روش های پایش سازه

1.مقدمه

لفظ پایش سلامت سازه ها به فرآیند انجام عملیات شناسایی و تشخیص آسیب در سازه های مهندسی اطلاق می گردد. در این راستا، هرگونه تغییر در خواص مادی و یا هندسی (شامل تغییر در شرایط مرزی و اتصالات اعضا) یک سیستم سازه ای که اثری نامطلوب بر کارایی سیستم داشته باشد بعنوان آسیب تعریف می شود.روش های پایش سلامت سازه به ما کمک می‌کنند تا با شناسایی به موقع آسیب ،  از خسارت بیشتر به سازه جلوگیری کنیم.

در یک محیط عملیاتی، سازه ها با افزایش سن و استفاده تخریب می شوند. SHM اطلاعات بلند مدت  به روز شده دوره ای را در مورد توانایی سازه برای ادامه انجام عملکرد مورد نظر خود ، خروجی می دهد. پس از حوادث شدید، مانند زلزله یا بارگذاری وانفجار، SHM برای ارزیابی  شرایط  سازه استفاده می شود. هدف SHM ارائه اطلاعات قابل اعتماد در مورد یکپارچگی سازه در زمان واقعی است.

فرآیند پایش سلامت سازه شامل انتخاب روش‌های تحریک ، انواع حسگرها، سخت‌افزارها ، جمع‌آوری داده‌، انتقال داده‌ و عیب‌یابی است که از طریق آن بر ایمنی، استحکام، یکپارچگی و عملکرد سازه نظارت می‌شود. اندازه‌گیری‌ها ممکن است برای تشخیص مستقیم هر گونه تخریب یا آسیبی که ممکن است برای یک سیستم رخ دهد انجام شود و یا به طور غیرمستقیم با اندازه‌گیری اندازه و فرکانس بارهای اعمال شده برای پیش‌بینی وضعیت سیستم انجام شود.

یرای نظارت مستقیم بر وضعیت یک سیستم، باید ویژگی هایی را در داده های به دست آمده شناسایی کرد که به فرد اجازه می دهد بین ساختار آسیب دیده و آسیب ندیده تمایز قائل شود. یکی از رایج‌ترین ویژگی‌ها ، وابستگی  مقادیر پاسخ سیستم اندازه‌گیری‌شده، مانند دامنه یا فرکانس ارتعاش، با مشاهدات سیستم تخریب‌شده است. آزمایش انباشت خسارت نیز، که طی آن اجزای ساختاری قابل توجهی از سیستم مورد مطالعه با قرار دادن آنها در شرایط بارگذاری واقعی تخریب می شوند، می توانند برای شناسایی ویژگی های مناسب استفاده شوند. این فرآیند ممکن است شامل آزمایش آسیب القایی، تست خستگی، رشد خوردگی و یا چرخه دما برای انباشت انواع خاصی از آسیب به شکلی سریع باشد.روش‌های کیفی و غیرمستمر برای ارزیابی توانایی سازه‌ها در دستیابی به هدف مورد نظر استفاده می‌شوند.

از آغاز قرن نوزدهم، کارگران راه‌آهن (مخصوصاً کارگران ایمنی چرخ‌ها) از صدای برخورد چکش به چرخ‌های قطار برای ارزیابی اینکه آیا آسیب اخیر به چرخ‌ها وارد شده است یا خیر، استفاده می‌کردند. در ماشین‌های دوار، پایش ارتعاش برای دهه‌ها به عنوان یک تکنیک ارزیابی عملکرد ماشین‌آلات مورد استفاده قرار گرفته‌است. در زمینه پایش سلامت سازه، دو تکنیک وجود دارد: تکنیک‌های مبتنی بر انتشار موج، که توسط Raghaven و Sensic توسعه یافته‌اند، و تکنیک‌های مبتنی بر ارتعاش. تکنیک‌های ارتعاشی بر اساس نظارت بر سلامت سازه را می توان به دو جنبه تقسیم کرد؛ اول اینکه  مدل‌هایی ازآسیب برای تعیین خصوصیات دینامیکی مدل می شود و به عنوان مسئله مستقیم نیز شناخته می شود، و دوم اینکه از ویژگی‌های دینامیکی برای تعیین ویژگی‌های آسیب استفاده می شود و به عنوان مسئله معکوس نیز شناخته می شود. تکنیک های نظارت بر سلامت سازه در 10-15 سال گذشته پدید آمده اند و زمینه جدید هیجان انگیزی را در شاخه های مختلف مهندسی ایجاد کرده اند.

نظارت برسلامت ساختاری معمولاً پایش سلامت ساختاری نامیده می شود، که به طور گسترده ای در اشکال مختلف زیرساخت ها به کار می رود، به خصوص که کشورهای سراسر جهان وارد دوره بزرگتری از ساخت زیرساخت های مختلف از پل ها تا ارتفاع زیاد شده‌اند. در مورد آسیب به سازه ها، توجه به این نکته مهم است که سختی افزایش پیدا می‌کند که نیاز به داشتن اطلاعات در مورد موارد زیر را دارد:

1.تشخیص وجود آسیب در سازه

2.مکان یابی آسیب

3.شناسایی انواع آسیب

4.تعیین میزان شدت آسیب

2.تشخیص الگوی آماری

مشکل پایش سلامت ساختاری را می توان از طریق مدل تشخیص الگوی آماری ترسیم کرد. این مدل را می توان به چهار بخش تقسیم کرد:

1.    ارزیابی عملیاتی

2.    جمع آوری و پاکسازی داده ها

3.    استخراج ویژگی و فشرده سازی داده ها

4.    توسعه مدل آماری برای تبعیض صفات

اصول کلی پدیدآمده:

اصل اول: همه مواد دارای عیب ها یا عیب‌های ذاتی هستند.

اصل دوم: ارزیابی آسیب مستلزم مقایسه بین دو حالت سیستم است.

اصل سوم: شناسایی وجود و محل آسیب را می توان در یک حالت یادگیری بدون نظارت انجام داد، اما شناسایی نوع آسیب موجود و شدت آسیب معمولاً فقط در حالت یادگیری نظارت شده انجام می شود.

اصل چهارم:حسگرها نمی توانند آسیب را اندازه گیری کنند. برای تبدیل داده های حسگر به اطلاعات آسیب ، استخراج ویژگی از طریق پردازش سیگنال و طبقه بندی آماری ضروری است.

اصل پنجم: مقیاس های طولی و زمانی ، مرتبط با شروع آسیب و تکامل، ویژگی های مورد نیاز سیستم سنجش SHM را می دهند.

اصل ششم: بین حساسیت به آسیب یک الگوریتم و قابلیت ردصدای آن تعادل وجود دارد.

اصل هفتم: اندازه آسیبی که می توان از تغییرات در دینامیک سیستم تشخیص داد ، با محدوده فرکانس تحریک نسبت معکوس دارد.

3.اجزای سیستم SHM

1.3.  سازه

 2.3. حسگرها

3.3. سیستم های جمع آوری داده ها

4.3.  انتقال‌داده‌ها

5.3.پردازش دیجیتال

6.3.تشخیص داده ها

7.3.استخراج ویژگی و فشرده سازی داده ها

نمونه ای از این فناوری تعبیه حسگرها در سازه هایی مانند پل ها و هواپیماهامی‌توان اشاره کرد. این حسگرها نظارت زمان واقعی تغییرات ساختاری مختلف مانند تنش و کرنش را فراهم می‌کنند. در مورد سازه های مهندسی عمران، داده های ارائه شده توسط حسگرها معمولاً به مراکز جمع آوری داده از راه دور منتقل می شود. با کمک تکنولوژی روز، کنترل زمان واقعی سازه ها (Active Structural Control) بر اساس اطلاعات حسگرها امکان پذیر است.

ارزیابی سلامت سازه های مهندسی پل ها، ساختمان ها و سایر زیرساخت های مرتبط

1.3.سازه

سازه‌های حیاتی مانند پل‌ها، تونل‌ها، سدها و توربین‌های بادی بیشتر تحت پایش قرار می‌گیرند، زیرا بخش حیاتی زیرساخت ملی هستند.

 2.3. حسگرها

نمونه ای از این فناوری تعبیه حسگرها در سازه هایی مانند پل ها و هواپیماهامی‌توان اشاره کرد. این حسگرها نظارت زمان واقعی تغییرات ساختاری مختلف مانند تنش و کرنش را فراهم می‌کنند. در مورد سازه های مهندسی عمران، داده های ارائه شده توسط حسگرها معمولاً به مراکز جمع آوری داده از راه دور منتقل می شود. با کمک تکنولوژی روز، کنترل زمان واقعی سازه ها (Active Structural Control) بر اساس اطلاعات حسگرها امکان پذیر است.

3.3. سیستم جمع آوری داده

جمع آوری داده به تعداد و نوع حسگرها، نحوه فعال کردن حسگرها و تکنیک های ذخیره داده می پردازد. قرار دادن سنسورها نباید رفتار سازه را تغییر دهد، بنابراین لازم است محل سیم کشی، باکس و... در مرحله طراحی در نظر گرفته شود. حسگرها باید مناسب و مستحکم باشند و عملکرد خود را به خوبی برای مدت زمان مشخص حفظ کنند . هر سنسور می تواند جنبه خاصی از سازه را ارزیابی کند. سنسورها کرنش ، خیز، دوران ، دما ، خوردگی ، پیش تنیدگی و غیره را اندازه گیری می کنند.

* نمونه ای از این فناوری تعبیه حسگرها در سازه هایی مانند پل ها و هواپیماها است. این حسگرها نظارت زمان واقعی تغییرات ساختاری مختلف مانند تنش و کرنش را فراهم می‌کنند. در مورد سازه های مهندسی عمران، داده های ارائه شده توسط حسگرها معمولاً به مراکز جمع آوری داده از راه دور منتقل می شود. با کمک تکنولوژی روز، کنترل زمان واقعی سازه ها (Active Structural Control) بر اساس اطلاعات حسگرها امکان پذیر است. درمورد سازه های مهندسی عمران، داده های ارائه شده توسط حسگرها معمولاً به مراکز جمع آوری داده از راه دور منتقل می شود. با کمک تکنولوژی روز، کنترل زمان واقعی سازه ها (Active Structural Control) بر اساس اطلاعات حسگرها امکان پذیر است.

4.3 .انتقال داده

انتقال داده ها را می توان از طریق سیمی انجام داد که معمول و مقرون به صرفه است اما ممکن است برای سازه های بزرگ عملی نباشد. به عنوان روش دیگر، ارتباط بی سیم را می توان در نظر گرفت که برای سازه های بزرگ مناسب است، اما کندتر و گرانتر از روش سیمی است. خطوط تلفن گزینه دیگری برای انتقال اطلاعات از سایت به دفاتر خارج از سایت است. این تکنیک‌های انتقال داده، نیاز به بازدید از محل برای جمع‌آوری و انتقال داده‌ها را برطرف می‌کند.

5.3.پردازش دیجیتال

پس از انتقال داده ها، پردازش دیجیتال برای حذف اثرات ناخواسته انجام می شود. این کارباید قبل از ذخیره اطلاعات انجام شود. پردازش دیجیتال تفسیر داده ها را آسان تر، سریع تر و دقیق تر می کند.

5.3.ذخیره سازی داده ها

داده های پردازش شده را می توان برای مدت طولانی ذخیره کرد و در آینده برای تجزیه و تحلیل و تفسیر بازیابی کرد.

6.3.تشخیص داده ها

فرآیندهای تشخیص داده‌ها شامل تبدیل داده های انتزاعی به اطلاعات مفید در مورد وضعیت سازه و پاسخ آن به بارها می باشد. بنابراین ، داده‌های نهایی به‌دست‌آمده از پایش سلامت سازه باید دقیق و فیزیکی باشد که براساس آن بتوان تصمیمات مهندسی منطقی و مبتنی بر دانش را اتخاذ کرد. روش مورد استفاده برای فرایند تشخیص به نوع سازه ، مکان و نوع حسگرها ، هدف پایش و پاسخ سازه مورد بررسی بستگی دارد.

7.3.استخراج ویژگی و فشرده سازی داده ها

حوزه ای از فرآیند SHM که در ادبیات فنی بیشترین توجه را به خود جلب می کند، شناسایی ویژگی های داده است که به فرد اجازه می دهد بین ساختار سالم و آسیب دیده تمایز قائل شود. تراکم داده ها در این فرآیند انتخاب ویژگی های مشخصه ذاتی است.

یکی از متداول‌ترین روش‌های استخراج ویژگی مبتنی بر همبستگی مقادیر پاسخ سیستم اندازه‌گیری شده، مانند دامنه یا فرکانس ارتعاش، با مشاهدات دست اول سیستم درحال تخریب است. یکی دیگر از روش های توسعه ویژگی ها برای شناسایی آسیب، اعمال عیوب مهندسی شده، مشابه موارد مورد انتظار در شرایط عملیاتی واقعی، در سیستم ها و توسعه است.

4.دسته بندی روش‌های پایش سلامت سازه

روش‌های پایش سلامت سازه
روش های مخرب	روش های غیر مخرب
	روش های موضعی
	روش های جامع	روش های استاتیکی
		روش های دینامیکی

1.4.روش های مخرب

این روش باعث ایجاد خسارت به سازه می‌شود، بنابراین سعی می‌شود نمونه‌گیری از محل هایی انجام ‌شود که کمترین آسیب را به سازه وارد کند ، به عنوان مثال درقسمت های بتنی پس از مغزه‌گیری مقاومت فشاری نمونه اندازه‌گیری می‌شود ودرقسمت های فولادی قسمتی از مقطع را برش زده وتست کششی بر روی نمونه انجام می‌شود.

2.4.روش‌های غیرمخرب

*روش های موضعی

*روش های غیرمخرب جامع

این روش‌ها خسارت‌های چشمگیری که منجر به تغییر در انسجام کل سیستم می‌شود را تشخیص می‌دهند وبه دو روش استاتیکی و دینامیکی انجام می‌شود:

*1.2.4.روش‌های استاتیکی:

دراین روش در ابتدا سازه را تحت بار استاتیکی قرار داده و کرنش وجابه‌جایی سازه را اندازه‌گیری می‌کنیم و با استفاده از المان محدود آسیب را شناسایی می‌کنیم.از معایت این روش می‌توان به نیاز به حجم انبوه داده‌های اندازه‌گیری ، نیاز به تست بار استاتیکی که موجب متوقف شدن سرویس‌دهی سازه می‌شود ونیاز به استفاده از مشخصات دقیق مصالح در مدل المان محدود اشاره کرد .

*2.2.4.روش‌های دینامیکی

وجود خرابی وآسیب در سازه باعث تغییر در مشخصات دینامیکی سازه می‌شود ، روش های دینامیکی شامل دو روش Modal Based Method  و Signal Based Method می‌شود .

1.2.2.4.Modal Based Method  

مشخصات دینامیکی سازه شامل فرکانس سازه ، نسبت میرایی وشکل‌های مودی می‌شود ، این روش شامل روش های زیر می‌باشد:

1.    روش‌های شناسایی آسیب بر مبنای تغییر در فرکانس سازه :تغییر در سختی سازه موجب تغییر در فرکانس سازه می‌شود. از جمله  مشکلات این روش می‌توان به تکیه تنها برتغییرات فرکانس جهت شناسایی محل آسیب و عدم حساس بودن نسبت به خرابی‌های کوچک اشاره کرد.

2.    روش‌های شناسایی آسیب بر مبنای تغییر در میرایی سازه : وجود خرابی و آسیب در سازه باعث افزایش میرایی سازه می‌شود . از جمله مشکلات این روش سخت بودن محاسبه میرایی سازه وحساسیت بیشتر نسبت به آسیب در مقایسه با فرکانس طبیعی اشاره کرد .

3.    روش‌های شناسایی بر مبنای خصوصیات Modal : وجود خرابی وآسیب در سازه باعث تغییر در اشکال مودی سازه می‌شود . با ترسیم تغییرات نسبی اشکال مودی ، محل آسیب را می‌توان تغیین کرد .

4.    روش‌های مبتنی بر تابع پاسخ فرکانس : در این روش ارتعاش به سازه وارد شده وپاسخ سازه به ارتعاش ورودی را به ما می‌دهد.

5.    روش‌های مبتنی بر به روز رسانی مدل: پارامترهای مدل سازه‌ای نظیر جرم ، سختی ، میرایی و.. می‌شود ، این پارامترها با استفاده از روش‌های بهینه سازی به گونه‌ای تغییر می‌کنند که پاسخ مدل به پاسخ واقعی ثبت شده از یک سازه واقعی همگرا شود.

6.    روش‌‌های مبتنی بر هوش مصنوعی: این روش‌ها اغلب با الگوگیری از طبیعت ایجاد می‌شوند ، مانند الگوریتم ژنتیک بر مبنای تکامل داروین ، الگوریتم فازی نزدیک به شبکه عصبی و....

1.2.2.4.Signal Based Method

هر تابعی که وابستگی یک پارامتر به پارامتر دیگر را نشان دهد یک سیگنال می‌گویند ، روش‌های شناسایی آسیب بر مبنای سیگنال به سه دسته تقسیم می‌شوند:

1.   استفاده از سیگنال در حوزه زمان

2.   استفاده از سیگنال در حوزه فرکانس

3.  استفاده از سیگنال در حوزه زمان-فرکانس

مقایسه روش‌های استاتیکی و دینامیکی:

روش های دینامیکی در مقایسه با روش های استاتیکی از توانایی و قدرت بیشتری برخوردار هستند و مزیت عمده ی این روش ها، حساسیت زیاد آن ها نسبت به آسیب در سازه است. اما معایب اصلی این روش این است که به تعداد زیادی حسگر برای اندازه گیری نیاز دارند و در بعضی سازه های عمرانی تعیین دقیق  پاسخ دینامیکی سازه (شکل مودهای دقیق و واضح و تعیین داده مودال با دقت بالا)،  بسیار مشکل بوده ولی در روش های استاتیکی این مشکلات وجود ندارد.

روش های استاتیکی در مقایسه با روش های دینامیکی پیشرفت کمتری داشته و تحقیقات کمتری برروی این روش انجام شده‌است. روش های استاتیکی معمولا ساده تر از روش های دینامیکی هستند و تجهیزات مورد نیاز در روش استاتیکی ارزان ترمی‌باشد ، همچنین بدست آوردن پاسخ استاتیکی سازه (تغییرشکل و کرنش دقیق سازه) سریع و به صرفه است. مهمتر از همه اینکه خطای اندازه گیری روش استاتیکی کمتر از روش دینامیکی می‌باشد.

5.مزایا ومعایب پایش سلامت سازه

مزایای پایش سلامت سازه

1. درک بهتر رفتار سازه در محل
2. کاهش زمان عدم سرویس‌دهی سازه
3. افزایش ایمنی وعمر مفید سازه
4. کم اشتباه وقابل اطمینان بودن
5. کمک به توسعه مدیریت منطقی و استراتژی های تعمیر و نگهداری

معایب پایش سلامت سازه

1. هزینه نصب بالا
2. آسیب پذیری به آلودگی های صوتی محیط پیرامون
3. آسیب پذیری در برابر شرایط زلزله
4. چالش های استفاده از SHM ماننددسترسی به ساختمان، کار با حجم عظیم داده های تولید شده توسط حسگرها، شرایط محیطی و غیره.
5. به علت اندازه و پیچیدگی سازه های بزرگ لازم‌است تعداد زیادی حسگر در نقاط مختلف روی آنها نصب شود.

6.منابع

• روش های پایش سلامت سازه و بررسی مقایسه ای کاربرد موثر آنها در حفاظت از ساختمان ها در طول عمر مفیدشان؛ مرحوم رضا رازانی ، محمد دانائی

• پایش سلامت پل ورسک با مقایسه نتایج حاصل از وسایل ابزار دقیق و تابع موجک؛ ماهیتسا کیوانی، علی کیهانی

• ارزیابی روش های پایش سالمت و شناسایی خرابی در سازه های بتنی؛ رامین حاجی محمدرضایی، حسین نادرپور

• مدلسازی و آزمایشهای دینامیکی در مهندسی زلزله ، محمودرضا ماهری، فریبرز ناطقی الهی

• وبینار تشخیص آسیب و پایش سالمت سازه ها؛ بهنام کریمی (دانشجوی دکتری زلزله دانشگاه صنعتی شریف)، علیرضا مقدم نژاد (دانشجوی کارشناسی ارشد زلزله دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی)

Dawson, Brian (1976). "Vibration condition monitoring techniques for rotating machinery". The Shock and Vibration Digest.

Raghavan, A. and Cesnik, C. E., Review of guided-wave structural health monitoring," Shock and Vibration Digest, Carden, E; Fanning P (2004). "Vibration based condition monitoring: a review". Structural Health Monitoring

Montalvao, D., Maia, N. M. M., and Ribeiro, A. M. R., A review of vibration- based structural health monitoring with special emphasis on composite materials," Shock and Vibration Digest, vol. 38, no. 4, pp. 295-326, 2006

Fan, W. and Qiao, P. Z., Vibration-based damage identification methods: A review and comparative study," Structural Health Monitoring, vol. 10, no. 1, pp. 83-111, 2010

Worden, Keith; Charles R. Farrar; Graeme Manson; Gyuhae Park (2007). "The Fundamental Axioms of Structural Health Monitoring". Philosophical Transactions of the Royal Society A. 463 (2082): 1639–1664. Bibcode:2007RSPSA.463.1639W. doi:10.1098/rspa.2007.1834. S2CID 123103057

Loveyjoy, Steven. "Applications of Structural Health Monitoring to Highway" (PDF).

Tennyson, Roderic (October 2005). "Monitoring Bridge Structures Using Long Gage-Length Fiber Optic Sensors". Caltrans Bridge Research Conference 2005

"Continuous Stress Monitoring". Archived from the original on 4 September 2014. Retrieved 4 September 2014.

Ogaja, Clement, Li, Xiaojing and Rizos, Chris. "Advances in structural monitoring with Global Positioning System technology: 1997–2006" , vol. 1, no. 3, 2007, pp. 171-179. doi: https://doi.org/10.1515/jag.2007.019

"Structural Monitoring - Second Penang Bridge". Archived from the original on 2021-04-18. Retrieved 2021-02-02.