بخشی از مقاله
خلاصه
شناسایی خرابی در سازه ها از اهمیت زیادی برخوردار است. زیرا عدم توجه به بروز آسیبهای محلی در سازه سبب کاهش عمر عملیاتی آن و در برخی موارد تخریب کلی سازه میگردد. با استفاده از روش های شناسایی خرابی در سازه ها میتوان موقعیت خرابی در سازه آسیب دیده را شناسایی و با انجام اقدامات ترمیمی لازم، از گسترش آسیب در سازه جلوگیری نموده و عمر سازه را افزایش داد. اساس بسیاری از روشهای عیب یابی در سازهها مبتنی بر مشاهده میزان تغییرات در پاسخهای سازه است.
از جمله این روش ها، شناسایی خرابی به روش های دینامیکی می باشد که به بررسی ویژگیهای دینامیکی سازه از جمله فرکانس های طبیعی، اشکال مودی، تابع پاسخ فرکانسی و... میپردازند. در این تحقیق، شناسایی خرابی در سازهها بر اساس تغییر در توابع پاسخ فرکانسی سازه به عنوان یک مشخصه دینامیکی، انجام شده است. با استفاده از توابع پاسخ فرکانسی سازه سالم، سازه آسیب دیده و مدل تصادفی سازه تابع هدفی تشکیل شده و به کمک روش بهینه سازی جامعه پرندگان این تابع حداقل میشود. بمنظور بررسی کارایی روش پیشنهادی، دو مثال عددی تیر و قاب در نظر گرفته شده است. نتایج حاصله نشان دهنده کارایی روش پیشنهادی جهت تعیین دقیق مکان و شدت خرابی با در نظر گرفتن اثر نویز میباشد.
.1 مقدمه
نظارت بر سلامت سازهها و تشخیص آسیب در مرحله اولیه یکی از موضوعات مورد توجه همیشگی بوده است. تغییرات در خصوصیات بار، تاثیرات محیطی و عاملهای تصادفی موجب خرابی موضعی یا کلی در سازهها میشوند. بنابراین کنترل پیوسته سازهها منجر به شناسایی سریع و ترمیم خرابیهای موضعی شده و از شکست ناگهانی جلوگیری می نماید. در نتیجه این اقدام موجب افزایش عمر مفید سازه شده و در نهایت از خرابی کلی آن جلوگیری مینماید. روشهای شناسایی خرابی در سازه ها به دو روش مخرب و غیرمخرب تقسیم میشوند. روشهای مخرب به دلیل هزینه بر بودن و نا کارآمد بودن در برخی از سازهها، روش چندان مناسبی نمیباشند از این رو محققین به روشهای غیرمخرب روی آورده اند.
از مهم ترین روشهای شناسایی غیرمخرب می توان به استفاده از پاسخ های سازهای نظیر پاسخ دینامیکی و استاتیکی سازه اشاره نمود که در این میان روشهای دینامیکی در مقایسه با روشهای استاتیکی از دقت و محبوبیت بیشتری برخوردارند. در میان روشهای شناسایی دینامیکی، شناسایی خرابی به کمک توابع پاسخ فرکانسی، یکی از کارآمدترین روشهاست.
سمپایو و همکاران در سال 1999 کشف خرابی با استفاده از انحنا FRF 1 را از لحاظ تئوری بیان نمودند و به مقایسه آن، با دو روش دیگر شناسایی خرابی اشاره شده در مقالات پرداختند .[1] در سال 2002 لی و شین به امکان سنجی استفاده از FRF در شناسایی آسیب از طریق برخی شبیه سازیها و تجزیه و تحلیل عددی و سپس تائید تجربی آن روی یک تیر طره و ایجاد خرابی در آن توسط سه شیار پرداختند
در سال 2009 بیگامبری و لیر، به شناسایی خرابی روی خرپا دو بعدی و یک تیر دو سر آزاد با استفاده از روش بهینه سازی ترکیبی ذرات - PSOS - پرداختند. تابع هدف استفاده شده در این مقاله بر اساس تابع پاسخ فرکانسی بود و نتایج کار نشان داد که روش بهینه سازی ترکیبی نتایج بهتری نسبت به - PSO2 - اولیه از خود نشان می دهد.[3] صالحی و همکاران در سال2010 روش تشخیص آسیب بر اساس اندازه گیری قسمتهای حقیقی و موهومی FRF را ارائه داند. با استفاده از نتایج باقی مانده سیگنال شکل FRF حقیقی و موهومی ویژگیهای آسیب نشان داده شده و نتایج بدست آمده حاکی از این بود که استفاده از قسمت حقیقیFRF در تشخیص خرابی موثر است.
در سال 2012 توسط سیدپور، یک روش دو مرحله ای برای تعیین محل و اندازه خرابی سازه ای با استفاده از انرژی کرنشی مودال مبتنی بر شاخص MSEBI3 و الگوریتم بهینه سازی PSO پیشنهاد شده است. نتایج عددی نشان دادند که ترکیب MSEBI و PSO میتواند یک ابزار قابل اطمینان برای شناسایی دقیق خرابی سازهای چندگانه باشد . 5 در سال 2013 موهان و همکاران به بررسی استفاده از تابع پاسخ فرکانسی با کمک روش بهینه سازی ازدحام ذرات - PSO - ، برای تشخیص آسیب سازه ای و کمیت آن پرداختند. عملکرد این روش برای سازهای تیر و قاب دو بعدی با آسیب های مختلف ارزیابی شده است و نتایج نشان دادند که FRF با الگوریتم بهینه سازی PSO نتایج بهتری در شناسایی آسیب نسبت به بررسی فرکانسهای طبیعی و الگوریتم GA داراست
در سال 2014 باندارا و همکاران روش تشخیص آسیب بر اساس شبکههای عصبی مصنوعی - ANN4 - با استفاده از تابع پاسخ فرکانسی را ارائه دادند. شبکههای عصبی مصنوعی بهینه شده حداقل خطا را داشته و مقدار آسیب را با دقت بالا تشخیص میدهند. برای صحت سنجی ANN از یک سازه المان محدود قاب دو طبقه برای آسیب های تک و چند گانه که حاوی نویز بوده، برای شبیه سازی استفاده شد که دارای عملکرد دقیق و خطای کم بود.
در این تحقیق، شناسایی خرابی در سازه ها بر اساس تغییر در توابع پاسخ فرکانسی سازه به عنوان یک مشخصه دینامیکی، انجام شده است. ابتدا مسئله شناسایی خرابی به صورت یک مسئله بهینه سازی تبدیل می شود. مدل سازی در محیط نرم افزار MATLAB انجام شده است. برای شناسایی خرابی، FRF سازه خراب، سالم و یک مدل تصادفی از سازه را بدست آورده و تابع هدفی متشکل از آن ها تشکیل می دهیم. با کمک الگوریتم بهینه سازی جامعه پرندگان - PSO - مساله بهینه سازی حل شده، مکان و شدت آسیب های تکی و چندگانه با دقت بسیار بالایی تعیین شده است.
.2 تابع پاسخ فرکانسی
بر اساس اصول دینامیک سازهها، معادله دیفرانسیل حاکم بر رفتار دینامیکی سازههای چند درجه آزادی - MDOF1 - از مرتبه دوم بوده و به صورت رابطه - 1 - نمایش داده میشود که M، C و K به ترتیب ماتریس های جرم، میرایی و سختی سازه بوده و - t - X ،X - t - و - t - X به ترتیب بردارهای شتاب، سرعت و جابه جایی سازه در لحظه t می باشند. همچنین F - t - بردار نیروهای خارجی وارده در درجه آزادی سازه است
اگر نیروی وارد بر سازه به صورت هارمونیک در نظر گرفته شود، نیرو و جابه جایی سازه در هر لحظه tبا استفاده از تبدیل فوریه به صورت رابطه - 2 - و - 3 - نوشته می شود که Ω فرکانس بار محرک و X - Ω - و F - Ω - به ترتیب جابهجایی و نیروی وارد بر سازه در حوزه فرکانس میباشند. با جایگذاری روابط - 2 - و - 3 - در رابطه - 1 - و انجام ساده سازی رابطه - 4 - حاصل میشود که H - Ω - به عنوان ماتریس توابع پاسخ فرکانسی - FRF - تعریف می شود
محاسبه متحمل شده در بدست آوردن ماتریس H - Ω - با استفاده از رابطه - 5 - سنگین و پیچیده است، زیرا برای هر مقدار Ω یک ماتریس بزرگ و پیچیده باید معکوس شود. با استفاده از روش تجزیه و فرض معین بودن میرایی نسبی برای سیستم، میتوان ماتریس H - Ω - را بر حسب پارامترهای ارتعاشی سازه نیز تعریف نمود
