بخشی از مقاله
چکیده
امروزه استفاده از الگوریتم های مبتنی بر هوش مصنوعی در زمینه عیب یابی سازه ها مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است.در این تحقیق،جهت تشخیص عیب در سیستم های سازه ای از یک الگوریتم هوش مصنوعی جدید استفاده شده است.بدین منظور روشLS-SVM برای طراحی سیستم عیب یابی هوشمند سازه ها مورد استفاده قرار گرفته است.وظیفه سیستم عیب یاب،شناسایی محل و میزان آسیب در سازه هاست.در این تحقیق آسیب در سازه ها توسط کاهش در مدول یانگ مدل شده است.
همچنین از تغییرات فرکانسهای سه مود اول و داده های پاسخ فرکانس به عنوان ورودی سیستم عیب یاب استفاده شده و به منظور ارزیابی عملکرد روش پیشنهادی،دو مثال عددی تیر با دو تکیه گاه مفصلی ثابت در دو انتها و خرپای دو بعدی ساختمانی با سه تکیه گاه مفصلی ثابت در ابتدا،وسط و انتها ، با استفاده از نرم افزارهای Excel و Matlab 2013 حل شده است،نتایج بیانگر دقت ماشین عیب یاب LS-SVM جهت عیب یابی سازه ها می باشد.
-1 مقدمه
خطرات و خسارات مالی و جانی ناشی از رخداد خسارات ناپیدار درسازه ها، تحقیقات صورت گرفته درزمینه عیب یابی براساس پاسخ های استاتیکی و دینامیکی سازه ها را پررنگتر نموده است.علاوه بر آن شناسایی آسیب سازه ها به کمک روش های عیب یابی، می تواند شرایط لازم را جهت جلوگیری از گسترش آسیب و افزایش عمر سازه ها فراهم نماید.
روش های مختلفی برای تعیین مکان و شدت آسیبهای سازه با استفاده از تغییرات پاسخ های سازه ای وجود دارد که تابع پاسخ فرکانس - FRF - یکی از آن ها می باشد.این روش در مقایسه با روشهای سنتی مودال نتایجی با اطمینان بیشتر دربردارد. تابع پاسخ فرکانسی، طبق تعریف، تابعی است که پاسخ دینامیکی سازه به تحریک متناوب خارجی را بصورت تابعی از فرکانس بارِ وارده بیان می کند.
این پاسخ می تواند کمیت هایی گوناگون مانند جابجایی، شتاب، نیروها و تنشهای داخلی را، به عنوان انواع پاسخهای دینامیکی سازه در دسترس قرار دهد. کاهش مدول یانگ در اعضای سازه باعث تغییراتی در فرکانسهای طبیعی،مودشکلها و تغییرشکل استاتیکی آن خواهد شد.در زمینه عیب یابی سازه ها بر اساس مشخصات دینامیکی تحقیقات زیادی صورت گرفته است.کاولی و آدامز اولین کسانی بودند که به شناسایی آسیب با استفاده از روشهای دینامیکی پرداختند . آنها در سال 1979 یک فرمولبندی برای پیدا کردن آسیب در مواد کامپوزیت بر اساس اطلاعات فرکانسهای طبیعی تهیه کردند.
یوئن نیز در سال 1985 رابطه ی بین محل و مقدار آسیب در اثر تغییرات مقادیر و بردارهای ویژه برای یک تیر کنسولی ارائه داد. او در این مطالعه فرض کرده بود که آسیب در سازه فقط روی ماتریس سختی تاثیرگذار است.در سال 1994 کو و همکارانش روشی بر اساس آنالیز حساسیت و تحلیل مودال برای سازه های فولادی ارائه نمودند.
روش منحنی تغییرات FRF یکی از روشهای مبتنی بر نتایج اطلاعات FRF بوده که تفکر اولیه آن در سال1999 توسط سمپایو و همکارش ارائه شد [4] .در این روش محل آسیب در سازه هایی با چند محل خرابی قابل تشخیص بوده که از مزایای آن بشمار میرود.در واقع این روش تعمیم یافته روشی بود که در سال 1991 توسط پندی و همکارانش براساس منحنی اشکال مودی ارائه شده بود
.همچنین در سال 2002 روشی توسط لی و شین بر اساس تابع پاسخ فرکانس جهت شناسایی آسیب در سازه یک تیر ارائه گردید که در آن ،آسیب در عرض تیر به کمک یک تابع توزیع خرابی مشخص می شود.
-2 آسیب در سازه ها
عموما آسیب بعنوان تغییرات آغازین در یک سیستم که بطور معکوس عملکرد آنرا تحت تاثیر قرار می دهد،تعریف شده است.[4]آسیب برای سازه های مهندسی عمران،تغییرات در مصالح،اتصالات،شرایط مرزی و غیره که باعث می شود عملکرد سازه بدتر شود تعریف شده است. برای مثال با گذشت زمان،مصالح، ظرفیت باربری المانهای سازه ای که باز توزیع تنش در سازه را بر عهده دارند کم می شود.این باز توزیع تنش ممکن است به صورت بارهایی باشد که اصولا متفاوت با بارهای در نظر گرفته شده در زمان طراحی بوده و بطور بالقوه ایمنی سازه را تحت الشعاع قرار داده و یا حتی امکان دارد به خرابی سازه منجر شود.آسیب بر روی سازه ها را می توان بصورت خطی و غیر خطی دسته بندی کرد
آسیب خطی را می توان به این صورت تعریف کرد که رفتار سازه بعد از اینکه آسیب اتفاق افتاد،بصورت خطی و الاستیک باقی بماند در حالیکه در آسیب غیرخطی سبب می شود که بعد از وقوع آسیب،سازه از خود رفتار غیر خطی نشان می دهد.در سازه های مهندسی عمران خوردگی فولاد و پوسته پوسته شدن بتن آسیب هایی هستند که از آنها به آسیب خطی یاد می شود.
-3 اصول دینامیک سازه ها و تابع پاسخ فرکانس - FRF -
بر اساس اصول دینامیک سازه ها،معادله دیفرانسیل حاکم بر رفتار دینامیکی سازه های چند درجه آزادی - MDOF - از مرتبه دوم بوده و به صورت زیر نمایش داده میشود:
در رابطه ی فوق 0 ،&،. به ترتیب ماتریسهای جرم،میرایی و سختی سازه بوده و ، و - ; - t به ترتیب بردارهای شتاب،سرعت و جابجایی سازه در لحظه - t - می باشند.همچنین F - t - بردار نیروی وارد در درجات آزادی سازه است.
اگر نیروی وارد بر سازه به صورت هارمونیکی در نظر گرفته شود،این نیرو و جابجایی سازه در هر لحظه t با استفاده از تبدیل فوریه به صورت زیر نوشته می شود:
در رابطه فوق Z فرکانس بار متحرک و X - t - و F - w - به ترتیب جابجایی و نیروی وارد بر سازه در حوزه فرکانس می
باشند.با جایگذاری روایط - 2 - و - 3 - در رابطه - 1 - داریم:
در رابطه فوق H - w - پاسخ سازه در حوزه فرکانس بوده و به عنوان تابع پاسخ فرکانس تعریف میشود.تابع پاسخ فرکانس به صورت زیر نمایش داده می شود:
برای یک سیستم چند درجه آزادی تابع پاسخ فرکانس برای درجات آزادی L و M از روابط - 1 - ، - 2 - و - 3 - به صورت زیر استخراج می شود:
در رابطه فوق پاسخ درجه آزادی تحت اثر بار هارمونیک با دامنه واحدی است که بر درجه آزادی اعمال می
شود، فرکانس بار متحرک، نسبت میرایی مودال سازه، فرکانس ام و به ترتیب شکلهای مودی درجه آزادی و مربوط به مود ام می باشد.
-4 روش عیب یابی با شبکه های عصبی:
در مسایل عیب یابی،خرابی باعث تغییرات در برخی از ویژگی های استاتیکی سازه ها مانند تغییرمکان استاتیکی و ماتریس سختی و همچنین باعث تغییرات در ویژگی های دینامیکی مانند شکل مودی سازه می شود.بر اساس همین تغییرات می توان تشخیص داد که سازه سالم است یا نه و اگر خراب است چه تعداد المان و حتی مقدار شدت خرابی المانهای سازه را میتوان بدست آورد. پروسه کلی عیب یابی با روش شبکه عصبی به این صورت است که برای سازه مورد نظر یک نوع شبکه انتخاب میشود.
مبنای انتخاب نوع شبکه تعداد لایه ها،تعداد نرونها،روش آموزش،تابع تحریک و...بصورت سعی و خطا و شناخت روی داده ها صورت می گیرد.برای آموزش شبکه نیاز به پاسخهای سازه برای سناریوهای مختلف داریم،به این منظور سناریوهای مختلف خرابی را تولید کرده،و به تعداد سناریوها سازه تحلیل شده و پاسخهای آن ثبت می شود.بسته به نوع سازه و شرایط مرزی،پاسخی که استفاده می شود تاثیر بسزایی در روند عیب یابی دارد،به عنوان مثال در سازه های گنبدی شکل به علت تقارن سازه،پاسخ فرکانس به تنهایی برای عیب یابی این نوع سازه ها مناسب نمی باشد و باید با ترکیب با پاسخهای دیگر استفاده شود.
