بخشی از مقاله
چکیده
پایش سلامت سازه عمرانی در مفهوم کلی ، یک رویه ای به جهت تامین اطلاعات دقیق و بدون اتلاف وقت در مورد شرایط و کارایی سازه می باشد
وجود عوامل متنوع آسیب از یک سو و از سویی دیگر غیر قابل پیش بینی بودن آینده ، یک ضرورت برای بکار گیری پایش سلامت سازه می باشد. نظارت بر سلامت سازه ها و تشخیص آسیب آن در مراحل اولیه یکی از موضوعات مورد توجه همیشگی بوده است زیرا بیشتر آسیب ها را می توان با بررسی اولیه از وضعیت موجود سازه ها اصلاح و ترمیم نمود و بدین ترتیب از گسترش خرابی در سازها و فروریختن ساختمان جلوگیری کرد .
در این میان شناسایی زود هنگام آسیب دیوارهای برشی بتنی که برای مقابله با بارهای جانبی وارد بر سازه ها طراحی می شوند امری حیاتی است. زیرا خرابی و نقص در عملکرد سازه ای دیوارهای برشی می تواند منجر به بروز آسیب های جدی و یا حتی خرابی پیشرونده سازه های بتنی گردد. امروزه استفاده از تبدیل های ریاضی در تشخیص آسیب کاربردهای بسیاری پیدا کرده اند. در این مقاله پس از بیان مبانی پایش سلامت سازه با استفاده از تبدیل ریاضی فوریه به شناسایی آسیب در دیوار برشی پرداخته می شود.
-1 مقدمه
پایش سلامتی سازهها در دهههای اخیر به دلیل افزایش نیاز به پایش دایم سازههای بزرگ به زمینه تحقیقاتی مناسبی تبدیل شده است.شناسایی آسیب در یک سازه از اهمیت زیادی برخوردار است. زیرا کشف زود هنگام آسیب میتواند از خرابی فاجعهبار سازه جلوگیری کند. لفظ پایش سلامت سازه ها به فرآیند انجام عملیات شناسایی و تشخیص آسیب در سازه های مهندسی اطلاق می گردد . در این راستا ، هرگونه تغییر در خواص مادی و یا هندسی یک سیستم سازه ای که اثری نامطلوب بر کارایی سیستم داشته باشد به عنوان آسیب تعریف می شود .
در این تحقیق با توجه به لزوم مسئله پایش سلامت سازه ای، دیوارهای برشی به عنوان یکی از سازه های عمرانی مورد بررسی قرار گرفته اند. دیوارهای برشی برای مقابله با بارهای جانبی وارد بر سازه ها طراحی می شوند .خرابی و نقص در عملکرد سازه ای دیوارهای برشی می تواند منجر به بروز آسیب های جدی و یا حتی خرابی پیشرونده سازه های بتنی گردد .
امروزه استفاده از تبدیل های ریاضی در تشخیص آسیب کاربردهای بسیاری پیدا کرده اند. در بسیاری موارد، اطلاعات سودمند سیگنال در محتوای فرکانسی آن نهفته اند کهاصطلاحاً به آن، طیف سیگنال گفته می شود .به بیان ساده، طیف یک سیگنال نشان دهنده فرکانس های موجود در آن سیگنال است. با توجه به این موضوع می بایست ابزاری برای سنجش محتوای فرکانسی یک سیگنال داشت .این ابزار همان تبدیل های ریاضی از جمله طیف فوریه است . محققان زیادی در زمینه روش های بررسی و وجود آسیب در سازه و هم چنین تحقیقاتی در زمینه وجود آسیب در دیوار برشی انجام شده است.
Cawley و Adams جزء نخستین افرادی بودند که در سال 1979تحقیقات در زمینه تکنیک شناسایی آسیب بر پایه فرکانس را آغاز کردند. در این تکنیک شناسایی آسیب با تغییر در فرکانس مرتبط می گردد و تغییر در فرکانس نیز به سبب تغییر در جرم وسختی و دیگر پارامترهای سازه رخ می دهد
Melhem و Kim در سال 2003 دو نمونه سازه بتنی را تحت بارگذاری خستگی و ضربه ناگهانی تکرار شونده مورد مطالعه قرار دادند. به کمک تبدیل فوریه و ویولت، با محاسبه فرکانس طبیعی قبل و بعد از بارگذاری اقدام به شناسایی آسیب در سازه های بتنی نمودند
Geو Lui در سال 2005 روشی را بر پایه مدل اجزا محدود و با استفاده از خصوصیات دینامیکی سازه از قبیل فرکانس ها و اشکال مودی ارائه نمودند
SASMALو RAMANJANEYULU در سال 2009 ، با ارائه روشی فرکانس طبیعی را از ماتریس انتقال استخراج کرده، و از آن جهت تشخیص وجود آسیب ، نوع و مکان استفاده کردند. در این روش شناسایی، تشخیص وجود و محل آسیب در سازه با دقت قابل ملاحظه ای انجام گردید
Shiو همکارانش در سال 2009 رویکردی مبتنی بر استفاده از سنگدانه های هوشمند برای پایش سلامت دیوارهای برشی بتنی پیشنهاد کردند. براساس کار ایشان، قبل از بتن ریزی دیوار، سنگدانه های پیزوالکتریک در موقعیت های مشخصی در درون دیوار قرار داده شده و از این طریق یک شبکه سنجش فعال به منظور پایش سلامت یک نمونه دیوار برشی تشکیل شده است .
نمونه مورد نظر تحت بارگذاری چرخه ای قرار گرفته و بطور تدریجی تا مرز خرابی کامل بارگذاری شده است .با اعمال میدان الکتریکی به یکی از سنگدانه ها یک موج تنش هدایت شده از محل سنگدانه مذکور به اطراف پراکنده می شود و سایر سنگدانه ها در نقش سنسورهایی برای دریافت اطلاعات این امواج ظاهر می شوند .سیگنال های رسیده به هرکدام از سنسورها - سنگدانه ها - با استفاده از بسته ویولت تجزیه شده و شاخص آسیبی براساس انرژی سیگنال ها در فرکانس های متفاوت تعریف شده است .سطح دیوار به چندین بخش تقسیم شده و آسیب بخش های مختلف دیوار با استفاده از شاخص مذکور مورد ارزیابی قرار گرفته است
.K. He and W.D. Zhu در سال 2011 روش شناسایی آسیب بر پایه ارتعاش جهت سازه های مختلف را مورد مطالعه قرار دادند. مدلسازی دقیق حالت آسیب دیده و آسیب ندیده سازه و گسترش الگوریتمی قوی روش هایی هستند برای شناسایی آسیب بر پایه ارتعاش که از فرکانس طبیعی سازه جهت تشخیص آسیب استفاده می کنند. مکان دقیق آسیب به روش عددی و آزمایشگاهی شناسایی می گردد و محل آسیب با استفاده از الگوریتم پیشنهادی و بر پایه فرکانس طبیعی با کمترین درصد خطا شناسایی می گردد
SharmaوBarad در سال 2013 با استفاده از مدل نمودن ترک با یک فنر پیچشی، روشی سریع و کارا برای یافتن عمق و مکان ترک از طریق تغییر در فرکانس طبیعی سازه ارائه نمودند
Farhidzadeh و همکارانش در تحقیقی طی بررسی های آزمایشگاهی به پایش روند شکست در یک دیوار برشی بتن مسلح با مقیاس بزرگ پرداختند .یک نمونه آزمایشگاهی دیوار برشی تحت بارگذاری چرخه ای با کنترل تغییر مکان قرار داده شده و همزمان ، با تحلیل پیوسته انتشار امواج آکوستیک ناشی از شکست مصالح و یا وقوع تغییر شکل های پلاستیک ، رفتار ترک خوردگی دیوار مورد ارزیابی قرار گرفته است
وفائی و همکارانش در سال 2013 با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی برای شناسایی بلادرنگ آسیب لرزه ای ارائه دادند .در این روش دریفت طبقات میانی و چرخش مفصل پلاستیک دیوارهای برشی بتنی به ترتیب به عنوان ورودی و خروجی شبکه عصبی MLP در نظر گرفته شده است
.برای نمایش کارایی و قدرت روش پیشنهادی ، یک ساختمان 5 طبقه با دیوار برشی بکار برده شده است . 9 زلزله متفاوت رکورد شده برای این مطالعه در نظر گرفته می شود . مقایسه نتایج شبکه عصبی و آنالیز NTH در دامنه زمان نشان می دهد که شبکه عصبی نه تنها آسیب ، بلکه شدت آسیب را نیز درست تخمین می زند. در همه حالات به غیر از 4 مورد شبکه شناسایی آسیب دیوار برشی را درست انجام داده است
Toanو Khiem در سال 2014 با در نظر گرفتن ترمهای غیرخطی مربوط به شدت ترک، روش جدیدی برای تشخیص تعداد نامشخصی از ترک در سازه، با استفاده از محاسبه فرکانس طبیعی، پیشنهاد دادند
R. M. Lin در سال 2015 طی پژوهشی نشان دادند چطور ترک های خمشی خواص ارتعاشی مانند تابع پاسخ فرکانس را تغییر داده و چطور می توان از این خواص جهت شناسایی آسیب استفاده کرد.در این تحقیق ترک مانند فنر چرخشی مدل شده و خواص ارتعاشی مانند فرکانس طبیعی و مود شیپ مورد محاسبه قرار داده شده و جهت شناسایی آسیب مورد استفاده قرار می گیرند
در این مقاله هدف به کار بردن تبدیل فوریه جهت شناسایی وقوع آسیب در دیوار برشی سازه است. بدین منظور فرکانس ارتعاشی سازه به عنوان روشی جهت آسیب شناسی با به کار بردن تبدیل فوریه از پاسخ شتاب سازه که در برنامه SeismoStruct مدلسازی شده و تحت زلزله قرار می گیرد استخراج می گردد .
-2 پردازش سیگنال
هدف از اعمال یک تبدیل ریاضی بر یک سیگنال، بدست آوردن اطلاعات اضافه ای است که در سیگنال خام اولیه قابل دسترس نمی باشند .
در بسیاری موارد، اطلاعات سودمند سیگنال در محتوای فرکانسی آن نهفته اند کهاصطلاحاً به آن، طیف سیگنال گفته می شود .به بیان ساده، طیف یک سیگنال نشان دهنده فرکانس های موجود در آن سیگنال است. می بایست ابزاری جهت سنجش محتوای فرکانسی یک سیگنال داشت .این ابزار همان تبدیل فوریه است که در ادامه به شرح آن می پردازیم.
شکل -1 تبدیل فوریه و اعمال آن به سیگنال
تبدیل فوریه، یک سیگنال را به مجموعی از نامتناهی تابع نمایی مختلط افراز میکند که هر کدام از آنها دارای فرکانسهای مختلفی می باشند. طبق تعریف، تبدیل فوریه سیگنال پیوسته در زمان - x - t به صورت زیر بدست می آید که در آنt زمان و f فرکانس است .رابطه - 1 - تبدیل فوریه سیگنال - x - t را نشان می دهد .
با دقت دررابطه - 1 - می توان دید که سیگنال - x - t در یک جمله نمایی با فرکانس معین f ضرب شده است و سپس بر تمام زمانها انتگرال گرفته شده است . باید دقت نمود که جمله نمایی را می توان به صورت زیر نوشت:
عبارت بالا شامل یک جمله حقیقی کسینوسی با فرکانس f و یک جمله موهومی سینوسی با فرکانس f می باشد. بنابراین آنچه در تبدیل فوریه صورت می پذیرد در حقیقت ضرب نمودن سیگنال زمانی در یک تابع نمایی مختلط است
