بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از حسگرهای باقابلیت خود تشخیصی که علاوه بر تعیین میزان نیروی وارده، عملکرد دیگری مانند تشخیص خصوصیات ترافیک عبروی بر روسازی بتنی به عهده بگیرند، در حال حاضر توسعه زیادی یافته است و بخش مهمی از سیستم راههای آینده است. در این تحقیق امکان استفاده از حسگرهای هوشمند بتنی بهعنوان حسگرهای تعیین بار خودرو در روسازی بررسی خواهد شد. از این حسگرها میتوان بهعنوان حسگرهای تعیین بار خودرو و شمارشگر اتومبیل در روسازی استفاده نمود.
لذا اهمیت این تحقیق در توسعه زیرساخت هوشمندی است که قادر است نقش موثری در ایجاد یک راه هوشمند داشته باشند و علاوه بر ایجاد بستری مناسب برای عبور جریان ترافیک، با تعیین وزن و تعداد ترافیک عبوری بر روی روسازی، بتوانند جانشین مناسبی برای حسگرهای موجود باشند.
به منظور شبیهسازی شرایط وجود حسگر در جسم روسازی، یک حسگر بتنی کوچک ساخته شد و در میان یک المانی از روسازی بتنی جایداده شد. به منظور فرمولبندی رفتار تشخیص بار ترافیک در جسم روسازی، المان بتنی تحت بارگذاری قرار گرفت و رفتار الکتریکی حسگر بتنی در مقابل رفتار مکانیکی آن مدلسازی شد. نتایج نشان داد که حداکثر بار خارجی وارده به حسگر - Fmax - با حداکثر پاسخ حسگر - - Smax رابطه بسیار قویی - R2adj.>0/99 - دارند. این نتیجه به ما کمک خواهد کرد که بر اساس فرمولبندی ارائه شده، حسگر بتنی قابلیت تخمین وزن چرخ وارده به روسازی را بدست آورد.
.1 مقدمه
حسگر ساختهای است کهپیشامد یا مقدار تغییرات پارامتری را شناسایی کرده و در قالب خروجی مرتبط - عموماً سیگنال الکتریکی یا نوری - نشان میدهد. [1] ایجاد خاصیت تشخیص به بتن با اضافه کردن الیاف یا ذرات هادی در مقیاس و جنسهای مختلف امکان پذیر است.[7-1] با اضافه کردن الیاف هادی مانند نانولوله کربنی به بتن به دلیل ایجاد شبکههای فضایی از الیاف نانولوله کربنی، - شکل - 1 یک شبکه هادی در بتن ایجادشده و بتن هادی میشود.
شکل-1 مکانیزم کارکرد حسگر بتنی
بر اساس تحقیقات بهعملآمده مقاومت حسگر تهیهشده از نانولولههایکربنی در خمیر سیمان از دو مقدار نشاءت میگیرد. اول مقاومت خود نانولولههایکربنی و دیگری مقاومت خمیر سیمان در مرز مشترک بین دو نانولوله کربنی است که از آن به مقاومت تونلی نیز نامبرده می شود شکل . - 2 - مقاومت حسگرهای فشارسنج الکتریکی تا حدود زیادی به چگونگی قرارگیری شبکه نانولولههایکربنی و تعداد محلهایی که نانولولهها باهم مرز مشترک دارند وابسته است. که این عامل به کیفیت پخش نانولولهها وابسته است
از مقاومت خود نانولولهها در مقابل مقاومت تونلی که بسیار بیشتر از مقاومت ذاتی نانولولههایکربنی است صرفنظر میشود. ازاینرو مقاومت حسگرها ناشی از مقاومت تونلی آنهاست. مقاومت تونلی ناشی از تغییرات در میزان ضخامت سطح تماس خمیر سیمان با نانولولههایکربنی ناشی از بار اعمالی است. در حالتی که بار باعث فشرده شدن ناحیه انتقالی شود سبب نزدیک شدن دو نانولوله به هم شده و باعث کاهش مقاومت می شود. ولی درصورتیکه بار باعث کشیده شدن ناحیه انتقالی شود در این حالت تماس بین خمیر سیمان با نانولولههایکربنی تا حدودی کم شده و باعث افزایش مقاومت میشود.
شکل -2 مکانیزم عمل نانولولهکربن در تشخیص بار یا خرابی
ایجاد خاصیت رسانایی الکتریکی در مصالح میتواند از جهات مختلفی مفید باشد ازجمله ساخت حسگرهایی فشارسنج الکتریکی باقابلیت برداشت تنش-کرنش و یا بار-تغییرمکان[13-8] یا حسگرهایی باقابلیت برداشت میزان خسارت در بتن.[18-14] ویدو با استفاده از مصالح سیمانی مسلح شده با نانولولههایکربنی پلی را ساخت و با بهرهگیری از خواص خودتشخیصی مصالح بتنی، سلامت سازه را بررسی کرده و همچنین سرعت، وزن محور و جریان ترافیک عبوری روی پل را نشان داد
شکل-3 هوشمند سازی پل ازنظر سازهای و ردیابی ترافیکی با استفاده از نانولولهکربن.
در تحقیق دیگری که زیر نظر اداره تحقیقات راه مینهسوتا - MnROAD - در محلی به فاصله 40 کیلومتری از مینیاپلیس در مسیر آزمایشهای میدانی1 انجام شد - شکل - 4 از دو نوع حسگر بتنی - ساختهشده در محل و ساختهشده در آزمایشگاه و نصبشده در محل - به همراه کرنشسنجهایی که در محل آرماتورهای طولی قطعات بتنی نصبشدهاند استفاده شد
شکل -4 ساخت و اجرای بتن هوشمند در محوطه مسیر آزمایشی واقع در 40 کیلومتری مینیاپلیس7]،.[6
نتایج نشان داد پاسخ حسگرهای بتنی در تشخیص میزان بار وارده شده توسط کامیون، به جسم روسازی، از پاسخ حسگرهای الکترومکانیکی، واضحتر و دقیقتر بود.
حسگر فشارسنج الکتریکی قادر به تشخیص نیروی وارده به سازه بر اساس تغییرات مقاومت الکتریکی است. اساس کار فشارسنج الکتریکی بر پایه رسانایی الکتریکی تونلی2 نانولولههایکربنی استوار است. خاصیت رسانایی الکتریکی تونلی در مقادیر کم نانولولهکربن ایجاد میشود21] ،7،.[4 با استفاده از این خاصیت میتوان مقدار بارگذاری وارده به سازه را پایش نمود[22] و یا وزن وسایل نقلیه، سرعت و نوع آنها را نیز مشخص نمود[15,23,24] در این میان، کنترل وزن و بار اتومبیلها به جهت حفاظت از زیرساختها ساختهشده نقش اساسی دارد.
هان و همکاران در تحقیقی، رویههای بتنی خود تشخیصدهندهای را ساختند و قابلیت تشخیص وزن عبوری چرخ از روی این روسازی را مورد ارزیابی قراردادند. نتایج نشان داد که عبور چرخ از روی حسگرهای بتنی باعث تغییرات محسوس مقاومت الکتریکی این حسگرها شد. آنها نتیجه گرفتند که ترافیک عبوری به وسیله این نوع از حسگرها، قابلتشخیص بوده و با اندازهگیری بزرگی تغییرات الکتریکی پاسخ حسگر، نوع وسیله نقلیه نیز قابلتشخیص است. در این تحقیق از دو شبکه میلگرد در بالا و پایین روسازی و عمود برجهت بارگذاری بهعنوان الکترود استفاده شد
یو و همکاران[26]، دو نوع حسگر بتنی پیشساخته و ساختهشده در محل را در داخل یک روسازی بتنی در محل آزمایش میدانی مینیسوتا قراردادند. الکترودهای این دو حسگر از نوع مش فولادی بود که در بالا و پایین حسگرها جایداده شده بود. در این تحقیق دو وسیله نقلیه سبک و سنگین با سرعتهای مختلف از روی حسگرهای ساختهشده درون روسازی عبور کردند نتایج نشان داد که هر دو حسگر حساسیتی مشابه به عبور خودروها دارند. همچنین مشاهده شد که تغییرات مقاومت الکتریکی دو سر حسگر با عبور وزن بیشتر، مقادیر بیشتری را نشان میداد.
بهعلاوه، نتایج مشخص کرد که عبور وزن یکسان در سرعتهای مختلف رفتار یکسانی را در حسگر ایجاد میکند. لذا آنها نتیجه گرفتند که، پاسخ حسگر بهسرعت وسیله نقلیه وابسته نیست. همچنین در این تحقیق، در قسمت پایین مقطع حسگر، در کنار شبکه فولادی، از حسگر الکترومکانیکی متداول نیز استفادهشده بود. نتایج نشان داد هنگام عبور اتومبیل با وزن سبک از روی حسگر بتنی، حسگر بتنی تغییرات محسوسی را ارائه مینمود ولی حسگر الکترومکانیکی قادر به تشخیص مؤثر و باکیفیت اتومبیل سبک نبود و برداشتها با مقادیر زیاد اغتشاش همراه بود.
ون و همکاران،حسگر بتنی به شکل تیرچه بتنی حاوی مقادیر الیاف کربنی ساختند و تحت آزمایش خمش سهنقطهای خاصیت پایش خسارت و تعیین وزن آن را مورد ارزیابی قراردادند. الکترودها در این نوع حسگر از نوع پوششی بود و در دو انتهای حسگر قرار داشت. نتایج نشان داد در هنگام بارگذاری خمشی، قسمتی از تیرچه بتنی که تحتفشار قرار داشت به دلیل افزایش اثر تونلی با کاهش مقاومت الکتریکی همراه بوده و لذا سنجش وزن میسر خواهد شد
