بخشی از مقاله
چکیده
کنترل سلامت سازه اخیراً در بسیاری از زیرساختهای مهم عمرانی و سازههای با مقیاس بزرگ از قبیل سکوهای فراساحلی جکت، پلها، سازههای صنعتی بزرگ و سدها مورد توجه قرار گرفته است. به عنوان نمونهای از این سازهها میتوان به 140هزار پل بزرگراهی از بین 600 هزار پل بزرگراهی در آمریکا اشاره کرد که عمر آنها نزدیک به 50 سال است و به پایان عمر طراحی خود نزدیک میشوند و همچنین سکوهای فراساحلی نفتی که تحت شرایط محیطی نامطلوب قرار دارند و بعضاً عمر طراحی آنها از 40 سال نیز فراتر رفته است.
فلذا بیشتر این سازههای با مقیاس بزرگ در حالت سرویس به خاطر شرایط محیطی در معرض زوال و نابودی قرار دارند. بنابراین مراقبت و نگهداری بموقع سازه توسط روشهای قدرتمند کنترل سلامت سازه از این جهت حائز اهمیت است که این توانایی را دارد تا خرابیهای ایجاد شده را بموقع تشخیص داده و از وقایع فاجعه بار جلوگیری کند. در این پژوهش، یک روش شناسایی خرابی بر اساس تحلیل موجک گسسته به کمک اطلاعات موجود از گرههای حسگر آزمایش ساختمان برشی سه طبقه و آزمایش بازوی شبیه سازی شده سکوی سلمان صورت پذیرفت.
مقدمه
در طی قرن گذشته با رشد اقتصاد جهانی، سرمایهگذاری در زیرساختهای عمرانی افزایش پیدا کرده است. در دو دهه اخیر نیز در بیشتر کشورهای درحال توسعه زیرساختهای عمرانی بطور چشمگیری مورد توجه بوده و توسعه پیدا کرده است . از سویی دیگر، نگرانی از امنیت این سازهها نیز همیشه مورد توجه بوده است که این نگرانی به خاطر احتمال آسیب دیدن اینگونه سازهها است که میتواند موجب اخلال در نظم اجتماعی و همچنین خسارات بزرگ مالی و جانی شود. هدف اصلی از کنترل سلامت سازه ارزیابی اطلاعات شرایط کنونی و ثبت خرابی ناگهانی و تشخیص وجود خرابی در سازه است.
علاوه بر این کاربرد این سیستم میتواند بر اساس ارزیابی اطلاعات سلامت سازه و بهتبع آن تعمیرات قسمتهای زوال یافته سازه به حفظ توانایی سرویسدهی و افزایش عمر سرویسدهی منجر شود. امروزه کاربرد پردازش سیگنال1 به عنوان یک ابزار قدرتمند در بسیاری از شاخههای علوم پزشکی و علوم مهندسی به شکل روزافزونی در حال افزایش است. ابزارهای پردازش سیگنال متعددی امروزه وجود دارند که به عنوان مهمترین آنها میتوان از تبدیل فوریه - FT - 2 و انواع تبدیل موجک - WT - 3 نام بردمشخصات. مودی ارتعاش صرفاً برای تشخیص سریع خرابی در محلهای مشخص در سازههای زیربنایی عمرانی پیچیده کافی نیستند.
علاوه بر این بیشتر روشهای تشخیص خرابی اخیر نیازمند اطلاعات جامعی از سازه هستند که همیشه دردسترس نیست . این مقاله اشاره به چالشهای اخیر و مشخصههای مورد نیاز در روشهای موجود شناسایی خرابی بر پایه ارتعاش دارد که بر شناسایی خرابی با استفاده از تئوری موجک گسسته متمرکز است. بیشتر تکنیکهای تشخیص خرابی و کنترل سلامت سازه برپایه ارتعاش به شکل تئوری بکار گرفته میشوند که در آن تغییرات در مشخصههای مودال به طور مستقیم با تغییرات در سختی و میرایی سازه مرتبط است.
تکنیکهای تشخیص خرابی بر اساس بروز رسانی مدل المان محدود بر روی تشخیص تغییرات در پارامترهای تعریفشده در داخل مدلهای عددی تمرکز میکند. در مورد سازههایی با مقیاس بزرگ چنین روشهای عیبیابی بر پایه مودال برای کنترل کردن عملی نیستند. بالعکس، روشهای مدل آزاد بر پایه شناخت الگوی سیگنالهای پاسخ از سیستم سازهای برای اینگونه سازهها بسیار مناسب میباشد. با درنظر گرفتن تمامی جنبهها تحقیقات در این مقاله برای غلبه بر چالشهای اخیر در بکارگیری سیستم کنترل سلامت سازه طراحی و صورت پذیرفته است.
این مقاله بطور متمرکز بر روی توسعه روشهای شناسایی و تشخیص محل خرابی درجهت بهبود بخشیدن به تکنولوژیهای اخیر کنترل سلامت سازه و کارهای اجرا شده قبلی صورت پذیرفته است. روش شناسایی خرابی مورد اشاره در این مقاله که به موجب آن شناسایی محل خرابی از طریق پردازش سیگنال دادههای بدست آمده بر مبنای تحلیلهای آماری ترکیب شده با تبدیل موجک میباشد، تحلیل و بررسی میشود.
در تعیین موقعیت خرابی، دادههای بدست آمده بر اساس روش تحلیل موجک گسسته برای سیستم کنترل سلامت سازه در کار این مقاله لحاظ شده است. برای نشان دادن شناسایی خرابی در سیستم کنترل سلامت سازه مورد نظر، نتایج سازه بازوی سکوی آزمایشگاهی و همچنین سازه برشی سه طبقه آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار گرفته است.
Kim و [1] Stubbs بدون اطلاعات پارامترهای مودال خط پایه آزمایشگاهی، یک روش تشخیص خرابی را برای یک تیر پیوسته توسعه دادند. [2] Radcliffe روش شناسایی خرابی را بر اساس عملگر لاپلاس اصلاح شده برای یک تیر معرفی کرد که فقط بر روی دادههای بدست آمده از سازه آسیبدیده برای تشخیص موقعیت اختلاف در سختی سازهای عمل میکرد. Wang و [3] Liew تحلیل موجک را با روشهای دیگری که بر مبنای مشخصات مودال هستند توسط یک مدل ریاضی از یک تیر ترک خورده مقایسه و ارزیابی کردند.
Lin و [4] Yen از یک روش استخراج خصوصیات مجموعه موجک برای کنترل ارتعاش استفاده کردند. Douka و همکاران [5] مدلهای ارتعاشی پایهای یک تیر طره ای ترک خورده را با استفاده از تبدیل موجک پیوسته برای تخمین زدن مکان و اندازه ترک بدست آوردند. 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.
Chang و [7] Sun از کنترل سلامت سازه برمبنای ارتعاش توسط تبدیل مجموعه موجک استفاده کردند. Sohn و [8] Kim از سیستم کنترل سلامت سازه براساس تبدیل مجموعه موجک برای کنترل پل Runyang در طول بزرگراهی بین Zhenjiang و Yangzhou در چین استفاده کردند. Qiao و [9] Cao تبدیل موجک مجموع - IWT - را که پارامترهای تبدیل موجک ایستا و تبدیل موجک پیوسته را برای بهبود قدرت تحلیلهای غیر معمول شکل های مودی در تشخیص خرابی اخذ کرده است پیشنهاد دادند.
Nagarajaiah و همکاران [10] خروجی شناسایی مودال و تشخیص خرابی سازهای را با استفاده از موجک و تکنیک فرکانس- زمان اجرا کردند. Hu و همکاران [11] از یک طیف انرژی سیگنال پایین از سیگنالهای دینامیکی بر اساس تبدیل مجموعه موجک برای شناسایی خرابی در مدل ریاضی سازه یک پل استفاده کردند. Mikami و همکاران[12] از یک سازه شبیه به تیر برای صحت سنجی سیستم شناسایی خرابی بر پایه مجموعه موجک بدون پارامترهای مودال استفاده کردند.
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. سازه بازوی سکو از لولههای فولادی اجرا شده است. این سازه با استفاده از 100 لوله فولادی، 200 عدد اتصال پنجه مفصلی، 36 عدد اتصال T شکل، 200 عدد پیچ، 200 عدد مهره و 136 عدد واشر ساخته شده است. 2 واشر بین اتصال پنجه مفصلی و جان عمودی اتصالات T شکل در جهت پر کردن فاصله بین پنجه مفصلی و جان استفاده شده است. پیکربندی هندسی سازه بازوی سکو جکت آزمایشگاهی در شکل 1 نشان داده شده است - تقوی و همکاران،. - [13]
تعیین موقعیت خرابی بر اساس تبدیل موجک گسسته
انواع تبدیلها میتواند برای پردازش سیگنالهای ارتعاشی در نظر گرفته شود. تبدیل فوریه سریع - FFT - 1، سیگنال در محدوده زمان را به مولفه-های فرکانسی تبدیل میکند. توجه شود که تبدیل فوریه سریع، تبدیل بدون مقیاس زمان را فراهم میآورد. بر پایه تبدیل فوریه سریع ،زمانی که یک مولفه در یک فرکانس مشخص ظاهر میشود، تعیین کردن آن ممکن نیست مگر آنکه تحلیل تبدیل فوریه سریع به صورت پنجره متحرک بکار برده شود.
توانایی تبدیل موجک گسسته برای درنظر گرفتن هر دو تبدیل، یعنی هم بر مبنای فرکانس و هم زمان، تبدیل موجک گسسته را تبدیل به یک انتخاب جذاب برای کنترل سلامت سازه کرده است. تبدیل موجک گسسته یک سیگنال زمانی گسسته را به موجک گسسته تبدیل میکند. دادههای سری زمانی ورودی به یک سری ضرایب موجک با عبور بالا و یک سری ضرایب موجک با عبور پایین تبدیل میشوند. همانطور که در معادله 1 و 2 نشان داده شده است.
تعیین موقعیت خرابی بر اساس آنتروپی موجک تبدیل موجک گسسته
همانطور که در بخش قبل اشاره شد، ضرایب موجک تولید شده توسط به کار گیری یک N مقیاس تبدیل موجک گسسته به یک سیگنال ارتعاشی در محدوده زمان اصلی، شامل تقریبهای مقیاس بزرگتر - AN - و جزئیات بقیه مقیاسها - Di; i = N, N-1' …' 1 - میشود . هرکدام از این مولفه ها میتوانند به عنوان یک زیرباند مجزای تبدیل درنظر گرفته شوند. توجه شود که زیرباندها از طولهای مختلفی برخوردارند.
به طور کلی اگر سیگنال ارتعاشی عمومی با عنوان طول L نام گذاری شود، آنگاه AN ضرایب L/2N را دارا میباشد و Di ضرایب L/2i را به ازای i = N, N -1' …' 1 دارا میباشد. به منظور سهولت نوشتاری، ضرایب موجک نتیجه شده از یک N مقیاس تبدیل موجک گسسته را به عنوان یک دسته بردار از ضرایب زیرباندهای منفرد C = [C1 C2' … &N] با زیرباندهای در جهت فرکانس در حال افزایش یعنی با C1=AN, C2=DN, C3=DN-1, مشخص میکنیم. هر زیرباند Cj - k - یک بردار ضرایب برای شاخص زیر مجموعه j و شاخص ضریب k در داخل زیرمجموعه مشخص میباشد.
