پایش سلامت سازه ای (SHM)

روش­ های تشخیص و نمایان سازی آسیب و ترک با توجه به اهمیت آن در شکست سازه­ ای، موضوع تحقیقات گسترده­ ای است که در حال انجام است. امروزه دلیل بسیاری از شکست­ های سازه­ ای، گسیختگی مواد تشکیل دهنده­ ی آن است. آغاز این گسیختگی­ ها  با ترک توام بوده که با گسترش خود به عنوان تهدید جدی برای رفتار سازه محسوب می­ شود. بر این اساس روش­ های تشخیص و نمایان سازی آسیب و ترک موضوع تحقیقات متعددی است که تاکنون انجام شده و کماکان ادامه دارد. پایش سلامت سازه ­ای روندی برای بدست آوردن اطلاعات دقیق لحظه ­ای از شرایط و عملکرد سازه­ ای می­ باشد. در مبحث پایش سلامت سازه­ ای آسیب به عنوان تغییراتی که در طول بهره برداری از سازه رخ می­ دهد تعریف می­ گردد و شناسایی آسیب به کلیه روش­ ها و تکنیک­ هایی اطلاق می­ گردد که وجود خرابی را تشخیص و موقعیت و شدت خرابی را بیان می­ کند. در سال­ های اخیر، با پیشرفت­ های صورت گرفته در عرصه علمی، روش­ های پایش از راه دور با استفاده از لیزر، سنسورهای فیبرنوری، تکنیک ­های جمع ­آوری داده­ ها از راه دور و تکنیک­ های  پردازش تصویر صورت می­ گیرد. یکی از روش­ های تشخیص خرابی، روش­ های  دینامیکی مبتنی بر پردازش سیگنال می­ باشد. در طول بهره­ برداری از یک سازه مانند قاب­ های با اندازه بزرگ، ساختمان­ های بلند مرتبه و پل­ ها، ممکن است ترک­ های موضعی و نهفته داخلی سازه به طور پیوسته افزایش یافته و در نهایت باعث فرو ریختن کل سازه شود. تاثیر ترک در ساختار سازه به صورت تغییرات موضعی سختی است که این تغییرات در ساختار دینامیکی سازه اثر قابل توجهی دارد این موضوع در تغییر فرکانس طبیعی قابل مداخله بوده و تحلیل این تغییرات، شناسایی ترک را ممکن می­ سازد[1]. امروزه صاحبان ساختمان­ ها نیازمند حس اطمینان خاطر در خصوص دارایی های ملکی خود هستند. مالکان برج­ ها و ساختمان­ ها می­ خواهند پاسخ این سوال را بدانند که آیا ساختمان شان بعد از رخداد ارتعاشی مانند زلزله یا باد شدید دچار آسیب می­ شود یا خیر؟

  • شیوه  کلاسیک و قدیمی پایش و سلامت سازه ای

 

بر اساس شیوه­ ی کلاسیک و قدیمی، بررسی وضعیت سازه با استفاده از بازبینی چشمی توسط یک متخصص انجام می­ شود که این مساله چند ضعف عمده دارد:

1- طبیعتا خطای این روش بالاست.

2- پوشیده بودن اجزای اصلی و شروع خرابی­ ها از بخش­ های داخل المان.

3- امکان دست­رسی به بسیاری از بخش­ های برخی از سازه ­ها به طور کلی وجود ندارد.

4- اعلام هشدار قبل از خرابی سازه و تعیین مسیر­های امن سازه در مواقع بحرانی مانند زلزله.

5- در بسیاری از خرابی­ ها در مقیاس کوچک قابلیت آشکارسازی با بازرسی چشمی وجود ندارد.

6- بازرسی تمام نقاط سازه امکان­پذیر نیست.

 

  • هدف از ارزیابی سازه در علم پایش و سلامت سازه ای:

 

ارزیابی غیرمخرب (NDT)  وضعیت سلامت یا عدم سلامت سازه­ ها موضوع علم نوین پایش سلامت سازه­­ هاست. این ارزیابی معمولا سه هدف عمده را مد نظر قرار می­ دهد:

1 –  پایش سلامت سازه ­ای به عنوان فراهم­ کننده­­ ی اطلاعات مورد نیاز در بحث ترمیم و مقاوم­ سازی سازه­­ ها.

2-  پایش سامت سازه­ ای ابزاری به جهت برآورد و تخمین باقیمانده­ ی عمر مفید سازه.

3-  پایش سلامت سازه­ ای ابزاری به جهت اعلام هشدار قبل از خرابی سازه و نیز تعیین مسیرهای فرار و نقاط امن سازه در مواقع بحرانی مانند جنگ، زلزله، بادهای شدید و … .

سیستم پایش و سلامت سازه­ ای را می ­توان همانند سیستم مغز – اعصاب بدن در نظر گرفت، به نحوی که سازه بدون پایش سلامت همانند بدن بدون سیستم عصبی است. در بدن بدون سیستم عصبی ممکن است عضو یا اعضایی دچار فرسودگی  و آسیب شوند، در حالی که صاحب آن بدن این مسئله را نمی­­ داند و قاعدتا هیچ اقدامی در جهت بهبود آن انجام نخواهد داد، این مورد در نهایت می­ تواند منجر به تخریب آن عضو و حتی مرگ فرد گردد.

در کاربردهای امروزه در زمینه­ ی مهندسی عمران روش ­های بر اساس اطلاعات لرزه­ ای کاربردهای بسیار گسترده تری نسبت به سایر روش­ ها دارند؛ همچنین بیشتر تحقیقات محققان و پژوهشگران عمرانی بر روی این نوع از پایش سلامت متمرکز می­­ باشد، در این روش ­ها از مشخصات دینامیکی یک سازه مانند زمان تناوب و بردار شکل مودی مودهای مختلف، ماتریس­های نرمی و سختی، ماتریس میرایی و … به جهت بررسی و تعیین آسیب ­ها استفاده می­ شود.

 

  • مزایای پایش و سلامت سازه ای

 

1- بررسی و ارزیابی مداوم وضعیت سازه به صورت خودکار.

2- تعیین سریع و به هنگام نقاط آسیب ­دیده­ ی سازه به صورت خودکار و جلوگیری از انتشار و گسترش آسیب. این مزیت به صاحبان سازه اجازه­ ی تصمیم­ گیری می دهد. صاحبان متوجه خواهند شد که سازه چه زمانی نیاز به مرمت و بازسازی موضعی و چه زمانی نیاز به بازسازی کلی و حتی تخریب دارد.

3- مشخص نمودن امن بودن یا نبودن کلی سازه در هنگام وارد آمدن نیروهای شدید بر سازه به صورت خودکار بدیهی است که در صورت استفاده از ابزارهای کنترل ارتعاش سازه­ ها احتمال بروز حالت نا امنی سازه به میزان چشمگیری کاهش خواهد یافت.

4- تعیین نقاط امن سازه به جهت پناه گرفتن یا خروج در هنگام وارد آمدن نیروهای شدید بر سازه به صورت خودکار.

5- هزینه ­ی پایین به نسبت کارایی­ های بسیار ارزشمند.

 

  • استراتژی کلی در پایش و سلامت سازه ها

 

مهمترین عامل در مونیتورینگ سلامت سازه­ ای، به کارگیری استراتژی صحیح می باشد. استراتژی مونیتورینگ شامل: تعیین هدف مونیتورینگ، تعیین و انتخاب پارامترهایی که در آینده مونیتور می­ شوند، انتخاب سیستم مونیتورینگ مناسب، طراحی شبکه سنسور، کامل شدن برنامه زمان بندی و تثبیت آن، برنامه ریزی جهت استخراج داده­ ها و قیمت گذاری مونیتورینگ می ­باشد. جهت شروع مونیتورینگ، تعیین هدف مونیتورینگ و پارامترهایی که قرار است مونیتور شوند از اهمیت خاصی برخوردار می باشد. این پارامترها بایستی به درستی انتخاب شوند تا بتوانند نمایانگر رفتار سازه باشند. فعالیت­ های هسته در روند مونیتورینگ سلامت سازه ­ای شامل: انتخاب استراتژی، نصب سیستم مونیتورینگ، نگهداری از سیستم مونیتورینگ، مدیریت داده­ها و قطع فعالیت­ ها در صورت اشکال در مونیتورینگ .[2]

فلوچارت کلی پایش و سلامت سازه ­ای (الیاسی، سیدرضا و همکاران، 1396)

دو دسته بندی کلی برای بحث پایش و سلامت سازه ­ای داریم:

  • دوره ­ای
  • دائمی

هر روش را می­ توان در دوره کوتاه مدت یا دراز مدت، دائمی (پیوسته) یا دوره ­ای انجام داد. طرح و گام مونیتورینگ بستگی به این دارد که با چه سرعتی پارامترهای تحت مونیتورینگ تغییر می­ یابند. برای برخی از کاربردها، مونیتورینگ دوره­ ای نتایج بهتری به دست می­ دهد اما ممکن است اطلاعات در دوره­ ی بین دو بازدید برای همیشه از دست می روند. فقط در مونیتورینگ دراز مدت در کل دوره ­ی مونیتورینگ اندازه گیری­ ها ثبت شده و به درک رفتار سازه کمک می نماید. مونیتورینگ متشکل از دو رویکرد می ­باشد: اندازه گیری مقدار پارامترهای مونیتورشده و ثبت زمان، مقدار اندازه گیری شده. به منظور انجام اندازه گیری­ ها و ثبت آن ها، از دستگاه­ های مختلفی می ­توان استفاده کرد. تنظیم همه دستگاه ­هایی که در اندازه گیری و ثبت آن دخیل هستند به سیستم مونیتورینگ معروف می باشد. امروزه تعداد زیادی از سیستم­ های مونیتورینگ با سطوح عملکردی متفاوت وجود دارند. در حالت کلی دارای مولفه ­های مشابهی هستند: سنسورها، انتقال دهنده اطلاعات، واحدهای ثبت داده­ ها و سیستم ­های مدیریت داده(مدیریت نرم افزاری). انتخاب سیتم مونیتورینگ بستگی به مشخصاتی مثل هدف مونیتورینگ، پارامترهای انتخابی، دقت، تکرار خواندن داده، سازگاری با محیط زیست  روش­ های نصب برای مولفه­ های مختلف مربوط به سیستم مونیتورینگ، امکان عملکرد اتوماتیک، ارتباط از راه دور، نوع مدیریت داده­ ها و سطحی که سازه در آن مونیتور می­ شود[1].

 

دستگاه­ های ثبت داده استاندارد

 

حسگر یا سنسور یکی از اجزای مهم سیستم پایش سلامت می­ باشد. حسگرها جزوی از سیستم جمع­ آوری و انتقال اطلاعات از سازه به پردازشگر مرکزی می­ باشند؛ سیستم جمع­ آوری و انتقال اطلاعات همانند سیستم عصبی بدن انسان می­ باشد که وظیفه­ ی دریافت انتقال اطلاعات دریافت شده از محیط پیرامون به مغز را دارد. به همین دلیل نوع، دقت و کیفیت حسگری که در یک پروژه­  پایش سلامت مورد استفاده قرار می­ گیرد نقش تعیین­ کننده ­ای در موفقیت و نیز هزینه ­های انجام آن پروژه دارد. از معتبرترین لوازم مورد استفاده در پایش و سلامت سازه­ ای می­ توان به حسگرهای تولید کارخانه ژئوسیگ (GeoSig) کشور سوییس که سازنده­ ی بسیار معتبر در زمینه­ ی تولید سیستم­ های جمع ­آوری و انتقال اطلاعات لرزه­ ای می­ باشد.

 

دستگاه شتاب­نگار AC73  با سیستم متوازن­گر

 

این حسگر­های شتاب­نگار سه محوره از نوع الکتریکی مکانیکی با توازن نیرویی می­ باشد. که به منظور رصد زلزله­ ی باند­پهن و سایر کاربرد­هایی که نیاز به حساسیت بسیار بالا دارند طراحی شده­ اند. در داخل این حسگر با استفاده از سیم پیچ الکتریکی و یک جرم معلق، سیستم متوازن­گر با هدف کاهش نسبت سیگنال به نویز تعبیه شده است.

استفاده از مونیتورینگ سلامت سازه از آن جهت اهمیت دارد که با استفاده از داده­ های آنلاین و لحظه به لحظه از سازه و موقعیت آسیب­ های احتمالی در آن آگاه شد. به طوریکه نیازی به صرف هزینه­ های زیاد برای آزمایش­ های سونداژ و ترمیم به منظور شناخت نسبی سازه نبوده و تصمیم مناسبی در زمان مناسب به منظور جلوگیری از تلفات گرفته می ­شود. اطلاعات بدست آمده از مونیتورینگ عموما جهت برنامه­ ریزی و طراحی فعالیت­ ها، افزایش ایمنی، تایید فرضیه­ ها، کاهش عدم قطعیت و افزایش اطلاعات در ارتباط با سازه­ایی که مونیتور می­ شود، به کار می رود. مونیتورینگ آنلاین سازه­ ها در حقیقت روشی نوین در استفاده از سنسورهای مختلف در درون سازه­ ها به منظور کنترل آنلاین سازه­ ها می باشد. بهسازی لرزه­ ای در ساعات اولیه وقوع زلزله در پل­ های ارتباطی بدون صرف زمان از مهم­ترین مزایای این روش می­ باشد. در این خصوص کشورهای پیشرفته در راستای کاهش هزینه­ ها و افزایش کنترل آنلاین سازه­ ها به تدوین آیین نامه­ های مختلف به تدوین آیین نامه­ های مونیتورینگ سلامت سازه ای در سازه­ های زیربنایی و مهم از قبیل پل­ ها و ساختمان­ های مهم پرداخته اند:

 

آیین نامه­ ها در زمینه­ ی مانیتورینگ :

  • آیین­ نامه­  سلامت سازه­ای پل­ها در کشور آمریکا(FHWA)
  • آیین نامه­  کانادا(ISIS)

 

مهم­ ترین دلایل مونیتورینگ سلامت سازه ­ای بر اساس آیین نامه  ISIS

 

  • مونیتورینگ آنلاین و گزارش آن
  • کاهش مدت زمان از کار افتادگی سازه

افزایش ایمنی و اعتمادپذیری در حالیکه هزینه ­های نگهداری کم می شود. بر اساس تحقیقات صورت گرفته، کاهش مدت زمان از کار افتادگی و بهبود اعتمادپذیری باعث افزایش بهره­ وری سازه می­ شود و نتایج حاصله بیانگر رفتار درونی سازه بوده و بنابراین SHM می­ تواند به پیشرفت در طراحی سازه ­ها در آینده کمک نماید.

 

مدل سازی المان محدود

 

همچنین امکان استفاده از مدل­ سازی در نرم­ افزار­های المان محدود و استفاده از ابزار­های آشکارساز مثل آنالیز موجک نیز برای تشخیص خرابی و هر نوع ناپیوستگی وجود دارد.

 

مدل­ سازی المان محدود فریم خمشی ساختمانی تحت زلزله(الیاسی، سیدرضا، پایان­ نامه کارشناسی ارشد)

تشخیص آسیب با آنالیز موجک(الیاسی، سیدرضا، پایان نامه کارشناسی ارشد)

 

منابع:

 

[1] سیدرضا الیاسی، پایان­ نامه­ ی کارشناسی ­ارشد، وزارت علوم ، تشخیص آسیب در قاب­ های ساختمانی با استفاده از آنالیز موجک با لحاظ اثرات اندرکنش خاک و سازه.

[2] Guidelines for structural health monitoring , The Canadian Design Manual No.2,ISBN 0-9689006-0-7.

[3] https://www.geosig.com.

پایش سلامت سازه ای (SHM)
4.6 (92%) 10 votes
به اشتراک بگذارید: