بخشی از مقاله
چکیده
سکوهای فراساحلی جکت1 به خاطر شرایط بارگذاری گوناگون محیطی بسیار آسیبپذیر میباشند، بنابراین اطمینان از عملکرد صحیح آنها بسیار مهم و غیر قابل انکار است. از این رو مطالعات پیش رو در این پایاننامه به بررسی پردازش سیگنال در شناسایی مشخصات سازهای و همچنین استفاده از پردازش سیگنال برای شناسایی و تعیین موقعیت خرابی در بازوی یک سکوی فراساحلی جکت ، اختصاص خواهد داشت.
در این پژوهش، در ابتدا یک روش شناسایی خرابی بر اساس تحلیل آنتروپی موجک به کمک اطلاعات موجود از گرههای حسگر آزمایش ساختمان برشی سه طبقه و آزمایش بازوی شبیه سازی شده سکوی سلمان صورت پذیرفت. درجهت تشخیص خرابی بدون مرجع در بازوی سکوی مورد اشاره که سازهای خرپایی دارد، شناسایی خرابی بر پایه آنتروپی موجک نسبی پیوسته - CRWE - بدون اطلاعات مرجع از سازه اولیه پیشنهاد شد.
و مشاهده شد که روش آنتروپی موجک نسبی پیوسته بدون اطلاعات مرجع میتواند مکان خرابی را بدون اطلاعات اولیه از سازه سالم مشخص کند. بطور خلاصه این پژوهش روش قدرتمندی را در تعیین موقعیت خرابی بدون اطلاعات مرجع برپایه موجک پیشنهاد میکند. این روش پیشنهادی توسط اطلاعات موجود از آزمایشهای ساختمان برشی سه طبقه و بازوی سکوی سلمان در مقیاس آزمایشگاهی مورد تایید و ارزیابی قرار گرفت.
مقدمه
زوال سازهای عاملی است که منجر به بارگذاری بیش از حد و غیر قابل انتظار و در نتیجه تضعیف عملکرد سازه میشود، فلذا تنها راه جلوگیری از آن، نگهداری بموقع و تعمیرات بر پایه بازرسی و کنترل سازه می باشد. بسیاری از سازهها درحال نزدیک شدن به پایان عمر طراحی خود هستند و شرایط بهرهبرداریشان در اثر عواملی چون فرسایش، سیل یا زلزله روز به روز تنزل پیدا میکند.
درهمین راستا اطلاعیه زیرساختها که توسط جامعه مهندسین آمریکا - ASCE - در سال 2009 منتشر شده بیان میدارد که بیش از %26 پلهای ملی آمریکا از نظر سازهای معیوب محسوب شده یا عملکردشان مختل شده است. نمونهای از خرابیهای ایجاد شده در پلهای فولادی در شکل 1 نشان داده شده است. بنابراین امروزه نیاز چشمگیری به سیستم کنترل سلامت سازهای - SHM - 2 موثر و کارآمدی که بتواند اطلاعات دقیقی از شرایط سازه واقعی در زمان را فراهم آورد حس میشود.
شکل : 1 خرابی ایجاد شده دراثر افزایش عمر و خوردگی. الف - خوردگی در پل فولادی ب - خرابی بر اثر خوردگی
اخیراً تکنولوژیهای کنترل سلامت سازه با توجه به پیشرفت تکنولوژی حسگرها، پردازش سریع اطلاعات و ذخیره اطلاعات با مقیاس زیاد برای زیرساختهای عمرانی بطور چشمگیری توسعه پیدا کرده است. کنترل سلامت سازه یک سیستم موثر و اقتصادی و در نهایت یک سیستم کنترلی بموقع میباشد. از آنجاییکه که بسیاری از زیرساختهای عمرانی در حال زوال میباشند، کنترل سلامت سازه و شناسایی خرابی میتواند عامل بسیار مهمی در ایمنی عمومی سازه محسوب شود.
یکی از رایجترین رویکردها در کنترل سلامت سازه شناسایی خرابی برپایه ارتعاش1 و روشهای کنترل سلامت میباشد. از آنجاییکه صدمات فیزیکی در کاهش سختی و افزایش میرایی تاثیرگذار است، مشخصات مودال2 دینامیکی سازه که مربوط به سختی و میرایی و مشخصات جرم سازه میشود به عنوان عاملی در نمایش سلامت سازه در رویکردهای بر پایه ارتعاش استفاده می شود.
در این مقاله با لحاظ کردن تشخیص خرابی بموقع تحقیقات پیرامون کنترل سلامت سازه مورد مطالعه قرار گرفته است. یکی از مضرات سیستم کنترل سلامت سازه بر پایه بروز رسانی مدل، بارگذاری بیش از حد محاسبات متمرکز میباشد که منجر به ایجاد تعداد زیادی پارامترهای مودال میشود. علاوه بر این تشخیص پارامترهای مودال بدست آمده از پاسخهای دینامیکی یک پردازش ساده و ناچیز نیست. بطور مشخص توسعه شاخصهای حساس به خرابی - DSI - 3 به شکل موثر و سریع توانسته یک عامل بحرانی را تشخیص دهد و درنظر بگیرد. اطلاعات از شرایط سازهای توسط سیستم کنترل سلامت سازه همچنین میتواند هزینههای نگهداری را کاهش دهد.
تبدیل موجک پیوسته به عنوان گزینهای برای غلبه بر مشکلات تبدیل فوریه کوتاه مدت ارایه میشود. تحلیل تبدیل موجک پیوسته به همان شکل تبدیل فوریه کوتاه مدت انجام میشود، اما یک فرق اساسی بین تبدیل فوریه کوتاه مدت و تبدیل موجک پیوسته عرض پنجرهی مورد بررسی سیگنال میباشد. در تبدیل موجک پیوسته عرض پنجره برای تبدیل طبق مولفههای طیفی هر سیگنال محاسبه میشود.
این یعنی در تبدیل موجک برخلاف فوریه کوتاه مدت بجای بازههای زمانی با زمان های دقیق در تحلیل فرکانس سروکار داریم و این مزیت اصلی این روش میباشد. یک تبدیل موجک پیوسته برای تقسیم یک تابع پیوسته زمانی به موجک استفاده میشود. تبدیل موجک پیوسته با تبدیل موجک گسسته تفاوت-هایی دارد. تبدیل موجک گسسته با مقیاس و مقادیر موقعیت بر پایه قدرت توصیف میشود و تعداد ضرایب بعد از تبدیل به نصف تعداد دادههای اصلی کاهش پیدا میکند. اما یک تبدیل موجک پیوسته مقادیر باقی مانده را بهبود میبخشد و توصیفهای جزئی بیشتری از سیگنال و همان تعداد ضریبی را که در دادههای اصلی وجود دارد تولید میکند.
در بیشتر روشهای شناسایی خرابی بر پایه ارتعاش فرض میشود که سیگنالهای پاسخ که از حالت آسیب دیده و سالم بدست آمدهاند برای شناسایی خرابی در مکانهای مختلف سازه موجود میباشند. تغییرات دادههای مدل در بین حالت خط پایه و حالت کنونی سپس برای شناسایی مکان خرابی ممکن در سازه مورد استفاده قرار میگیرد.
ازآنجاییکه دادههای خط پایه برای اغلب سازههای موجود معمولاً دردسترس نیستن د این روشها نمی تواند خیلی کاربردی باشد. در دو دهه اخیر مطالعات زیادی به انگیزه توسعه رویکردی موثر برای تشخیص خرابی سازهای بدون اطلاعات اولیه از حالت آسیب ندیده سازه صورت گرفته است. عموماً داشتن سیگنالهای حالت آسیب ندیده از بسیاری از زیرساختهای عمرانی کنونی غیرممکن است.
Diehl و [1] Nigbor یک سیستم اخطار دهی ایمنی و یکپارچه برای کنترل خرابی دو برج بلند در تایلند و کره را توسعه دادند. Al-khalidy و همکاران [2] یک تبدیل موجک گسسته عادی دیگر را برای تشخیص خرابی ناشی از خستگی در سیگنالهای کنترل شده بکار بردند.
Wang و [3] Liew مشاهده کردند که موقعیت ترک در طول عضو سازه ای میتواند با تغییرات ضرایب موجک شناسایی شود. همچنین بطور مستقیم تبدیل موجک گسسته را در سیگنالهای پاسخ سازهای برای شناسایی مکان ترک در طول یک تیر بکار بردند. Sampaio و همکاران [4] یککنیکت شناسایی خرابی را که مستقیماً مقادیر انحنای شکل مودی سازه آسیبدیده را از مقادیر سازه آسیب ندیده کم میکرد پیشنهاد دادند.
Aktan و همکاران [5] از پل Commodore در فیلادلفیا به عنوان بستر آزمایشی برای سیستم کنترل بموقع سلامت سازهای و توسط مدل ریاضی منطبق بر آن استفاده کردند. Hou و [6] Hera خطای ناگهانی در مدل المان محدود سازه الگوی انجمن مهندسین عمران آمریکا را به وسیله کنترل کردن نقاط قله که در جزئیات سطوح بالاتر از پاسخ شتاب شبیه سازی شده، وجود داشتند با استفاده از تبدیل موجک بطور موفقیت آمیزی شناسایی کردند.
Kim و همکاران [7] روش بدون اطلاعات مرجع با استفاده از امواج هدایت شده را ابداع کردند.آنها یک ابزار شناسایی ترک بدون اطلاعات مرجع را برای یک سازه شبه صفحهای با ضخامت یکسان پیشنهاد دادند که به همراه سیگنالهای موج Lamb آزمایشگاهی اندازهگیری شده بود. Grabowska و همکاران [8] تبدیل موجک گسسته را در امواج Lamb درحال انتشار در جهت شناسایی ترکهای خستگی بکار بردند. Frizzarin و همکاران [9] یک روش شناسایی خرابی در محدوده زمان بدون اطلاعات مرجع را بر پایه تحلیل میرایی غیر خطی از پاسخهای ارتعاشی سازهای اندازهگیری شده توسعه دادند.
سازه بازوی جکت مورد مطالعه
سازه بازوی سکوی جکت نفتی سلمان در ابعاد آزمایشگاهی برای مطالعات کنترل سلامت سازه طراحی و ساخته شده است. سازه مورد اشاره با ابعاد طول×عرض×ارتفاع، 4/8× 0/56 × 0/42 متر و هشت دهانه ساخته شده است. پیکربندی هندسی سازه بازوی سکو جکت آزمایشگاهی در شکل 2 نشان داده شده است
شکل :2 پیکربندی سازه بازوی جکت آزمایشگاهی الف - دید نما
الگوریتم تعیین موقعیت خرابی بدون اطلاعات مرجع بر پایه تبدیل موجک پیوسته
مفهوم کلی و بنیادی تبدیل موجک پیوسته در بسیاری از متون فنی به عنوان یک حالت از روش تحلیل در محدوده زمان- فرکانس توضیح داده شده است. تبدیل موجک میتواند داده در محدوده زمان را به دادهای در محدوده زمان و فرکانس تبدیل کند.
انعطاف در انتخاب ازبین طیف گسترده موجکهای مادر، به تبدیل موجک این قابلیت را میدهد تا تغییرات را در یک سیگنال بتواند مجزا کند، که این عمل ممکن است برای شناسایی با استفاده از روشهای تبدیل دیگر مانند تبدیلهای فوریه مشکل باشد. تبدیل موجک پیوسته یک سری سیگنال در محدوده زمان y - t - ، با درنظر گرفتن تابع موجک مادر - - f بطور ریاضی توسط معادله زیر تعریف میشود
در رابطه فوق، Q به ضرایب موجک تبدیل موجک پیوسته اشاره میکند، j و k به ترتیب پارامترهای مقیاس و انتقال هستند، - f - مزدوج مختلط موجک مادر - - f را نشان میدهد. موجک Meyer به عنوان تابع موجک مادر انتخاب شده است. برای موجک مادر Meyer فرکانس پایهای شامل بازه فرکانسی از 31 هرتز تا 34 هرتز میباشد. لذا برای عمل شناسایی از موجک Meyer با تعداد مقیاس 500 استفاده شده است.
ضرایب شتاب اندازه گیری شده تبدیل موجک پیوسته در محلهای آسیبدیده و آسیبندیده از سازه بازوی جکت آزمایشگاهی توسط موجک Mayer تبدیل شده و بوسیله گرافهایی که در شکل 3 نشان داده شده مقایسه شده است. سیگنالهای شتاب برای هر دوحالت آسیبدیده و آسیب ندیده اندازهگیری شده است.
