• فصل اول

مروری بر ادبیات فنی

• مقدمه:

سازه­ها در طول عمر خود در معرض وقوع مخاطراتی مانند زلزله قرار دارند. سازه­­ها به گونه ­ای طراحی می­شوند که در عین آسیب دیدگی، قابلیت حفظ ایمنی جانی انسان­ها را داشته باشند. بنابراین یکی از مباحث مهم در مهندسی زلزله، بررسی رفتار سنجی سازه­ها، تشخیص آسیب دیدگی و برآورد محل و شدت آنها است که امروزه به سنجش سلامت سازه (System Health Monitoring) معروف است. به منظور شناسایی مشخصات سازه، شناسایی آسیب­ها و برآورد آسیب پذیری، به شناسایی مشخصات دینامیکی سازه­ها نیاز است. از این­رو بیشتر روش­های سنجش سلامت سازه بر اساس الگوریتم­های شناسایی سیستم^[۷] قرار دارند. مبحث شناسایی سیستم بر ایجاد مدل­های عددی روی سیستم­های دینامیکی تمرکز دارد و نقطه پیدایش آن موضوع کنترل در مهندسی برق بوده و امروزه به علوم مکانیک و هوافضا نیز گسترش یافته است.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

یکی از مباحث انطباق یافته شناسایی سیستم، موضوع شناسایی سازه­ای^[۸] است که بر روی ایجاد مدل­های بر پایه فیزیک سازه­ها متمرکز شده است. در متون ادبیات فنی، شناسایی سازه­ای به این شکل تعریف شده است: “برقراری ارتباط پارامتری میان مشخصات پاسخ پیش بینی شده سازه­ها توسط یک مدل ریاضی با کمیت­های متناظرش که از مشاهدات آزمایشگاهی حاصل شده است”. فرآیندهای شناسایی سازه­ای، از طریق تخمین قابل اعتماد عملکرد و آسیب پذیری سیستم­های سازه­ای با بهره گرفتن از شبیه سازی­های اصلاح شده، سعی در از بین بردن فاصله میان سازه­های واقعی و مدل­سازی­ها دارند. الگو شناسایی سازه­ای برای اولین بار توسط هارت و یاو در سال ۱۹۷۷ در مهندسی مکانیک و توسط لیو و یاو در سال ۱۹۷۸ در مهندسی عمران معرفی شد. این مقالات اولیه، الهام­بخش بسیاری از محققین در بررسی جنبه­ های گوناگون شناسایی سازه­ای بوده است و با گذشت بیش از ۳۰ سال، این موضوع همچنان جزو تحقیقات فعال در دو رشته عمران و مکانیک محسوب می­ شود ]۲[.
پیشرفت­های اخیر در مباحث فناوری اطلاعات، امکان استفاده از مدل­های اجزا محدود را برای طراحی، ارزیابی آسیب پذیری و مقاوم سازی را به مهندسین عمران داده است. اما عدم قطعیت­های موجود در سازه­های عمرانی موجب شده است که برای دست­یابی به یک شبیه­سازی قابل اعتماد، از مشاهدات و داده ­های آزمایشگاهی برای صحت­سنجی و به­روز ­رسانی مدل­های مصرفی، استفاده شود. از جمله مهمترین اهداف این موضوع می­توان به موارد زیر اشاره نمود:

• پایش سلامت و عملکرد سازه­ها جهت مدیریت و نگهداری سازه­های مهم

• تایید طراحی و ساخت در سازه­های چالش برانگیز

• کمک به کنترل سازه­های طراحی شده بر مبنای طراحی بر اساس عملکرد

• مستند سازی خصوصیات واقعی سازه­ها بعنوان مبنای ارزیابی رفتار سازه­ها در آینده در مواجهه با زوال و خطرات پیش­رو

• شناسایی عوامل ایجاد آسیب، زوال و هرنوع کاستی در عملکرد و کاهش آنها (مانند ترک، نشست و…)

• اصلاح، تقویت و مقاوم سازی سازه­ها در اثر تغییر در آیین نامه­ ها و پیرشدن سازه­ها و یا نیاز به افزایش اطمینان تا رسیدن به سطح عملکردی دلخواه

• افزایش آگاهی در ارتباط با نحوه بارگذاری سازه­ها در حین ساخت و پس از آن، چگونگی تغییر شکل دادن آنها و چگونگی انتقال نیرو از اعضا به فونداسیون و خاک]۲[.

• شناسایی سازه­ای سازه­های موجود(واقعیت­ها و چالش­ها)

در حرفه مهندسی عمران برای مدت زمان طولانی، مدل­های فوق العاده ساده و ایده­آل برای هدف­های آنالیز و طراحی مورد استفاده بوده است. برای مثال ساختمان­ها به صوت قاب­هایی دو بعدی و پل­ها به صورت تیرهایی ساده یا تیرهایی پیوسته مدل می­شوند. این نگاه ساده اساس بسیاری از روندهای شکل دهنده آیین نامه­ ها رو تشکیل داده است و با وجود ارائه روش­های مدل­سازی پیچیده­ و دقیق­تر، استفاده از ساده سازی جایگاه ویژه خود را از دست نداده است. زمانیکه از طراحی بر مبنای این مدل­های ساده به سوی طراحی بر مبنای آیین نامه­ های موجود حرکت می­کنیم، روند اقتصادی­تر شدن طراحی­ها در عین ایمنی بیشتر آنها کاملا قابل درک و اثبات است. نقص عمده این روش­ها ناتوانی در شبیه سازی دقیق عملکرد واقعی سازه­ها است و هرچه به سمت طراحی بر مبنای عملکرد و پررنگ شدن مفاهیمی همچون دوام، نگهداری و سطوح سرویس پیش می­رویم، کاستی روش­های مدل­سازی ساده محسوس­تر می­ شود ]۲[.
امروزه با وجود در دسترس بودن ابزارهای مدل­سازی دقیق که قابلیت شبیه­سازی سه بعدی رفتار سازه­ها (مقیاس محلی و مقیاس کلی) را دارند، اما شبیه­سازی قابل اعتماد از عملکرد سازه­های ساخته شده نیاز به عواملی فراتر از مدل­های تصحیح شده دارد. مثال­های متعددی وجود دارد که نشان می­دهد این مدل­های با جزئیات، مکانیزم­ های بحرانی و توزیع بارها را در سازه­های پیچیده از جا انداخته­اند و موجب ایجاد اختلافاتی در حدود ۱۰۰ تا ۵۰۰% در پاسخ­های کلی و محلی شده ­اند. حقیقت این است که مدل­های تصحیح شده گرچه قادرند رفتار سازه­ها را با دقت بیشتری شبیه­سازی کنند، اما با دقیق­تر شدن مدل­ها، آنها نیاز به اطلاعات بیشتری جهت کاهش تأثیر عوامل ایجاد عدم قطعیت برای رسیدن به نتایج قابل اعتماد دارند. این نیاز موجب به رسمیت شناختن روز افزون استفاده از داده ­های آزمایشگاهی برای بهبود نتایج مدل­ها و توسعه روش­های شناسایی سازه­ای شده است. به طور خلاصه نتایج مدل­های ساده به دلیل فرضیات ساده کننده و نتایج مدل­های دقیق­تر به دلیل نیاز به داده ­های بیشتر از واقعیت فاصله دارند ]۲[.
فرایندهای شناسایی سازه­ای با بهره گرفتن از داده ­ها/ مشاهدات آزمایش­های انجام گرفته روی سازه­های واقعی برای شبیه سازی های پیشرفته، برآورد دقیقی از عملکرد و آسیب­پذیری سیستم­های سازه­ای داشته و به این ترتیب سعی در از بین بردن فاصله موجود بین مدل­ها و سازه­های واقعی دارند. شناسایی سازه­ای به این صورت تعریف می­ شود: ” فرایند ایجاد یا به­روز رسانی مدل­های بر پایه فیزیک سازه­ها (مانند مدل­­های اجزاء محدود) با بهره گرفتن از پاسخ­های اندازه گیری شده تحت تحریک استاتیکی و دینامیکی که به منظور ارزیابی سلامت و عملکرد و سایر تصمیم گیری­ها انجام می­گیرد.” شناسایی سازه­ای تبدیل یافته مبحث عمومی­تر شناسایی سیستم­ها است که برروی ایجاد مدل­های عددی (مانند معادلات دیفرانسیل و فضای حالت) سیستمهای دینامیکی با بهره گرفتن از پاسخ­های اندازه گیری شده آنها تمرکز دارد. ]۲[.
در مورد سازه­های صنعتی (manufactured system) مانند هواپیما، خودرو و سازه­های فضایی، فرایند شناسایی سازه­ای، به فرایندی متداول و ابزاری مستقل برای درک مشخصات واقعی مکانیکی آنها تبدیل شده است، به گونه ­ای که در مراحل طراحی و ارزیابی عملکرد این گروه از سازه­ها مورد استفاده قرار می­گیرد. در مقابل در مورد سازه­های عمرانی (constructed system) مانند ساختمان­ها، پل­ها و سدها و.. شناسایی سازه ای در مراحل ابتدایی قرار دارد و کارهای پراکنده­ای به صورت کاربردی در این حوزه انجام گرفته است. ]۲[.
عدم قطعیت و منحصر بفرد بودن سازه­های عمرانی موجب شده است که پیش ­بینی مشخصات مکانیکی پارامترهای عملکردی این سازه­ها دشوار باشد، از طرفی اطلاعات محدودی راجع به عملکرد واقعی این گروه از سازه­ها در دسترس است. با وجود این چالش­ها، یکی از اهداف شناسایی سازه­ای، پرده برداشتن از رفتار واقعی سازه­ها است که ابعاد وسیعی از مباحث عمران همانند اصول طراحی بر مبنای عملکرد تا تصمیم گیری بر مبنای خطرپذیری (ریسک) سازه­های موجود را تحت تأثیر قرار می­دهد.
به اعتقاد بسیاری، دلیل ابتدایی عدم استفاده گسترده از روش­های شناسایی سازه­ای به صورت کاربردی در مورد سازهای عمرانی، ناشی از کاربردی نبودن تکنولوژی حسگرها است و پیشرفت­های اخیر در این حوزه موجب گسترش استفاده کاربردی آنها نشده است، اما برخی دیگر علت را پایه­ای تر می­دانند. در طی دهه گذشته تعداد زیادی از تلاش­ های انجام گرفته برای اعمال روش­های شناسایی سازه­ای (که قبلا روی سازه­های صنعتی توسعه و به اثبات رسیده ­اند) روی سازه­های عمرانی با شکست همراه بوده است.. این عدم موفقیت به دلیل در نظر نگرفتن عدم قطعیت­های موجود در سیستم­های سازه­ای، در روند­های شناسایی است که برای سازه­های کارخانه­ای توسعه یافته­اند. در مواردی هم که روند شناسایی با موفقیت در مورد سیستم­های سازه­ای انجام گرفته­اند، نقش پررنگ این عدم فطعیت­ها به صراحت بیان شده است. برطرف کردن این چالش­ها نیاز همکاری رشته­ های گوناگون دارد. تعدادی از این موارد عدم قطعیت در جدول (۱-۱) شرح داده شده ­اند: ]۲[.
علاوه بر عدم قطعیت­های یاد شده در ارتباط با سیستم­های سازه­ای که عملکرد و خصوصیات مکانیکی آنها را تحت تأثیر قرار می­دهد( جدول ۱-۱)، می­توان به چالش­های فرارو روش­های شناسایی نیز اشاره نمود:

• بهینه سازی اقتصادی و فنی روش­های شناسایی سیستم

اکثر روش­های شناسایی و تشخیص آسیب به تعداد زیاد محرک­ها و حسگرها نیاز دارند. با توجه به ابعاد و توپولوژی سیستم­های سازه­ای و درجات آزادی زیاد این سیستم­ها، این نیاز معمولا یا قابلیت اجرا را ندارد و یا مقرون به صرفه نیست. بنابراین ملاحظات اقتصادی و فنی در مرحله برداشت داده ­ها یکی از چالش­های کاربردی این موضوع است.

• شناسایی، حذف و کمینه نمودن نوفه­ها

یکی از نقاط ضعف اکثر روش­های شناسایی حساسیت آنها به نوفه است. در این راستا روند نوفه­زدایی و به طور کلی پردازش سیگنالف جزو مباحث کلیدی این مقوله به شمار می­رود. روش­های کنونی نوفه زدایی پاسخ اصلی سازه را دچار تغییر و روند شناسایی را با چالش روبرو می­ کنند. روش­های کلاسیک نوفه زدایی نیز معمولا برای اهداف دیگری
عدم قطعیت­های تأثیرگذار بر خصوصیات مکانیکی و عملکرد سازه­های ساخته شده

ناهمگنی
جنس و خصوصیات مواد تشکیل دهنده، مشخصات و جزئیات در اعضای مختلف و در راستای هر یک از اعضای تشکیل دهنده یک سازه به طور قابل ملاحظه­ای تغییر می­ کند. عواملی مانند زوال و آسیب موجب آمیختگی این تغییرات شده و تشخیص آنها را مشکل می­ کند.

شرایط مرزی
یکی از شرایط مرزی چالش برانگیز در سیستم­های سازه­ای، سطوح مشترک غیر قابل مشاهده خاک و پی سیستم­های سازه­ای است، بگونه­ای که خصوصیات تماسی این سطح، متغیر است و از طرفی خصوصیات خاک و حتی سنگ تحت تاثیر عواملی مانند فشار، رطوبت، دما و زمان است.