بخشی از مقاله
چکیده
این تحقیق شامل یک مطالعه تئوری و عددی در کاربرد الگوریتم ژنتیک برای پلهای با عرشه بتنی با استفاده از پاسخهای شتاب سنجی سازه می باشد. در این روش یک مدل اجزای محدود که حاکم بر معادله رفتار سیستم پل- وسیله نقلیه می باشد، بر اساس فرمولهای اجزای محدود پایه گذاری شده است.
در تحلیل معکوس حاصل، این روش برای تعیین سختی خمشی سازه با استفاده از پاسخهای شتاب سازه از چندین نقطه اندازه گیری، ارایه شده است. همچنین، منابع مختلف خطاها شامل تأثیر نویز و خطاهای اولیه بررسی شده اند. در این پژوهش مثالی عددی برای نشان دادن صحت و دقت الگوریتم ژنتیک بر روی یک پل با عرشه بتنی فرضی - که از این پس به اخنصار پل نامیده می شود - بررسی شده و نتایج آن قرار داده شده است.
-1 مقدمه
یکی از خواص ناخوشایند سیستمهای واقعی این حقیقت است که آنها شامل نواقص، عدم عملکردهای درست و بطور کلی مدهای رفتاری ناخواسته می باشند. این امر توضیح می دهد که چرا یک نیاز پیوسته برای نظارت دایمی و مطمئن سیستمها بر اساس استراتژیهای تشخیص نقص موثر وجود دارد. این امر بالاخص برای مهندسی سیستمهایی که پیچیدگی آنها بطور پیوسته بدلیل توسعه ناگزیر صنعت جدید و همچنین انقلاب اطلاعات و ارتباطات رشد می کنند، واجب می باشد. در طراحی و عملکرد سیستمهای مهندسی تشخیص خرابی یا آسیب نقش مهمی را در تئوری کنترل و عمل به آن بازی می کند.
خرابی یا آسیب1 به تغییری در یک سیستم سازه ای اطلاق می شود که این تغییر می تواند رفتار حال حاضر و یا رفتار آینده ی سیستم را مختل نماید. به بیان دیگر، هنگامی که در اثر بارهای وارده، یک ضعف در رفتار کل و یا یکی از عناصر سیستم سازه پدیدار گردد، این ضعف "خرابی یا آسیب" نامیده می شود. خرابی بر معادلات حاکم بر سیستم تأثیر می گذارد. لذا از طریق مقایسه ی یک سیستم سالم با سیستم خراب، می توان به میزان و موقعیت خرابی حادث شده پی برد. به چنین فرایندی، "تشخیص خرابی" اطلاق می گردد. خرابی را از نظر وسعت، می توان در مقیاس اندازه و زمان تعریف کرد.
در مقیاس اندازه، خرابی از آسیب دیدگی مصالح شروع شده و به خراب شدگی اجزا و نهایتا، آسیب دیدگی کل سازه ختم می شود. این در حالی است که در تعریف خرابی در مقیاس زمان، به مدت زمان گسترده شدن خرابی، توجه می شود - بعنوان مثال، خستگی جزو خرابیهایی است که در طول یک مدت زمان نسبتا طولانی، حادث می گردد - . از اینرو پایش سلامت سازه ها - بخصوص سازه های زیرساختی و مهم - طی سالیان اخیر از جایگاه ویژه ای برخوردار گردیده است.
پایش سلامتی سازه ها به مجموعه ی عملیاتی اطلاق می شود که عملکرد کنونی یک سازه را بررسی کرده و با توجه به شرایط موجود، راهکارهایی برای آینده تجویز می نماید. پایش سلامتی سازه ها، نه تنها باعث کاهش هزینه های مستقیم نگهداری و تعمیرات سازه ها بدلیل تشخیص خرابی در مراحل اولیه آسیب می شود، بلکه هزینه های غیر مستقیم موجود را هم بدلیل کمتر شدن تعداد بازبینی و ارزیابی سازه طی طول عمر، کاهش می دهد.
در پایش سلامتی سازه ها، تجزیه و تحلیل اطلاعات بدست آمده از بازبینی سازه، محل و موقعیت آسیب های رخ داده را مشخص می نماید، و بر این اساس، پیرامون عملکرد سازه در آینده، تصمیم گیری می شود.
بطور کلی، فرایند تشخیص خرابی را می توان در چهار سطح دسته بندی نمود. این دسته بندی در تحقیقات رایتر نیز در سال 1993، دیده می شود:
· سطح یک: تعیین وجود خرابی در سازه؛
· سطح دو: سطح یک به علاوه تعیین موقعیت هندسی خرابی؛
· سطح سه: سطح دو بعلاوه تعیین مقدار خرابی؛
· سطح چهار: سطح سه بعلاوه پیش بینی عمر باقیمانده سازه.
شایان ذکر است که عمده روشهای موجود، رسیدن به سطح دو را فراهم می سازند. برخی از روشها نیز، در کنار مدلسازی های سازه ای، دسترسی به سطح سه را ممکن ساخته اند. این در حالی است که برای دستیابی به سطح چهار، می بایستی مفاهیم وسیعی از مکانیک شکست، تحلیل خستگی، مبانی طراحی و غیره را در نظر داشت.
برای توضیح بهتر صورت مسأله ی تشخیص آسیب، سازه ی ساختمانی را بعنوان یک سیستم در نظر می گیریم. هر سیستم از سه بخش مهم تشکیل شده است که عبارتند از بخش ورودی، بخش اصلی سیستم و بخش خروجی. جایگاه هریک از این بخشها در شکل - 1 - نشان داده شده است. ارتباط موجود در بین این بخشها، به طراحان کمک می کند تا سیستمی پویا و کامل طراحی نمایند.
شکل - 1 - بخش های مختلف تشکیل دهنده یک سیستم
در یک سازه ی ساختمانی، کمیت هایی نظیر ماتریس های جرم، میرایی و سختی سازه، بخش اصلی سیستم را تشکیل می دهند. بارهای دینامیکی - مثل زلزله و یا انواع ارتعاشات اعمال شده به سازه - ، ورودی این سیستم تلقی می گردند. طبیعتا، پاسخ و عکس العمل های سازه در برابر این بارها هم، خروجی سیستم در نظر گرفته می شوند. به این ترتیب شکل - 1 - را برای یک سیستم سازه ای بصورت شکل - 2 - ترسیم می نماییم.
شکل - 2 - بخش های مختلف تشکیل دهنده سیستم سازه ی ساختمانی
آنچه در مبانی طراحی و بحث دینامیک سازه ها مطرح می شود، یافتن پاسخ سازه با معلوم بودن بخش اصلی و ورودی سیستم می باشد. این بحث، با توجه به شکل - 2 - بصورت رابطه زیر فرمولبندی می شود:
که در آن، - S - سیستم و - I - ورودی، معلوم بوده و مجهول مسأله، خروجی سیستم یا همان پاسخ سازه - O - ، می باشد. توجه شود که پاسخ سازه، می تواند کلیه پارامترهای دینامیکی سازه، نظیر پاسخ های تاریخچه زمانی و فرکانسهای طبیعی و اشکال مودی باشد.
موقعی که بحث پایش سلامت سازه مطرح می شود عملا مجهولات متعددی در سیستم نشان داده شده در شکل - 2 - ، مطرح می گردند. همانطوریکه قبلا اشاره شد هدف از پایش سلامت سازه ها، تعیین مشخصات اصلی سیستم از قبیل جرم، ضرایب سختی و میرایی بوده و آنچه که به عنوان نقطه شروع در دسترس است، سازه ساختمانی احداث شده می باشد. جهت رسیدن به هدف مذکور، نیاز است تا سایر مؤلفات سیستم سازه ای - ورودی و خروجی - معلوم و مشخص باشند.
این کار با مجهز نمودن سازه به سنسورهای ثبت داده و اعمال یک ورودی به سازه، صورت می پذیرد. باین ترتیب، تنها مجهول باقیمانده، بخش اصلی سیستم خواهد بود. لذا در بحث تشخیص آسیب با یک "مسأله معکوس" روبرو هستیم. این مسأله معکوس را می توان بصورت رابطه - 1 - فرمول بندی نمود. با این تفاوت که این بار، مجهول معادله، بخش اصلی سیستم - - S ، می باشدو هدف اصلی، تعیین ماتریس های مشخصات فیزیکی مدل آنالیزی سازه ی موجود - نظیر ماتریس های جرم، میرایی و سختی - است، به نحوی که این ماتریس ها قادر به تولید داده های ثبت شده از سازه ی نظارت شده باشند.
