بخشی از مقاله
چکیده:
تیرها از اعضای مهم سازه ای هستند و بازرسی منظم تیرها جهت حصول اطمینان از ایمنی سازه ای آنها و افزایش عمر بهره برداری آنها از مسائل مهم در حوزه تعمیر و نگهداری تیرها میباشد و با توجه به عملکرد ویژه تیرها در تحمل و انتقال بار به سایر المانهای سازهای، بروز مشکلات فنی به دلیل آسیبهای ناشی از بارگذاریهای اضافی خسارات جانی و مالی فراوانی به دنبال خواهد داشت، لذا درصورتیکه این آسیبها بهموقع شناسایی گردد از وقوع خطرات بعدی و در موارد خاص از فروریزش کلی تیرها جلوگیری خواهد نمود. در این مقاله تشخیص مکان آسیب در تیرهای فولادی به کمک روش انرژی کرنشی مودال انجامشده است.
و با توجه به اینکه انرژی کرنشی مودال با انحنای مودال رابطه مستقیم دارد برای محاسبه انحنای مودال ، یک تیر فولادی I شکل با تکیهگاه ساده در نرمافزار آباکوس برای انجام تحلیل فرکانسی مدل شده است و پس از استخراج اشکال مودی میتوان انحنای مودال و درنهایت انرژی کرنشی مودال را محاسبه کردضمناً. اشکال مودی را بهصورت تجربی نیز میتوان به دست آورد که یکی از مزیتهای استفاده از اشکال مودی برای محاسبه انرژی کرنشی است.
اساس این روش برمبنای مقایسه انرژی کرنشی ذخیرهشده در سازه در دو حالت سالم و آسیبدیده است که مشاهده میشود در سازه آسیبدیده به دلیل کاهش در سختی سازه انرژی بیشتری ذخیره میشود. در این مقاله مکان آسیبهایی با شدتهای 20 درصد و بالاتر در نقاط مختلف تیر فولادی با کمترین تعداد شکل مود یعنی 2 شکل مود شناساییشده است، بنابراین نتایج بررسیهای انجامشده بیانگر کارایی قابلقبول و مناسب این روش است.
-1 مقدمه
وقوع آسیب در سیستمهای سازهای در طول عمر سازه امری اجتنابناپذیر است. این آسیبها ناشی از عوامل مختلفی هستند و عملکرد سازه را در طول عمر بهرهبرداری تحت تأثیر قرار میدهند که ممکن است اثرات کلی آن تا مدت ها مشهود نباشد و با بازرسی چشمی و ظاهری نتوان به وجود آسیب در سازه پی برد. درصورتیکه این آسیبهای احتمالی موردتوجه و بررسی قرار گیرد، میتواناولاً با شناسایی محل آسیبدیده درصدد تعمیر و تعویض المان آسیبدیده برآمد و از خسارتهای ناشی از خرابی کلی جلوگیری نمود و هزینهی گزافی را که بابت ساختن مجدد سازه ایجاد میشود را کاهش دادضمناً. شناسایی مکان آسیب، امکان بهسازی و مقاومسازی بهتر سازه را فراهم خواهد آورد.
تاکنون برای تشخیص آسیب در سازهها روشهای مختلفی ابداعشده است که با کمک این روشها میتوان مکان آسیب راشناسایی نمود و بدین ترتیب با انجام اقدامات لازم از گسترش آسیب در اعضای مختلف سازه جلوگیری کرد و عمر سازه را افزایش داد. در این مقاله هدف یافتن محل آسیب در تیرهای فولادی است. بدین منظور شاخصی برمبنای انرژی کرنشی مودال تعریف میگردد که با مقایسه انرژی کرنشی مودال ذخیرهشده در سازه در دو حالت سالم و آسیبدیده، مکان احتمالی آسیب را شناسایی میکند و با توجه به اینکه انرژی کرنشی به کمک مقادیر نسبی شکل مود محاسبه میشود، به دست آوردن شکل مودهای ارتعاشی در پیدا کردن مکان آسیب بسیار حائز اهمیت میباشد.
در زمینهی تشخیص مکان آسیب به کمک روش انرژی کرنشی مودال پژوهشهای متفاوتی توسط افراد مختلف در سالهای اخیر انجامشده است. برای نمونه سید پور [1] در سال 2012 یک روش کارآمد برای تعیین مکان آسیب ارائه نمود . که در آن از یک شاخص آسیب بر مبنای انرژی کرنشی مودال قبل و بعد آسیب برای تعیین موقعیتهای آسیب احتمالی در سازه استفاده میشود، همچنین سید پور از این روش برای شناسایی مکان آسیب در یک تیر طره و یک خرپای 31 عضوی استفاده کردضمناً. برای اینکه اثرات نویز روی عملکرد روش در نظر گرفته شود، مقادیر فرکانسهای طبیعی و شکل مودها به ترتیب ±0,15 و % ±3 دچار تغییرات در هر گره میشود.
ولی بااینوجود مکان آسیب بهدرستی در خرپا تشخیص داده شد . همچنین تیر طره که به 15 المان تقسیمشده بود ، فقط بهصورت عددی آس یبهای ایجادشده در آن شناسایی شد. شی و همکاران [2] در سال 2009 شیوه ای غیر مخرب برای تشخیص آسیب اعضای خمشی مانند تیر و صفحه ارائه نمودند. این روش بر مبنای مقایسه انرژی کرنشی مودال قبل و بعد وقوع آسیب بود . این محققین امکان تشخیص آسیبهای چندگانه در نقاط مختلف تیر و صفحه را موردبررسی قراردادند و به کمک این روش توانستند آسیبهایی با شدت % 50 را تشخیص دهند ولی علاوه بر محلهای آسیبدیده شاخص آسیب محلهای دیگری را نیز با شدت کمتری بهعنوان محلهای آسیب احتمالی معرفی میکرد که نشان از خطا در تشخیص آسیب میباشد..
نیو و زونگ[3] روشی برای شناسایی مکان آسیب در شاهتیرهای سازههایی مانند پل ارائه نمودند. در این روش با محاسبه شاخص آسیب برمبنای مقایسه انرژی کرنشی مودال قبل و بعد وقوع آسیب به شناسایی مکان آسیب پرداخته میشود. شی و همکاران [4] در سال 2011 روشی مبتنی بر انرژی کرنشی مودال برای شناسایی آسیب در پلها پیشنهاد کردند، که در این روش از تغییر در انرژی کرنشی مودال در هر المان سازهای قبل و بعد آسیب استفادهشده است .
بدین منظور از یک پل یک دهانه شامل، یک دال بتنی و دو تیر فولادی در نرمافزار SAP 2000 مدلی تحلیلی ایجاد گردید و بعد از استخراج فرکانسهای طبیعی و اشکال مودی شاخصهای آسیب محاسبه گردید. آنها درمجموع هفت سناریوی آسیب را موردبررسی قراردادند، که در هرکدام از سناریوها آسیب فقط یا در عرشه اتفاق میافتد و یا فقط در شاهتیرها اتفاق میافتد. یعنی آسیب زمانی که فقط دریکی از المانهای سازهای عرشه و تیر باشد قابلشناسایی است ضمناً. این محققان آسیب در عرشه را با کاهش 50 درصدی در مدول الاستیسیته مدلسازی کردند .
و آسیب در تیرها را با کاهش 40 درصدی در مدول الاستیسیته شبیهسازی نمودند، فن وهم کاران[5] از روش انرژی کرنشی مودال برای تشخیص آسیب در المانهای پوستهای استفاده کردند. همچنین آنها به این نتیجه رسیدند که اگر در رابطهی انرژی کرنشی فقط انحنا مودال در یکجهت را در نظر بگیرند، نهتنها شاخص آسیب بهدستآمده مکان آسیب را بهخوبی تعیین میکند بلکه کمک به روند آزمایش مودال تجربی خواهد کرد.
کورنول وهم کاران [6] در سال 1999 روشی را برای شناسایی مکان آسیب در المانهای صفحهای ارائه دادند . این روش بر مبنای مقایسهی انرژی کرنشی مودال قبل و بعد آسیب بود. آنها در ابتدا این روش را برای پیداکردن مکان آسیب در المانهای تیری که انرژی کرنشی فقط متأثر از انحنا مودال در یکجهت است، به کاربردند و بعد این روش را برای المانهای صفحهای تعمیم دادند. عادل وهاب و همکاران [7] روشی را برای تشخیص آسیب المانهای خمشی بر مبنای انحنای مودال ارائه نمودند.
بدین منظور آسیبی با شدت 90 در صد راکه در وسط تیر بود، به کمک شکل مود اول و محاسبهی انحنا مودال شناسایی کردند و به دلیل اینکه آسیب در وسط تیر واقعشده بود آسیب در این ناحیه اختلاف قابلتوجهی در انحنای مودال میتوانست به وجود آورد و هرچه قدر که در محاسبات شکل مودهای بیشتر در نظر گرفته شود افزایش انحنا کمتری را شاهد خواهیم بود. هو و همکاران [8] شناسایی مکان آسیب در یک ورق آلومینیومی استوانهای توخالی را برمبنای انرژی کرنشی مودال انجام دادند بدین منظور با استفاده مختصات استوانهای 8 شکل مود اول استوانه استخراجشده و سپس شاخص انرژی کرنشی محاسبهشده استضمناً آنها به این نتیجه رسیدند که اگر مش بندی مناسبی بر مدل المان محدود ساختهشده حاکم باشد به کمک این روش میتوان بهصورت موفقیتآمیزی مکان آسیب را تعیین نمود،
البته این نکته را باید در نظر داشت که استفاده از یک مش بندی مناسب و خوب در شناسایی آسیب بهصورت تجربی مشکلاتی را ایجاد مینماید لیو و هم کاران [9] برای شناسایی مکان آسیب در پایههای توربین بادی شاخصی بر مبنای انرژی کرنشی مودال ارائه نمودند که نسبت به سایر روشهای سنتی انرژی کرنشی حساسیت بالاتری داشت. با استفاده از تنها دو شکل مود میتوان مکان آسیب را شناسایی کرد شاخص زیر به شاخص پیشرفته انرژی کرنشی معروف است در رابطهی - - 2 - 2 همانطوری که مشاهده میشود در صورت رابطه تفاضل انرژی کرنشی در حالت سالم و آسیبدیده ظاهر میشود . که بستگی به - ∅ ′ شکل مود سازه سالم - ، - ∅ ′ شکل مود سازه آسیبدیده - ، - تعداد شکل مودهای بهکاررفته در شاخص است - .
ونگ و هم کاران [10] بر پایهی انرژی کرنشی مودال، یک روش آماری تشخیص آسیب ارائه کردند در این روش به سبب اینکه از دادههای بهدستآمده از آنالیز مودال عملیاتی استفادهشده است، عدم قطعیتهای موجود در مدلسازی و دادههای مودال اندازهگیری شده لحاظ شده است . ضمناً یک مثال عددی از یک تیر ساده فولادی برای انجام تشخیص آسیب موردبررسی قرارگرفته است و عملکرد روش برای شدت آسیبهای متفاوت موردبررسی قرارگرفته است و این نتیجه حاصل شد که اگر شدت آسیب افزایش پیدا کند شناسایی مکان آسیب به نحوه بهتری انجام خواهد شد و همچنین اثر نویز با درصدهای % 0,05 ، % 1 ، % 5 در الگوریتم تشخیص آسیب موردبررسی قرار گرفت
و نتیجهای که حاصل شد این بود که با افزایش درصد نویز تشخیص مکان آسیب با مشکل روبهرو خواهد شد. هیز هنجی وهم کاران [11] اعتقاد داشتند که روشهای بر پایهی تغییرات در خصوصیات ارتعاشی سازه یک ابزار مفید و مؤثر برای سلامت و تشخیص آسیب سازهها به شمار میروند و برای آسیبهایی با شدت کم هم قابلاستفاده و مفید هستند. بدین منظور برای بررسی فاکتورهایی که امکان بررسی آن در آزمایش تجربی امکانپذیر نبود، یک مدل المان محدود از یک تیر ساده بتنی پیشساخته در نرمافزار Ansys ساخته شد و تیر به 84 المان سهبعدی تقسیم گردید و بعد از استخراج فرکانسهای طبیعی و اشکال مودی و بهکارگیری الگوریتم تشخیص آسیب برمبنای استفاده از رابطهی - - 3 - 2 این نتیجه حاصل شد که استفاده از تعداد شکل مودهای بیشتر در بعضی از موارد سبب پایین آمدن کیفیت تشخیص آسیب خواهد شد
