پایش سلامت سازه ها در دهه های اخیر به دلیل افزایش نیاز به پایش دایم سازه های بزرگ به زمینه تحقیقاتی مناسب تبدیل شده است.شناسـایی آسیب در یک سازه از اهمیت زیادی برخوردار است. زیرا کشف زود هنگام آسیب میتواند از خرابی فاجعه بار سازه جلوگیری کند. شناسایی آسیب بدون نیاز به تخریب سازه با استفاده از پاسخهای فرکانسی توجه علاقمندان زیادی را در دهه اخیر به خود جلب کرده است. زیرا تغییر در مشخصات فیزیکی سازهها مثل سختی وجرم و میرایی به علت آسیب، پاسخهای فرکانسی سازه را تغییر میدهد.
اصل اساسی بیشتر روشهای شناسایی آسیب این است که آسیب موجود در سازه ها، خواص سختی، جرم و خواص استهلاک انرژی سیستم را که با استفاده از پاسخ دینامیکی اندازه گیری شده سیستم بدست میآید، تغییر خواهد داد. این شناسایی می تواند برای درنظرگرفتن اقدامات احتیاطی انجام شود تا در صوررت لزوم برای کار تعمیر و نگهداری سازه برنامه ریزی کنیم.
بطور سنتی برای شناسایی آسیب در سازه های عمرانی از بازرسی های چشمی استفاده میکنند. اما تشخیص آسیب در سازههای بزرگ به روش بصری محیطی امری هزینه بر و غیر موثر به حساب میآید. لذا به این دلیل روشی که بتواند به صورت موثر رخداد آسیب را شناسایی و محل آن را معلوم کند مورد نیاز است.بنابراین روش های غیرمستقیمی که بتوانند به طور مداوم سازه را پیش از آنکه به وضعیت بحرانی برسد برای تشخیص مشکلات آن بازرسی کنند، ضرورت دارند.پایش سلامت سازه ،پاسخ سازه را تحت انواع بارگذاری کنترل شده و کنترل نشده را تحلیل میکند.
فرآیند سنجش سلامت سازه
فرآیند سنجش سلامت سازه تحت عنوان پایش سلامت سازه SHM نامگذاری شده است ، در انجام پایش سعی میکنیم تا ورودیها و پاسخهای سازه را اندازه گیری کنیم؛ به منظور اینکه از آنها طی یک آنالیز معکوس برای استخراج مشخصه های ساره و ردیابی تغییرات آنها و در نتیجه تشخیص شروع آسیب و خرابی در شرایط سازهای استفاده کنیم.سپس از مدلسازی عددی سازه و تحلیل مجدد آن با توجه به شرایط موجود برای ارزیابی کارایی سازه استفاده میشود تا در صورت لزوم نسبت به مقاومسازی آن اقدام گردد.
بنابراین، فرآیند SHM یک سیستم سازه ای عبارت است از زیر نظر گرفتن سیستم با استفاده از اندازه گیری پاسخهای دینامیکی از طریق حسگرها استخراج مشخصه های حساس به آسیب سازه با استفاده از نتایج اندازهگیریها و آنالیز تحلیلی این مشخصه ها برای معین کردن وضعیت کنونی سلامت سیستم . دریک SHMطولانی مدت خروجی این فرآیند به طور دورهای اطلاعات مرتبط با توانایی سازه برای اجرای نقش مورد نظرش از لحاظ عملکردی را به روز میکند.مراحل SHM عبارتنداز:
ارزیابی های اجرایی
پایش سیستم وبه دست آوردن اطلاعات
پردازش اطلاعات و استخراج مشخصه های ذاتی سازه و شناسایی آسیب با استفاده از آنالیز تحلیلی این مشخصه ها
ارزیابی های اجرایی
این مرحله فاز صفر SHM می باشد.در این مرحله چهار سوال مرتبط با اجرای یک سیستم SHM مورد بررسی قرار میگیرد و پاسخ داده میشود :
چه انگیزههای اقتصادی و امنیت جانی برای انجام پایش وجود دارد.
برای یک سیستم در حال پایش خسارت چگونه تعریف میشود.
تحت چه شرایط اجرایی و محیطی سیستم باید پایش شود.
چه محدودیتهایی برای بدست آوردن اطلاعات در شرایط محیطی و اجرایی وجود دارند.
مسئله اقتصادی و ایمنی جانی اولین مسئله در ورای بحث SHM میباشد.این که آیا اجرای سیستم SHM برای سازه مورد نظر صرفه اقتصادی دارد و ایمنی حاصل از اجرای SHM چقدر است از سوالات مهم و تعیین کننده در ابتدای بحث SHM میباشد. معمولاً SHM برای سازههایی که بُروز خسارت در آنها باعث ایجاد تلفات زیاد مادی و جانی میشود انجام میگیرد.
به عنوان مثال وزارت نفت انگلیس اعلام میکند که سود اقتصادی حاصل از اجرای یک سیسنم SHM برای یکی از سکوهای نفتی ساحلی پنچاه میلیون دلار صرفهجویی اقتصادی در برداشته است.این عملیات 6سال به طول انجامیده و نتیجه تحقیقات این بود که سازه خیلی محافظه کارانه طراحی شده است. بنابراین سازههای بعدی کمتر محافظه کارانه طراحی شدند و لذا صرفه جویی زیادی حاصل شده است .
محدودیتهای موجود در پایش سیستم و بدست آوردن اطلاعات در شرایط محیطی و اجرایی از مسائل خیلی مهم و تاثیرگذار در بحث SHM میباشد.اثرات تغییرات محیطی روی پاسخ دینامیکی اندازهگیری شده سازه ها در مطالعات مختلف مورد اشاره قرار گرفته است.
به عنوان مثال نتایج آنالیز مودال روی پل آلاموساکانیون در نیومیکزیکو نشان داد که فرکانس اولین مود، تقریبا به میزان 5درصد در مدت 24 ساعت تغییر داشته است که این قضیه مرتبط با دمای متغیر در عرض کف پل میباشد.این به منظور این است که تغییرات در محیط اطراف سازه با شرایط مرزی مثل انبساط حرارتی میتواند تغییرات مهمی در فرکانسهای طبیعی (نسبت به آسیب) ایجاد کند.پس تغییر در شرایط محیطی و اجرایی اغلب به تشخیص غلط در آسیب سازه منجر میشود.چون تغییرات در شرایط محیطی و اجرایی سیگنالهای ارتعاشی سازه را تغییر میدهد
بدست آوردن اطلاعات
بخش دریافت اطلاعات در فرآیند SHM شامل انتخاب کمیتهایی است که باید اندازه گیری شود. این کمیتها، تعیین نوع سنسور ها،تعیین محلهای استقرار سنسورها،تعیین تعداد سنسورها ، معین کردن قدرت تشخیص سنسورها و تعیین پهنای باند انتقال اطلاعات و سخت افزار دریافت و ذخیره و انتفال اطلاعات میباشد.
از آنجایی که اطلاعات میتواند تحت شرایط متغیر اندازهگیری شود تصفیه اطلاعات در فرآیند SHM یکی دیگر از مسائل مهم است.بنابراین ضرورت دارد تصفیه اطلاعات به منظور این که تغییرات سیگنال ایجاد شده به وسیله شرایط محیطی و اجرایی از تغییرات سازهای مورد نظر مجزا شودانجام گیرد.یک راه برای تصفیه اطلاعات اندازهگیری مستقیم پارامترهای اجرایی و محیطی میباشد. لذا منابع تغییر در فرآیند دریافت اطلاعات باید شناسایی شود وبه کمترین حد خود برسند. همه منابع خطا نمیتوانند حذف شوند.بنابراین لازم است که در اندازه گیریها دقت لازم را انجام دهیم تا به طور آماری بتوانیم خطاها را اندازهگیری نماییم.
ضرورت کنترل سلامت سازه
همزمان با پیشرفت بشر در ساخت مصالح با مقاومت بالاتر و با کیفیت بهتر، ساخت سازههای عظیم نیز بیشتر شده و لزوم رعایت راهکارهای پیشگیرانه فزونی یافته است. هرگونه خطا در طراحی و یا نگهداشت این سازهها میتواند به فاجعه ای عظیم هم از نظر مالی و هم از نظر جانی تبدیل شود. لذا ضروری به نظر میرسد که فرآیند اجرای عملیات تعیین خسارت و تبیین استراتژیهای لازمه برای سازههای عمرانی به منظور جلوگیری از وقوع حوادث ناخواسته که کنترل سلامت سازه یا SHM گفته میشود صورت پذیرد.
در مباحث مربوط به کنترل سلامت سازه منظور از تخریب، تغییرات ایجاد شده در هندسه و یا خصوصیات فیزیکی سازه عمرانی میباشد. از جمله مشخصه های تخریب، تغییرات در شرایط مرزی و ارتباط سیستمی است که تاثیرات منفی قابل توجهی در مقاومت سیستم خواهد داشت. فرآیند کنترل سلامت سازه شامل نظارت دائم بر سیستم در طول زمان و نمونه گیری از وضعیت پاسخ دینامیک سازه با استفاده از سنسورهای جاگذاری شده، نویزگیری و رفع خطا از دادههای به دست آمده و آنالیز داده های اصلاح شده برای دریافت بهترین استراتژی است.
هدف اصلی از مجموعه این عملیات، جلوگیری از ایجاد اختلال در عملکرد سازه ها به دلیل عوامل گوناگون فیزیکی و یا پدیده پیرشدگی میباشد. یکی از مهمترین مواقع اعمال فرآیند کنترل سازه پس از وقوع پدیده های شدید فیزیکی از قبیل زلزله و یا انفجار میباشد. در این مواقع از SHM برای جمع آوری و آنالیز اطلاعات به منظور بررسی میزان خسارت وارده استفاده شده و مبنای تصمیم گیریهای بعدی برای اعمال ترمیم خواهد بود.
راهکارتشخیص الگو به روش آماری
کنترل سلامت سازهها را میتوان نمونهای از تشخیص الگو به روش آماری دانست. چهار بخش اصلی را میتوان در کنترل سلامت سازه اساسی دانست:
ارزیابی عملیاتی
جمع آوری داده، نرمالیزاسیون و خالصسازی داده
متراکم سازی داده و استخراج ویژگیها
مدلسازی آماری
در حال حاضر از دو روش سختافزاری و نرمافزاری به منظور کنترل سلامت سازه استفاده میشود. البته در بسیاری از مواقع ازترکیب این دو به منظور کسب نتایج بهتر استفاده میشود.
ارزیابی عملیاتی
ارزیابی عملیاتی به منظور پاسخ گویی به چهار سؤال اساسی زیر مطرح میشود:
یافتن توجیه مالی-جانی به منظور اجرای عملیات کنترل سلامت سازه.
تخریب از چه نوعی است و مهمترین دغدغه از نقطه نظر تخریب کدام است؟
شرایط محیطی و زیست محیطی که تحت آن سیستم باید کنترل شود چیست؟
محدودیتهای اعمال شده از نظر مالی و زیست محیطی برای انجام عملیات چیست؟
ارزیابی عملیاتی محدودیت هایی بر آنچه که باید کنترل شود و روش انجام کنترل اعمال میکند.
ارزیابی عملیاتی به ما کمک میکند که نقاط حساس را شناخته و سعی در بهرهگیری از ویژگیهای خاص تخریب مورد مطالعه دارد.
جمع آوری، نرمالیزاسیون و خالصسازی داده
فاز جمع آوری داده ها در پروسه SHMشامل مراحل زیر میباشد:
انتخاب روش تحریک سازه
انتخاب نوع سنسورهای مورد استفاده
فراهم نمودن سختافزار لازم برای جمع آوری، ذخیره و انتقال داده ها
در انتخاب هر یک از مراحل ذکر شده همواره مهندس سازه باید به جنبه اقتصادی بودن گزینه و تطابق آن با شرایط محیطی و عملیاتی توجه خاص داشته باشد. همچنین فاصله های زمانی و مکانی جمع آوری دادهها باید بهینه سازی شود.
متراکم سازی داده و استخراج ویژگیها
در واقع استخراج مشخصه ها، مرحله شناسایی ویژگیهای حساس به آسیب سازه میباشد که با استفاده از پاسخ ارتعاشی اندازه گیری شده سازه به دست میآید که به ما این امکان را میدهد که سازه آسیب دیده و آسیب ندیده را از هم تشخیص دهیم. اساس انتخاب مشخصه، تجربهی گذشته همراه با اطلاعات اندازهگیری شده سیستم میباشد. پس از استخراج پاسخهای فرکانسی، با ردیابی تغییرات این پاسخها و استفاده از یکسری روشها که در قسمتهای دیگر بیشتر دربارهی آنها گفته خواهد شد و در این تحقیق یکی از آنها بکار گرفته خواهد شد (میتوان آسیب رخ داده در سازه را شناسایی کرد.). وضعیت آسیب در سازه با جواب دادن به سوالات زیر توصیف میشود:
بعد از شناسایی آسیب، سازه باید با درنظر گرفتن وضعیت موجود مورد تحلیل قرارگیرد و میزان کارایی سازه سنجیده شود و در صورت لزوم نسبت به تعمیر و مقاومسازی سازه اقدام شود
