بخشی از مقاله
خلاصه
تعیین نیروهای پیشتنیدگی در سازههای پیشتنیده پس از ساخت آنها و اطمینان از عدم تجاوز افت این نیروها از حدود مجاز و کفایت آنها برای تحمل بارهای خارجی و حفظ ایمنی سازه از جمله موضوعات مورد توجه مهندسین طراح سازههای پیشتنیده است. امروزه در بسیاری از سازههای پیشتنیده مهم، از جمله پلهای صندوقهای معلق، در هنگام اجرای سازه حسگرهای مخصوص اندازهگیری نیروهای پیشتنیدگی نصب میشود و در زمان بهرهبرداری از سازه به کمک این حسگرها بر میزان افت نیروی پیشتنیدگی نظارت میشود. در مورد سازههای پیشتنیده موجود که در آنها نصب چنین تجهیزاتی از قبل صورت نپذیرفته، لازم است از روشها و آزمایشهای مناسب دیگری برای تعیین نیروی پیشتنیدگی و پایش سطح ایمنی سازه استفاده شود.
در این تحقیق با توسعه روشهای اندازهگیری تغییر مکان، مورد استفاده در تشخیص خرابی سازهها، الگوریتمی برای تعیین نیروهای پیشتنیدگی کابلها در مقطع یک تیر بتنی پیشتنیده ارائه شده است. برنامهای به زبان فرترن بر اساس الگوریتم پیشنهادی برای تعیین مقدار نیروی پیشتنیدگی و مبتنی بر الگوریتم ژنتیک ساخته شده است. اندازهگیری تغییر مکانهای تیر پیشتنیده که باید از روی سازه واقعی صورت پذیرد به کمک شبیهسازی کامپیوتری و استفاده از نرم افزار Abaqus صورت پذیرفته است. صحت کار برنامه و الگوریتم پیشنهادی با استفاده از چند مثال نشان داده شده است. دقت تعیین نیروی پیشتنیدگی موجود، در مثالهای مذبور از %0,6 تا %3,5 متغیر بوده است. این میزان دقت بخوبی موید کارآمدی روش پیشنهادی است.
کلمات کلیدی: تیر پیشتنیده، تشخیص نیروی پیشتنیدگی، تشخیص خرابی، روش اندازهگیری تغییر مکان، پایش ایمنی سازه
1.مقدمه
با پیشرفت تکنولوژی و استفاده از ابزار آلات جدید، تکنولوژی پیشتنیدگی، برای سازه های بتنی حساس و حیاتی مانند پلها، راکتورهای هستهای و غیره بکار گرفته شد و این صنعت شگرف، بتن را به یکی از کاراترین مصالح سازهای تبدیل نمود. پیش تنیده کردن عبارت است از اعمال تنش فشاری دائمی، قبل از اعمال بارهای بهرهبرداری، به منظور کاهش و یا از بین بردن تنشهای کششی، قرار دادن کابل کشیده شده فولادی و مهار کردن آن در دو طرف عضو، باعث ایجاد تنش فشاری دائمی در مقطع بتنی خواهد شد.[1]با گذشت زمان و در طول عمر استفاده از هر سازه، امکان بروز مشکلاتی اعم از آسیبدیدگی سازه و کاهش کارآمدی آن وجود دارد.
چندین عامل سبب میشوند نیرو در تاندونهای پیشتنیدگی از مقدار اولیهای که توسط سیستم جک به آنها داده میشود، افت کند. بعضی از این افتها بلافاصله بعد از انتقال نیروی پیشتنیدگی به عضو بتنی، بر روی این نیرو تاثیر میگذارند و بقیه افتها بصورت تدریجی و به مرور زمان اتفاق میافتند. بر این اساس افت نیروی پیشتنیدگی را میتوان به دو دسته افت کوتاه مدت و افت بلند مدت تقسیم کرد. افت کوتاه مدت شامل افت ناشی از کوتاهشدگی الاستیک، تورفتگی در گیره و اصطکاک است. افت بلند مدت نیز شامل افت ناشی از انقباض بتن، خزش بتن و سستی فولاد است.[2]سازههایی مانند پلها که در هنگام بهرهبرداری نقش بسیار مهمیدر نقل و انتقال هزاران نفر از طریق وسایل نقلیه، ایفا میکنند از اهمیت بسیار حیاتی برخوردارند.
در سازه هایی مانند پل ها، راکتورها، ساختمان بیمارستانها، مدارس و سایر مکانهایی که کاربری آنها بگونهای است که در صورت عدم اقدام به موقع به منظور نظارت بر نیروی پیش تنیدگی و افت بوجود آمده در آن میتواند خسارات جبران ناپذیر و فاجعهبار زیادی، اعم از تلفات جانی و مالی در این سازههای حیاتی ایجاد کند.حوادث و وقایعی که برای سازههای پیشتنیده روی داده که ناشی از افت نیروی پیشتنیدگی در طول عمر سازه و عدم توجه به لزوم پایش و آشکارسازی سطح ایمنی سازه و ترمیم به موقع آنها بوده است، میتواند بیانگر اهمیت موضوع این مقاله باشد. از این قبیل حوادث میتوان به فروریزش پل اینجاکا اشاره کرد. این حادثه در سال 1998 رخ داده و 14 کشته و 13 مجروح بدنبال داشته است.
با توجه به نظر متخصصین یکی از محتمل ترین علل فروریزش فاجعه بار پل اینجاکا در استان امپومالانگا در آفریقای جنوبی عدم نظارت صحیح بر روی نیروی پیشتنیدگی است. از دیگر وقایع مشابه میتوان از فروریزش پل کورور- بابلدائوب نام برد که در 26 سپتامبر سال 1996 ، پل به صورت ناگهانی و تحت یک بار ترافیکی ناچیز و بدون نشانه خارجی مشهود فروریخت. پس از انجام مطالعات لازم روی تغییر شکل های بیش از اندازه شاهتیر پیشتنیده این پل به این نتیجه رسیدند که پیشبینی خزش و انقباض بتن ناکافی بوده و بیشترین خطا را در پی داشته است. ساده گرفتن تحلیل سازهای خزش هم دیگر عامل مهم ایجاد خطا است و تقریبهای کلاسیک افت نیروی پیش تنیدگی ناکافی میباشند. این حادثه نیز دو نفر کشته درپی داشته است.[3,4]
با توجه به نکات اشاره شده پیرامون افت نیروی پیش تنیدگی در سازههای بتنی پیشتنیده حساس مانند پلها میتوان به این نکته پیبرد که تعیین نیروهای پیش تنیدگی در سازههای پیشتنیده پس از ساخت آنها و اطمینان از عدم تجاوز افت این نیروها از حدود مجاز و کفایت آنها برای تحمل بارهای خارجی و حفظ ایمنی سازه میتواند از جمله موضوعات مورد توجه مهندسین طراح سازههای پیشتنیده باشد. امروزه در بسیاری از سازههای پیشتنیده مهم، از جمله پل های صندوقهای معلق، در هنگام اجرای سازه حسگرهای مخصوص اندازهگیری نیروهای پیشتنیدگی نصب میشود و در زمان بهرهبرداری از سازه به کمک این حسگرها بر میزان افت نیروی پیشتنیدگی نظارت میشود. از این جمله تحقیقات میتوان از نظارت شکل گرفته بر روی نیروی پیشتنیدگی به کمک سنسورهای FBG توسط Maaskant اشاره کرد. Bar و همکارانش نیز با استفاده از کرنشسنج های تعبیه شده در هنگام ساخت، تغییر در نیروی پیشتنیدگی را در پنج تیر بتنی پیشتنیده مورد بررسی قرار دادند.[5,6]
اکثر پژوهشهای شکل گرفته در راستای تشخیص نیروی پیشتنیدگی و افت بوجود آمده در آن، از ابزارهایی که در هنگام ساخت تعبیه شدهاند کمک گرفتهاند. در این مقاله روشی برای تعیین نیروی پیشتنیدگی مبتنی بر روشهای اندازهگیری جابجایی برای تشخیص خرابی در سازه ها ارائه شده است. در روش پیشنهادی مذبور با انجام آزمایشهای رفتارسنجی کلی و اندازهگیری جابجاییها در نقاط معینی از سازه تحت بارهای آزمایشی، مقادیر نیروهای پیشتنیدگی در کابلهای موجود در سازه تعیین می شوند. توانایی الگوریتم پیشنهادی برای تشخیص صحیح نیروهای پیشتنیدگی طی چند مثال از تیرهای بتنی پیشتنیده نشان داده شده است.
2.مبانی تشخیص خرابی مبتنی بر اندازهگیری جابجایی
در سازههای بتنی پیشتنیده خیز سازه تابعی است از پارامترهای مختلف سازه که برخی از این پارامترها در رابطه - 1 - نشان داده شده است.که در آن خیز سازه، q بارگذاری خارجی، I ممان اینرسی مقطع، L طول دهانه، E مدول الاستیسیته و Fp نیروی پیشتنیدگی است. درمورد سازههایی که تشخیص خرابی در آنها مورد بررسی قرار خواهد گرفت، مقدار بارگذاری سازه مشخص است و با توجه به هندسه معلوم سازه و مشخصات مصالح مصرفی پارامترهای ممان اینرسی، طول دهانه، مدول الاستیسیته و غیره، قابل تعیین هستند. بنابراین رابطه یک را میتوان به شکل رابطه - 2 - نوشت و با توجه به اینکه پارامتر خیز بوسیلهی انجام آزمایش قابل تعیین است، از رابطه - - 2 بصورت معکوس برای تعیین نیروی پیشتنیدگی موجوددر سازه میتوان استفاده کرد.که در آن Fpn نیروی پیشتنیدگی کابل n ام است. لازم بذکر است در این مسئله خرابی مورد نظر، افت بوجود آمده در نیروی پیشتنیدگی است. با معلوم بودن نیروی پیش تنیدگی اولیه که توسط سیستم جک به کابل های پیشتنیده اعمال شده است و تعیین نیروی پیشتنیدگی موجود در سازه میتوان افت بوجود آمده در نیروی پیشتنیدگی را تعیین کرد.
3.تابع خطا
اگر خیز بدست آمده از آزمایش، خیز اندازهگیری شده و خیز حاصل از تحلیل، خیز تحلیلی نامیده شوند، در صورتی که خیز اندازهگیری شده با خیزتحلیلی برابر شوند، نیروی پیشتنیدگی فرضی با نیروی پیشتنیدگی واقعی برابر خواهد بود. اگر خیز اندازهگیری شده m و خیز تحلیلی a باشند در این صورت میتوان یک تابع خطا به نام e از تفاضل خیزهای اندازهگیری شده و خیزهای تحلیلی به شکل زیر تعریف کرد؛که در آن n برابر تعداد نقاط اندازهگیری خیز است. مقدار این تابع با تغییر مقدار نیروی پیشتنیدگی هر یک از کابل های پیشتنیدگی تغییر میکند. وقتی نیروی پیشتنیدگی طوری تعیین گردد که مقدار تابع - 3 - حداقل شود - به صفر نزدیک شود - ، بهترین انطباق بین خیزهای تحلیلی حاصل از اعمال نیروی پیشتنیدگی فرضی و خیزهای اندازهگیری شده حاصل از اعمال نیروی پیشتنیدگی واقعی حاصل گردیده است. درنتیجه نیروی پیشتنیدگی فرضی برابر نیروی پیشتنیدگی واقعی موجود در سازه خواهد بود.
4. بکارگیری الگوریتم ژنتیک برای مینیمم کردن تابع خطا
در این مقاله برای مینیمم کردن تابع خطا از الگوریتم ژنتیک استفاده شده است. الگوریتم ژنتیک یک روش تکرار پی در پی است که از اصول تکامل داروین الهام گرفته شده است. جستجوی جواب با جمعیتی از جوابهای ممکن مسئله که بصورت تصادفی تولید شدهاند، شروع میشود. هر جواب شامل یک مجموعه از متغیرهای طراحی است که به دنبال هم بصورت یک رشته نشان داده میشوندمقادیر. متغیرهای طراحی معمولاً به شکل رمزی در رشته مذکور نمایش داده میشوند. رشته مذکور کروموزوم و هر واحد جز از آن یک ژن نامیده میشود. هر رشته رمز برگردانی شده و بهینگی نسبی آن توسط تابعی به نام تابع شایستگی ارزیابی میشود.
برای تولید جمعیت جدیدی از جوابها تعدادی از بهترین جوابها بر اساس میزان شایستگی نسبی شان انتخاب و در جمع برگزیدگان جهت تولید نسل بعدی وارد میگردند. برای تولید نسل بعدی به طور تصادفی و با احتمالی متناسب با شایستگی هر فرد برگزیده، والدینی از جمع برگزیدگان انتخاب میشوند. از هر دو والد برگزیده دو فرزند تولید میشود. تولید هر فرزند با انتقال تصادفی ژنها از والدین به فرزندان صورت میگیرد. پس از تولید فرزندان که شمار آنها برابر اندازه انتخاب شده برای جمعیت جواب ها است. اکنون شایستگی هر یک از افراد جمعیت جدید جوابها ارزیابی میشود و سپس شرایط همگرایی بررسی میشود.
در صورت تامین هر یک از شرایط همگرایی فرآیند جستجوی جواب بهینه خاتمه داده میشود. در غیر این صورت با انتخاب جمع برگزیدگان جهتتولید نسل بعدی مجدداً فرآیند فوق تکرار میگردد.[7]میزان شایستگی و تناسب هر یک از نیروهای پیشتنیدگی تولیدی به کمک رابطه - 4 - اندازهگیری شدهاست.تابع تناسب به شکلی تعریف شدهاست که اگر میزان تابع خطا حداقل گردد، شایستگی حداکثر میزان خود را خواهد داشت.کدنویسی الگوریتم ژنتیک در نرم افزار برنامه نویسی FORTRAN انجام شده است. از آنجایی که مدل سازی در نرم افزار Abaqus شکل گرفته، برای اجرای برنامه ارائه شده این دو نرم افزار به یکدیگر متصل گردیدهاند. اتصال این دو نرم افزار از طریق اسکریپت نویسی در نرم افزار برنامهنویسی PYTHON صورت پذیرفته است.
5.مدل
در این مقاله بمنظور بررسی توانایی الگوریتم ارائه شده برای تعیین نیروی پیشتنیدگی موجود در سازههای بتنی پیش تنیده، برنامه پیشنهادی بر روی یک تیر پیشتنیده با دو مقطع متفاوت اجرا شده است. در شکل زیر نمای تیر پیش تنیده مورد بررسی در این پژوهش با دو مقطع a و b نشان داده شده است.
