بخشی از مقاله
خلاصه
اهمیت داشتن توانایی برای نظارت بر سلامت سازه و شناسایی آسیب در سریعترین زمان ممکن، یکی از مهمترین دغدغه های مهندسان است. این اهمیت ناشی از آن است که آسیب و تخریب یک سازه در حین خدمت می تواند خسارات مالی و جانی بسیار شدید و بعضاً جبران ناپذیری را به دنبال داشته باشد. عیب یابی با استفاده از داده های شکل مود و فرکانس های طبیعی یکی از روش های عیب یابی در زمینه پایش سلامت سازه ها است.
در این مقاله مدل اجزای محدود قاب چند طبقه سه بعدی با استفاده از نرم افزار MATLAB نوشته شده و به بررسی خرابیهای مفروض بر اساس روش پایش سلامت سازه، پرداخته شده است. با نوشتن کد تابع حساسیت شکل مود و فرکانسهای طبیعی بر اساس الگوریتم بهینه سازی، عیب یابی المان ها انجام شد. سپس گستره اعتبار این کد برای حالات مختلف خرابی بررسی گردید. نتایج به دست آمده حاکی از دقت روش عیبیابی با استفاده از فرکانس های طبیعی و مودهای ارتعاشی می باشد.
.1 مقدمه
با توجه به اینکه زیرساخت های عمرانی عمر مفید و مشخصی دارند، که حتی به دلایلی چون بلایای طبیعی، عدم قطعیت های طراحی، اجرای نامناسب سازه، عدم کیفیت مصالح و ... احتمالا به عمر پیش بینی شده خود نیز نمی رسند و فجایع بسیاری را رقم می زنند؛ پی بردن به وضعیت فعلی سازه اهمیت بسیار بالایی برای مهندسان سازه دارد. شکل 1، زلزله 1995 کوبه ژاپن را نمایش می دهد که با عیب یابی به موقع از فاجعه زیادی جلوگیری می شد.
برای پی بردن به وضعیت سازه می توان از روش های عیب یابی مخرب بهره برد. روش های مخربی مثل انواع نمونه برداری ها از سازه و بررسی نتایج آزمایشگاه بر روی نمونه ها، و روش غیر مخربی مثل تکنیک های تشخیص خرابی محلی؛ هر چند همچنان مفید و مرسوم است اما چالش های بسیاری نیز پیش رو دارند:
عدم دسترسی به تمام بخش های سازه جهت نمونه برداری و یا تشخیص خرابی هزینه بسیار بالا برای پایش مستمر سازه با روش های ذکر شده صرف زمان و نیروی انسانی بسیار زیاد روش های مخرب خود به سازه آسیب می زنند به روش های تشخیص آسیب سراسری،کلی و خودکار دیگری نیاز است
.2 پایش سلامت سلامت
پایش سلامت سازه1 روند اجرای یک استراتژی تشخیص خرابی به روش غیر مخرب - NDE - 2 است که به صورت سرتاسری به پایش مستمر سازه می پردازد و سازه را عیب یابی می نماید. اهداف پایش سلامت سازه ها بدین شرح می باشد: - 1تشخیص وجود خرابی - 2معرفی المان خراب - 3تعیین شدت خرابی - 4پیش بینی عمر مفید سازه در اینجا لازم است تعریف مشخصی از خرابی ارائه نماییم، در این مقاله خرابی به معنای تغییر در مصالح ویا خواص هندسی یک سیستم سازه ای یا مکانیکی، شامل تغییرات شرایط مرزی و اتصال سیستم، که بر روی عملکرد فعلی یا آینده آن سیستم تاثیر منفی می گذارد. در این تعریف مفهوم از خرابی، مقایسه بین دو حالت مختلف از سیستم است.
.1-2تاریخچه پایش سلامت سازه ها در سازه های ساختمانی
در اوایل کار در زمینه پایش سلامت سازه، بیگ - - 1976 و والدیور - - 1977 نشان دادند از دست دادن یک عضو در یک سازه می تواند به تغییر در فرکانس طبیعی به اندازه سی درصد منجر شود .[2] [1] در واقع، اگر یک عضو در حالت اساسی تحت فشار نیست، پس از دست دادن آن عضو هیچ تاثیری بر روی فرکانس یا شکل مود ندارد. با همان استدلال، اگر سازه استاتیکی شد، با از دست هر عضو، سازه ناپایدار می شود.
فریسول و همکاران - 1997 - ، نشان دادند در سازه های بتنی که در آن با کمک بتن سختی بیشتر است، زوال آرماتورها، تغییر کمتری در فرکانس طبیعی ایجاد می نماید.
اوسیگودا و همکاران - - 1992 و همچنین فاکس - - 1992 استفاده از داده های فرکانس طبیعی و شکل مود را مورد بررسی قرار داده، نشان دادند که تغییرات شکل مود حساس به خرابی سازه محلی نیست .
سون و لئو - - 1999 یافتند که خطا در اندازه گیری و مدل سازی را می توان به صراحت تشخیص داد. هدف از این روش تعیین این است که پارامترهای اندازه گیری از سازه سالم یا آسیب دیده است.
زیائو و همکاران - 2002 - 3 یک روش آماری را با ترکیب فرکانس و شکل مود برای آشکارسازی خرابی ارائه نمودند. با مقایسه دادههای ارتعاشی اندازهگیری شده سازه قبل از خرابی و یا آنچه از مدل اجرا محدود سازه بدست آمده است با مقدار این دادهها پس از خرابی مدل، اجزا محدود سازه را بهگونهای بهنگام گردید که مقادیر اندازهگیری شده و پیشبینی شده تا حد امکان به یکدیگر نزدیک شوند
بختیاری نژاد و همکاران - 2007 - با استفاده از روش دینامیکی و آزمایش های استاتیکی و فرکانس های طبیعی، وجود و شدت خرابی بک خرپا و یک قاب اجزای محدود دو بعدی را بررسی و با نتایج تجربی اعتبار سنجی کرد.
اسفندیاری و رضایی فر - 2007 - یک خرپا و یک قاب اجزای محدود و تجربی و با استفاده از بردارهای ویژه ناقص اندازه گیری شده و مقادیر ویژه، و روش برآورد پارامترها و فرکانس های طبیعی، وجود و شدت خرابی را بررسی کرد
رضایی فر و همکاران - 1390 - با استفاده از روش دینامیکی و تکنیک فرکانس طبیعی و شکل مود و معیار MAC1 و، وجود خرابی در سازه های پانلی دو بعدی سقفی و دیواری در نرم افزار ANSYS و تست مودال، تشخیص داد
کیورلی و همکاران - 2012 - 2 روشی برای عیبیابی سازه با استفاده از دادههای ناقص مودال ارائه نمودند. این روش در حالت نویز دار بودن دادهها و ناقص بودن دادههای مودال مورد بررسی قرار گرفت. دو مثال عددی یکی تیر سراسری و دیگری قاب سه طبقه دو بعدی با استفاده از الگوریتم ارائه شده در چند حالت خرابی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج شناسایی خرابی در این مقاله کارایی روش ارائه شده را نشان میدهد
اسفندیاری3 و همکاران - - 2013 با استفاده از روشی مبتنی بر فرکانس طبیعی برای تشخیص خرابیهای موضعی که باعث کاهش سفتی سازه میشود پرداختند. در تکنیک آنها از تغییرات شکل مودهای سازه که در روش فاکس آورده شده برای بهبود بخشیدن به معادله حساسیت فرکانسی استفاده شده است. نتایج این روش با خرابیهای ایجاد شده در المانهای یک خرپا و قاب دو بعدی مورد بررسی قرار گرفت و کارایی این روش نشان داده شد
روشهای دقیق - روش جبری و روش نلسون - برای محاسبه تابع حساسیت بردار ویژه نیاز به تجزیه ماتریس برای هر تابع حساسیت دارد و در نتیجه وقت گیر می باشد. روش مودال ممکن است روش موثر برای آنالیز تابع حساسیت باشد، اما خطای کوتاهسازی مودال را دارد. از این رو لی و همکاران - 2015 - 4 روشی برای بیان دقیق خطای کوتاهسازی مودال ارائه نمودند. در این روش از جمع شکل مودهای در دسترس و ماتریس سیستم برای رفع این خطای استفاده شده است. نتایج عددی به دست آمده نشان میدهد که روش ارائه شده کارایی مناسب و دقیقی در رسیدن به نتایج مورد قبول دارد و با وجود پیچیدگی محاسبات کارایی این روش توجیه میشود
.3 استخراج معادله حساسیت فرکانس طبیعی
ارتعاش آزاد یک سیستم با n درجه آزادی بدون میرایی بوسطه رابطه زیر 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.
