بخشی از مقاله
خلاصه
با توجه به افزایش عمر سازههای مهندسی عمران، توانایی شناسایی وضعیت فعلی سازههایی که در زمانهای گذشته ساخته شدهاند و تحت تاثیر شرایط محیطی و بهره برداری مختلفی در طول عمر خود بوده اند، اهمیت بسزایی برای استفاده کنندگان و مالکان این سازه ها در زمان حال دارد. در واقع هدف از پایش سلامت سازه تعیین وضعیت فعلی سازه و مشخص نمودن نقاط ضعف و خرابیهای محتمل در سازههای موجود است. از جمله این روش ها، تشخیص خرابیها با استفاده از تغییر در مشخصات دینامیکی و استاتیکی است که مطالعات زیادی در آن زمینه صورت پذیرفته است.
استفاده از دادهای دینامیکی جهت عیب یابی در قیاس با دادهای استاتیکی بیشتر مورد توجه پژوهشگران بوده است. علت آن حساسیت بیشتر دادههای دینامیکی به خرابی می باشد. از این رو در این مقاله، روش عیبیابی غیر مخربی با استفاده از دادههای شکل مود ارائه میشود. این روش براساس بهنگامسازی مدل و حل معادلات حساسیت و بر پایه مدل میباشد. در این مقاله، کارایی روش پیشنهادی در تشخیص وجود، محل و شدت خرابی در یک خرپا بدلیل کاهش صلبیت محوری در اعضای خرپا بررسی شده و توانایی آن مورد سنجش قرار گرفته است.
.1 مقدمه
با افزایش تعداد و ابعاد سازهها، امکان تشخیص خرابی و زوال آنها با استفاده از روشهای سنتی نظیر اولتراسونیک و چکش اشمیت غیر ممکن میباشد زیرادر تمامی این روشها ابتدا لازم است محلهای بروز خرابی با بازرسی از کل سازه مشخص گردد. بازرسی از چنین سازههایی بسیار پر هزینه، وقتگیر و همراه با خطاهای انسانی است. بررسی سلامت سازهای روشی است که میتواند تغییرات به وجود آمده در مشخصات دینامیکی سازه را تشخیص دهد. این روشها در سازه های عمرانی، مکانیک و هوافضا مورد استفاده بوده و در سال های اخیر به سرعت توسعه یافتهاند که معمولاً در چهار سطح طبقه بندی می شوند:
-1تشخیص وجود خرابی در سازه
-2 تشخیص محل خرابی در سازه
-3 تشخیص شدت خرابی موجود در سازه
-4 پیش بینی عمر بهره برداری باقیمانده سازه.
به طور معمول در سازههای عمرانی سه سطح اول تشخیص خرابی مورد توجه میباشد و دلیل آن وابستگی این سه سطح به مشخصات دینامیکی و مدلسازی است. سطح چهار تشخیص خرابی در مورد تحلیلهای خستگی و ارزیابی سازهای مورد استفاده می باشد.
.2 مروری بر پیشینه تشخیص خرابی
بررسی سلامت سازهای* در سازهها از دهه 70 میلادی مورد توجه محققان سازههای مربوط به صنایع هوا فضا قرار گرفته است. دلیل این امر عدم امکان بازرسی چنین سازههایی در فضا میباشد. ایده اصلی در بررسی سلامت سازهای آنست که از شناسایی تغییرات به وجود آمده در مشخصات دینامیکی و یا استاتیکی سازه بتوان به وجود خرابی در سازه پی برد.
در واقع، مشخصات مودال - فرکانسهای اصلی، شکل مدی - و یا مشخصات استاتیکی - خیز - تابعی از مشخصات فیزیکی نظیر جرم، سختی و میرایی هستند که بروز خرابی در سازه سبب تغییر این مشخصات خواهد شد. برای سنجش پاسخ دینامیکی سازه از بارگذاری ضربهای کنترل شده و یا ارتعاشات تصادفی بعلت بار باد و یا عبور وسایل نقلیه و برای سنجش پاسخ استاتیکی از بارگذاری بر روی سازه استفاده میشود
از اولین پارامترهای مورد استفاده در تشخیص سلامت سازهای، فرکانسهای طبیعی ارتعاش است که درآنها فرکانس طبیعی سازه موجود در محل و با استفاده از تجهیزاتی ویژه برداشت شده و سپس با فرکانس طبیعی سازه سالم مقایسه میگردد. در صورت بروز خرابی، سختی سازه کم و در نتیجه فرکانس طبیعی سازه کاهش خواهد یافت. فرکانس طبیعی سازه یک مشخصه کلی سازه بوده و تنها قابلیت تشخیص وجود خرابی در سازه را خواهد داشت - سطح 1 تشخیص خرابی - و هیچ اطلاعاتی در مورد محل و شدت خرابی به دست نخواهد داد.
به همین جهت نیاز است تا فرکانس مدهای بالاتر نیز استخراج شود تا به کمک آن بتوان اطلاعات مفیدی به دست آورد که اندازهگیری فرکانس مدهای بالاتر سازههای بسیار بزرگ نظیر پلها در عمل بسیار پیچیده میباشد. فرار و همکاران[3] وجود خرابی در پل I40 را با استفاده از شناسایی تغییرات در فرکانس طبیعی مورد بررسی قرار دادند. آنها متوجه شدند در شرایطی که سختی یکی از شاهتیرهای اصلی به میزان قابل توجهی کاهش داشت، تغییر کمی در فرکانس به وجود آمده است. همچنین، در برخی موارد ممکن است برای تشخیص محل خرابی نیاز به تعداد زیادی ازفرکانسهای طبیعی باشد که این امر درعمل مشکلات فراوانی را تولید خواهد نمود.
روش دیگر، استفاده از شکل مودی است. تحقیقات انجام شده توسط وست[4] جزء اولین تحقیقات بر روی تشخیص خرابی با استفاده از شکل مودی و بدون نیاز به مدلسازی اجزاء محدود بوده است. در این تحقیق همبستگی بین مودهای یک سازه، قبل و بعد از بارگذاری تعیین گردیده و از مقایسه بین آنها محل خرابی تشخیص داده شده است.
فاکس[5] نشان داد که روش ارائه شده توسط وست برای تشخیص برخی خرابیها دارای نقایصی است و لذا استفاده از نقاط بیشتر برای سنجش شکل مودی را پیشنهاد نمود. مشخصه دینامیکی دیگری که مورد توجه محققان قرار گرفته، انحنای مدی است. انحنای مدی در واقع معرف مشتق دوم شکل مودی است. انحنای مدی با کرنش سطح عضو مورد آزمایش در ارتباط میباشد و لذا با تغییر سختی در قسمتی از عضو به دلیل بروز خرابی، انحنای مدی نیز به طور محلی تغییر خواهد نمود.
کام و لی روشی تحلیلی برای تعیین محل ترک و اندازه آن بر اساس فرکانس ها و شکل مودهای ارتعاشی ارائه نمودند.محل ترک با جداسازی سازه و جستجو درالمان های با سختی کاهش یافته تعیین شد. روابط با بسط تیلور درجه اول از مشخصات مودال براساس پارامترهای المان ها بدست آمدند.سپس اندازه ترک بر اساس روابط تغییر در انرژی کرنشی ناشی از ترک محاسبه شد.
لیو یک روش بهنگامسازی برای محاسبه پارامترهای جرم و سختی یک خرپا با استفاده از فرکانسها و شکل مودهای مودال با مینیمم نمودن نرم نیروی خطای مودال ارائه نمودند. با این روش نویسندگان نشان دادند که چنانچه اطلاعات مودال مناسبی در اختیار باشد میتوان پارامترهای هر المان را با استفاده از فرکانسهای مودال و شکل مودهای اندازهگیری شده و دو ماتریس که نشان دهنده جهت المانها در فضا و چگونگی اتصال المانها میباشند، بدست آورد. در این روش نشان داده شد که پارامترهای المانها منحصر بهفرد بوده و در حالت کلی کمینه میباشند. در این روش برای تعیین المانهای آسیب دیده در یک خرپا با استفاده از چهار شکل مود اندازهگیری شده مورد استفاده قرار گرفت.
.3 روش مودال
ارتعاش آزاد یک سیستم سازهای با n درجه آزادی بدون میرایی به وسیله رابطه - 1 - بیان می شود:
در رابطه فوق M و K ماتریس های - n n - جرم و سختی سازه و U نیز بردار جابجایی های گرهی می باشد. در اغلب سازه ها این ماتریس ها متقارن و معین می باشند. با فرض یک جابجایی هارمونیک برای معادله - 1 - خواهیم داشت:
در روش مودال به کمک مشتق مرتبه اول شکل مود، میتوان تغییرات شکل مود را با استفاده از تقریب مرتبه اول بیان نمود. از سویی دیگر میتوان گفت نرخ تغییرات هر یک از بردارهای ویژه سازه آسیب دیده ترکیبی خطی از کلیه بردارهای ویژه سازه سالم می باشد.
