بخشی از مقاله
چکیده
تجهیزات مکانیکی متداول اندازه گیری جابهجایی و کرنش، مانند کرنش سنجها و جابهجایی سنج های خطی - LVDT - که معمولا به صورت تماسی به نمونه متصل می شوند، علیرغم داشتن دقت قابل قبول، دارای محدودیتهایی از قبیل، هزینههای بالای تجهیزات، پیچیدگی و زمان بر بودن نصب و همچنین عدم امکان دستیابی به کل میدان جابهجایی و کرنش در نمونهها میباشند.
این محدودیتها باعث شده تا توجه پژوهشگران به روشهای غیر تماسی، مانند روشهای برپایه پردازش تصویر جلب شود. سرعت سنجی تصویری ذرات - PIV - یکی از روشهای مبنی بر پردازش تصویر است که نسبت به سایر روشهای مبنی بر پردازش تصویر از دقت بالاتری برخوردار است. در پژوهش پیش رو، ضمن معرفی روش PIV و کاربردهای آن در زمینه آزمایشهای مهندسی سازه، به ارزیابی دقت این روش در زمینه محاسبه میدان جابهجایی در ورق FRP چسبانده شده به سطح بتنی پرداخته شد.
به این منظور، تعدادی نمونه ساخته شد و تحت آزمایش برش مستقیم قرار گرفت و منحنی بار-جابهجایی نمونهها با استفاده از LVDT و تحلیل PIV بهدست آمد و با یکدیگر مقایسه شد. بر اساس نتایج این پژوهش، روش PIV میتواند یک روش دقیق و کم هزینه برای اندازهگیری جابهجایی و کرنش در آزمایشهای مهندسی سازه باشد.
.1 مقدمه
امروزه علیرغم استفاده گسترده از تجهیزات متداول اندازهگیری جابهجایی و کرنش، مانند جابهجاییسنج های خطی - LVDT1 - و کرنشسنجهای مکانیکی و الکتریکی، وجود محدودیتهایی از قبیل هزینه بالا، عدم امکان استفاده در تمام شرایط محیطی، نصب تجهیزات به صورت تماسی، زمان بر بودن نصب تجهیزات و همچنین عدم امکان دستیابی به کل میدان جابهجایی و کرنش عضو مورد نظر، از جمله مشکلات پیش روی پژوهشگران میباشند .[1]
مشکلات فوق الذکر و لزوم اندازهگیری تغییر شکلها و کرنشها در اکثر آزمایشهای مهندسی عمران، موجب شد تا پژوهشگران به دنبال روش های نوین اندازهگیری تغییر شکل باشند. در میان روشهای نوین اندازهگیری تغییرشکل غیر متصل همچون اشعه ایکس و اسکن حرارتی و لیزر اسکن ویبرومتری، روشهای نوین بر پایه پردازش تصویر همچون روش فوتوگرامتری2، همبستگی تصاویر دیجیتال - - DIC3 و سرعت سنجی تصویری ذرات - PIV4 - در پژوهشهای آزمایشگاهی بهطور گستردهای مورد استفاده قرار گرفته است.
فوتوگرامتری دانش و فناوری استخراج اطلاعات مربوط به تغیرات مختصات هندسی اجسام، با استفاده از تصاویر گرفتهشده و پردازش و تحلیل آنها است .[2] از جمله کاربردهای فوتوگرامتری در مهندسی عمران، اندازهگیری میدان جابهجایی و نظارت بر روند رشد ترک در اعضای بتنی مسلح در طول فرآیند آزمایش میباشد. آدرین و الماهیدی در یک پژوهش، با استفاده از کنترول روند رشد ترک تیر بتنی تقویت شده با CFRP توسط فوتوگرامتری، رفتار برشی و خمشی آن را مورد بررسی قرار دادند.[3] با وجود مزایای فوتوگرامتری، میتوان به برخی از معایب این تکنیک از قبیل زمان بر بودن آمادهسازی نمونهها و نیاز به استفاده از چند دوربین و توقف بارگزاری در چند مرحله برای محاسبه کل میدان جابهجایی نمونه اشاره کرد .[3]
DIC، یکیدیگر از روش های اندازهگیری جابهجایی بر پایه پردازش تصویر است که تاکنون پژوهشگران بسیاری از این روش در زمینههای مختلف پژوهشی همچون تعیین مدول الاستیسیته بتن، در زمینه مکانیک شکست، محاسبه کرنش در بتن و همچنین برای بررسی مقاومت پیوستگی FRP به بتن، استفاده شده است .[4] اگرچه در حال حاضر تکنیک DIC برای اندازهگیری میدان جابهجایی و میدان کرنش استفاده می شود، اما بدست آوردن میدان کرنش دقیق در بعضی موارد میتواند چالش برانگیز باشد .[4]
PIV در اصل یک روش اندازهگیری سرعت مبتنی بر پردازش تصویر است که در ابتدا در زمینه مکانیک سیالات و برای اندازه گیری سرعت جریان 2 و 3 بعدی سیالات بهکار برده شده است .[5] وایت و همکاران با انجام یک سری اصلاحات در این روش، گامی برای کاربرد PIV در زمینه آزمایشهای ژئوتکنیک برداشتند .[6] بر اساس نتایج پژوهشهای وایت و همکاران، روش PIV اصلاح شده در مقایسه با روش های گذشته اندازهگیری جابهجایی مبتنی بر پردازش تصویر، از دقت بالاتری برخوردار بوده و توانایی پردازش محدوده وسیع تری را دارا میباشد.[6] هدف از پژوهش پیش رو، معرفی روش PIV بهعنوان یک روش نوین غیر تماسی اندازه گیری جابهجایی و کرنش در آزمایشهای مهندسی عمران و بررسی عملکرد و دقت آن در آزمایشهای مهندسی سازه میباشد.
.2 پردازش تصویر با استفاده از سرعت سنجی تصویری ذرات - PIV -
در فرآیند PIV، ابتدا از سطح جسم درحال تغییر شکل تصاویر دیجیتال پیاپی گرفته شده و بهعنوان ورودی به نرمافزار داده میشود. سپس مطابق شکل1 ناحیهی مورد بررسی در نخستین تصویر به تعدادی بخشهای کوچکتر به صورت یک شبکه تقسیم بندی میشود - به هر بخش کوچک وصله5 آزمون گفته شده و اندازه آن بر مبنای پیکسل تعیین می شود - . سپس در تصویر دوم یک وصله با ابعاد بزرگتر بهعنوان دامنهای که نرمافزار در آن جابهجایی وصله آزمون را ردیابی میکند - وصله جستجو - ، انتخاب میشود.
نرم افزار با کمک تابع برازش، محل وصله آزمون را در دو تصویر پیاپی ردیابی کرده و وصلهای را که دارای بیشترین مقدار تابع برازش است، به عنوان مکان جدید وصلهی آزمون در تصویر دوم در نظر میگیرد. به این ترتیب، فاصله افقی و عمودی بین وصلهی آزمون در هر دو تصویر بهعنوان خروجی برنامه و به شکل یک ماتریس تعیین میگردد. با در دست داشتن ماتریس جابهجایی، میدان کرنش ناحیه مورد نظر نیز بهدست میآید.
بر اساس پژوهشهای پیشین، دقت PIV به شدت تابع اندازه وصله ها و بافت تصویر میباشد.[6] درکاربرد PIV در آزمایشهای مکانیک سیالات، برای فراهم کردن بافت قابل تشخیص برای پردازش تصاویر، نیازمند سید بندی شدن سیال با ذرات رنگی - توپهای پلیاستیرن یا پودر رنگی - است، اما در کاربردPIV درآزمایشهای ژئوتکنیک ماسه به طور طبیعی دارای بافتی با ذرات مختلف الرنگ است. در نتیجه، علیرغم سایر روشهای اندازهگیری مبتنی بر پردازش تصویر، در روشPIV درآزمایشات ژئوتکنیکی هیچ نشانگر یا رنگآمیزی تعبیه شدهای نیاز نیست.
.3 کاربرد PIV در مهندسی سازه
در سالهای اخیر، علاوه بر استفاده از PIV در آزمایشهای مکانیک سیالات و ژئوتکنیک، پژوهشگران از این روش نوین در زمینه آزمایشهای مهندسی سازه نیز بهره بردهاند. برخی از زمینههای کاربرد PIV در زمینه مهندسی سازه، بررسی روند شکست در نمونه های بتنی و پایش ترک خوردگی در اعضای بتنی[7]، محاسبه میدان جابهجایی وکرنش اعضای بتنی [8] و همچنین، محاسبه میدان جابهجایی وکرنش ورق های FRP چسبانده شده به بن میباشد[9]، که در ادامه مورد بررسی قرار گرفته است.
.1 .3 پایش ترک در اعضای بتنی
روشهای تجربی متعددی برای نظارت بر ترک خوردگی در انواع بارگذاری وجود دارد، که معمول ترین آنها استفاده از کرنش سنجهای الکتریکی وLVDT میباشد. استفاده از کرنش سنج ها و LVDT در صورتی که با رعایت نکات توصیه شده باشد مؤثر و قابل اطمینان است، اما با این حال میتوان به محدودیتهایی از قبیل: اندازه گیری کرنش و جابهجایی تنها در یک نقطه و یک مرتبه، زمان بر بودن نصب سنسورها، پیچیدگی و غیر عملی بودن اتصال سنسورهای زیاد برای نواحی وسیع، عدم پوشش کل ناحیه مورد نظر بهدلیل محدودیت در نصب حسگرها به صورت نزدیک بهم و متراکم، احتمال آسیبدیدگی دستگاههای اندازهگیری در طول آزمایش، حذف دستگاهها قبل از شکست نمونه برای جلوگیری از آسیب دیدگی تجهیزات و همچنین هزینههای بالای دستگاه های اندازهگیری، اشاره کرد .[7]
