیین موقعیت هندسی خرابی1 سطح سه: سطح دو به علاوه تعیین مقدار خرابی 2
سطح چهار: سطح سه به علاوه پیشبینی عمر باقیمانده سازه . - Rytter, 1993 - 3
تعیین موقعیت و محل تقریبی خرابیمعمولاً در خرابیهای زیاد امکانپذیر است، هر چند همواره احتمال وجود خرابیهای وسیع و خطرناک اما غیر قابل رؤیت وجود دارد. برای ارزیابی یک سیستم، روشهای تجربی کیفی و کمی وجود دارد. روشهای کیفی همراه با بازرسیهای چشمی 4بوده علاوه بر دقت کمتر، زمان نسبتاً زیادی را نیز لازم دارند و به همین جهت نمیتوانند برای تشخیص سریع خرابی مورد استفاده قرار گیرند. روشهای کمی نیز که شامل روشهای مبتنی بر آزمایشهای مخرب 5و آزمایش غیر مخرب 6از قبیل روش اکوستیکی، روشهای مافوق صوت، روشهای میدان مغناطیسی، رادیوگرافی و روش میدان حرارتی هستند، تنها قادرند خرابی را روی سطوح خارجی ساختمان و یا در نزدیک آنها تشخیص دهند،
لذا این موارد از عوامل م حدودکن نده روش های تجربی تشخیص خرابی می باش ند . - Adhami,Ashtiani,Khanlari,Niromand, 2012 - با تو جه به محدودیتهای روشهای تجربی باید روشهای کاراتر و جامعتری در این زمینه تعریف و تبیین شود. یکی از روشهای دستیابی به ت شخیص خرابی جامعتر، که خرابیهای کم را نیز شنا سایی کرده و به کمک آنها بتوان خرابیها را در کل سازه م شاهده نمود، استفاده از آزمونهای لرزهای و پردازش سیگنالی است.
عموم روشهای ت شخیص خرابی مبتنی بر آزمونهای لرزهای ه ستند، این آزمایشها به منظور بد ست آوردن پا سخ سی ستم بوسیلهی ورودیهای مشخص مورد استفاده قرار میگیرند. برای این امر حسگر7هایی در قسمتهای مختلف سیستم یا سازه تعبیه می شود تا پا سخ سی ستم در درجات آزادی مختلف را اندازهگیری نمایند. بدیهی ا ست که هر چه میزان این ح سگرها در سی ستم بیشتر باشد دادههای بیشتری برای تشخیص خرابی در دسترس خواهد بود و به تبع آن روند تشخیص، راحتتر و کاملتر صورت میگیرد؛ اما با توجه به بودجه و هزینه در نظر گرفته شده برای آزمونهای لرزهای، استفاده از حسگرها با محدودیت همراه خواهد بود؛ بنابراین باید استراتژی مناسبی جهت نصب مناسب و بهینه حسگرها صورت گیرد تا علاوه بر هزینه کمتر، روند تشخیص نیز مختل نشده و با توجه به روش تشخیص خرابی مورد استفاده، دادههای ورودی و خروجی به اندازه کافی موجود باشد.
یکی از موانع اصلی در تشخیص خرابی در سازه ها، "جعبه سیاه" بودن سیستم سازه است. بین واقعیت یک سیستم و مدل تعریف شده برای آن تفاوتهایی وجود دارد. سیستمها را براساس نوع پیچیدگی و مدل سازی تعریف شده برای آنها میتوان در چهار بخش طبقهبندی کرد. در بخش اول که به جعبه سفید موسوم است قوانین فیزیکی و مشخصههای سیستم معلوم هستند و تنها از تحلیل تئوری استفاده میشود؛ در بخش دوم - جعبه خاکستری روشن - قوانین فیزیکی حاکم بر سیستم و دادههای ورودی و خروجی روشن است ولی مشخصههای سیستم مجهول میباشند. بخش سوم - جعبه خاکستری تیره - همانند بخش دوم است با این تفاوت که در آن ساختار مدل نیز مجهول است.
در بخش چهارم - جعبه سیاه - فقط دادههای ورودی و خروجی معلوم است؛ در این بخش قوانین فیزیکی حاکم بر سیستم مجهول بوده و تحلیل با فرضیاتی از ساختار مدل صورت میپذیرد - Isermann, Munchhof, . - 2011 با توجه به پیچیدگیهای سازه ساختمانی، مجهول بودن مشخصههای جرم، سختی و میرایی، و همچنین فرض لزج بودن میرایی در معادله حرکت سازه، سازه ساختمانی یک سی ستم جعبه سیاه مح سوب میگردد. جعبه سیاه بودن باعث می شود ت شخیص خرابی در سازهها تنها بر ا ساس پا سخ ثبت شده بو سیله ح سگرها انجام شده و هیچ اطلاعاتی ب صورت پیش فرض در دسترس نباشد؛ این نکته فرآیند تشخیص خرابی در سازهها را دشوارتر خواهد کرد.
روش تشخیص خرابی پیشنهادی در این مقاله بر پایهی آزمونهای لرزهای و پردازش سیگنالی است و دستیابی به سطح دوم از فرآیند تشخیص خرابی را امکانپذیر میسازد. خرابی مدل شده در این پژوهش از نوع خاص ترک میباشد و مدلسازی آن بصورت یک مدل دو خطی سختی انجام شده است. در صورت وجود ترک در سازه، عملکرد سازه در فشار و کشش متفاوت خواهد بود. از این مسئله می توان نتیجه گرفت که برخلاف پاسخ سازهی سالم،پاسخ سازه آسیب دیده عملاً نشأت گرفته از یک معادله دیفران سیل حرکت نخواهد بود. این تفاوت به عنوان کلید روش ت شخیص خرابی پی شنهادی میبا شد. در ابتدای فرآیند ت شخیص خرابی، با استفاده از یک سیستم فازی، تابعی منطبق بر دادههای خروجی ثبت شده، تقریب زده میشود؛ سپس بر اساس این تابع، ادامه پاسخ سازه پیشبینی میگردد. در صورتی که سازه سالم باشد ادامه پیشبینی پاسخ به درستی انجام میشود، اما در صورت آسیب دیده بودن، این پیش بینی با خطا همراه خواهد بود.
-2 روش تحقیق
سه بخش اصلی جهت مدلسازی و پیادهسازی روش تشخیص پیشنهادی تحقیق حاضر، نوع سازه مورد بررسی، مدلسازی خرابی ترک و الگوریتم پیشنهادی تشخیص خرابی میباشد که در این بخش به آنها میپردازیم:
سازه تحت بررسی
روش تشخیص خرابی پیشنهادی بر روی سازههای برشی پیاده شده است. در سازههای برشی، تیر - سقف - صلب و دارای سختی بینهایت میباشد. در این نوع سازهها هر طبقه دارای یک درجه آزادی انتقالی میباشد و جرم طبقات بصورت متمرکز در وسط سقف هر طبقه قرار گرفته است - Chopra, 1995 - در شکل1 مدلی از یک سازهی برشی و در رابطهی1 معادله دیفرانسیل حرکت سازه نمایش داده شده است: در رابطهی1، m ماتریس جرم، c ماتریس میرایی، k ماتریس سختی و f - t - بیانگر بردار نیروی وارد بر سازه است. همچنین ̇ ، و ̈ به ترتیب پاسخ تغییرمکان، سرعت و شتاب سازه است.
-2-2 مدل سازی خرابی ترک
خرابی مورد نظر در این تحقیقات به صورت یک حالت موضعی مطرح و اثرات آن در رفتار سازه مورد بررسی قرار میگیرد. این حالت از خرابی در ساختمانها، متداول و ناشی از ترک، شکست، خوردگی یا عوامل مشابه میباشد و اثرات آن به صورت پدیده ناپیوستگی در رفتار سازه بروز مینماید. در اثر وجود این ناپیوستگیها، تغییرشکلهایی ناشی از باز و بسته شدن تناوبی ترکها - مود
