وبلاگ

وقوع بارگذارى­هاى ناگهانى و ویژه نظیر باد و زلزله، آسیب­هاى مختلفى را در سازه­ها ایجاد مى­نماید و رخداد چنین خسارات و نواقصى در سازه سبب تغییر مشخصات و رفتار سازه مى­گردد. همچنین گذشت زمان و شرایط محیطى نیز سبب فرسایش و زوال مصالح سازه­ها و در نتیجه تغییر مشخصات آنها مى­گردد. موارد مذكور سبب شده است تا شناسایى خصوصیات سیستم، تشخیص آسیب موجود در آن (شدت، نوع، زمان و محل آسیب) و پایش سلامت سازه[1] به یكى از مسائل مهم در علوم مهندسى، از جمله مهندسى عمران بدل گردد.
به بیان دیگر بررسی رفتار ساز­ه­های مهم نظیر پلها، سدها تحت بارهای عادی و یا بارهای خاص مانند زلزله برای مهندسین ممکن گردیده که موجب تشخیص آسیب در سازه­ها به عنوان زیر مجموعه ­ای در این بحث شده است. در این راستا با در اختیار داشتن پاسخهای سازه قبل و پس از آسیب می­توان شدت، نوع و محل آسیب را بدست آورد.
از آنجا كه آسیب ایجاد شده در سازه تاثیر مستقیمى بر خصوصیات و مشخصات سازه مى­گذارد، سلامت سازه به نوع، شدت و محل آسیب ایجاد شده در آن وابسته بوده و به همین سبب توانایى تشخیص آسیب ایجاد شده در سیستم­هاى مختلف سازه­ای از جمله ساختمانها یكى از موضوعات مهم و قابل توجه به شمار مى­رود. منظور از آسیب، ایجاد هرگونه تغییر در خصوصات سیستم بوده به گونه­اى كه رفتار آن نسبت به وضعیت اولیه تغییر نماید. این تعریف در سازه­ها، به تغییرات خصوصیات مصالح یا هندسه سازه كه كارایی سازه در حال و آینده را مختل مى­سازد، محدود می­گردد. با نظر به آنچه كه اشاره گردید، مباحث شناسایی خصوصیات سیستم، تشخیص آسیب ایجاد شده و پایش سلامت سازه­ها بصورت وابسته بوده و گاهی بطور همزمان مورد توجه قرار می­گیرند.
از آن جا كه كشور ما در یكى از مناطق لرزه­خیز جهان قرارگرفته است، علاوه بر سایر آسیب­ها بیشترین آسیبی كه در سازه­ها رخ می­دهد در اثر زلزله مى­باشد. اگرچه این آسیب­ها ممكن است چندان واضح نباشد كه قابلیت شناسایی توسط بازدیدهاى میدانى را داشته باشد، اما مى­تواند تغییراتى در خصوصیات سازه ایجاد نماید كه سبب كاهش سطح عملكردى سازه موجود در زلزله­هاى بعدى گردیده و حتى اسباب تخریب كلى سازه در زلزله­هاى آینده را فراهم آورد. لازم به ذکر است که عدم شناسایی به موقع آسیب موجب از حیز انتفاع افتادن سازه و تحمیل هزینه اقتصادی به لحاظ ساخت مجدد سازه خواهد شد. در خصوص سازه­های خاص و شریانهای حیاتی علاوه بر مشکلات اقتصادی، معضلات اجتماعی و یا حتی سیاسی را نیز می ­تواند در بر داشته باشد. برای روشن شدن اهمیت پایش سلامت سازه می­توان آن را با آزمایشات تشخیصی پزشکی برای حصول اطمینان از سلامت انسان قیاس نمود.
در گذشته از روشهاى گوناگونى به منظور بررسى سلامت سازه­ها استفاده شده است كه عموماً شامل مشاهدات میدانى و آزمایشهای محدود شامل آزمایش­هاى مخرب و غیرمخرب بوده ­اند. اما پیش شرط لازم براى انجام چنین آزمایشهایی حدس محدوده آسیب ایجاد شده سازه­ها و در دسترس بودن آن مى­باشد كه بنابراین نتایج ناشى از آنها كاملاً وابسته به حدس درست محل احتمالی آسیب هستند. علاوه بر این، انجام این آزمایشها نیاز به ابزارهایى دارد كه این امر سبب افزایش هزینه­هاى انجام آنها مى­گردد. بنابراین تعداد آزمایشهاى انجام شده جهت بررسى سازه مى­بایست به حداقل مقدار لازم كاهش داده شوند. از سوى دیگر، مهارت كاربر نیز در دقت نتایج بدست آمده، نقش مستقیم داشته و سبب ضعف بیشتر این آزمایشها در تشخیص آسیب و شناسایی مشخصات سازه مى­گردد. همچنین به دلیل کیفى بودن نتایج بدست آمده، این آزمایشها نمى­توانند تخمینى از تغییرات به وقوع پیوسته در خصوصات دینامیكى سازه آسیب دیده، بدست دهند.
با پیشرفت علم، با بهره­ گیری از اطلاعات استاتیکی ثبت شده در سازه­ها و تغییرات آن به تعیین خواص سازه با اینگونه ثبت­ها قدم برداشته شد. همچنین پس از آنكه دانشمندان به سمت استفاده از داده ­هاى ارتعاشى براى پیداكردن خواص دینامیكى سازه­ها پیش رفتند، با انجام آزمایشهاى ارتعاشات محیطى و یا تحریكات اجبارى تا حدود زیادى موفق به دست آوردن خواص دینامیکى سازه­ها گردیدند و بدین ترتیب پس از وقوع پدیده­های طبیعی همچون زلزله با این روشها خواص دینامیكى سازه را محاسبه كرده و از مقایسه نتایج آنها با نتایج بدست

 آمده از آزمایش­هاى صورت گرفته قبل از زلزله به میزان آسیبى كه در سازه اتفاق افتاده بود، پى مى­بردند. البته با بهره گرفتن از این روش­ها تنها تا حدودى امكان بررسی وضعیت سازه قبل و بعد از یک حادثه، مثلأ زلزله، قابل اندازه گیرى بود و هنوز امكان دستیابى به چگونگى تغییرات خواص سازه در طول رخداد زلزله ممكن نبود، امرى كه جهت حفظ سلامت سازه در حین زلزله بسیار حیاتى است. همچنین استفاده از آزمایشهای ارتعاشات اجبارى و محیطى هزینه­هاى زیادى را نیز طلب مى­كردند كه با این وجود از آن جا كه تحریک اعمال شده در این آزمایش­ها در مقایسه با تحریكات زلزله بسیار كوچک مى­باشند، لذا تصویر واضحى از تغییرات ایجاد شده در مشخصات سازه پس از زلزله بدست نخواهند داد.

بنابراین هدف از این پژوهش آن است كه با پیشنهاد رویکردی جهت شناسایى خصوصیات سازه، با بکارگیری الگوریتمهای تکاملی روشی برای تشخیص محل و شدت آسیب­هاى رخداده بر پایه اطلاعات (داده ­های) استاتیکی یا دینامیکی ارائه گردد.
بنابراین دو روش پیشنهادی با بهره گرفتن از داده ­های استاتیکی و دینامیکی سازه ­هایی به شکل پلهای با قدمت بیشتر موجود انتخاب گردید. اشکال انتخابی شامل پل تیر شکل، چهار شکل متفاوت پل خرپایی و پل قوسی می­باشند. در نهایت روند تشخیص آسیب با تشکیل تابع هدف و بهینه سازی آن توسط چهار الگوریتم متفاوت( برای اطمینان به تابع هدف انتخابی و کاهش اثرات نوع الگوریتم) انجام گردید.
2-1- پایش سلامت سازه ها
اگر مراحل ثبت داده ­ها به صورت دائم و یا دوره ای صحیح صورت گیرد نشانگر عملکرد سازه است. پایش سلامت سازه به سه حالت زیر صورت می پذیرد.
1- کوتاه مدت
2- میان مدت
3- بلند مدت
البته تمام این موارد می ­تواند در کل سازه و یا به صورت محلی صورت پذیرد.
مهندسان سازه مدت طولانى است كه تلاش كرده­اند تا با بهره گرفتن از داده ­هاى موجود و ابزارهای مناسب، آسیب را در سازه­ها شناسایى كنند.
پایش سلامت در سازه ها با جواب به سوالات زیر توص‍یف م‍ی شود:  
1ـ آیا آسیب در سازه وجود دارد؟
2ـ موقع‍یت آسیب در سازه کجاست؟
3ـ نوع آسیب موجود چ‍یست ؟
4ـ شدت آس‍یب چقدر است؟
بعد از شناسایی آسیب، سازه باید با درنظر گرفتن وضع‍یت موجود مورد تحل‍یل قرار گ‍یرد و م‍یزان کارایی سازه سنج‍یده شود و در صورت لزوم نسبت به تعم‍یر و تقویت سازه اقدام شود.
3-1- آسیب در پل ها
آسیب یكى از لغات بحث برانگیز در زمینه پایش سلامت سازه­ها مى­باشد. به طور كلى «آسیب»؛ ایجاد تغییر دائم در مشخصات سازه از جمله سختى، مقاومت، خصوصیات دینامیكى و یا كاهش سطح عملكرد سازه نسبت به حالت اولیه آن مى­باشد.
براى پل­ها آسیب می تواند مربوط به جابجایى نسبى بین عرشه و کوله و تغییر رفتار اعضاى سازه­اى مى­باشد. براى تشخیص آسیب روشهاى مختلفى ارائه شده است كه از بین آنها تغییرات در خصوصیات مودى نظیر فركانس­های مودى و اشكال مودى و همچنین به روز­­­رسانی ماتریس­هاى مشخصه سازه (ماتریس جرم، سختى و میرایی) و تغییرات در خصوصیات ماتریس سختی را مى­توان نام برد. در تمامى روش­هاى تشخیص آسیب نیاز است كه ابتدا خصوصیات سازه (فضاى فیزیكى، فضاى مودی، فضاى پاسخ) پیش از آسیب شناخته شود، سپس در گام بعدى با بهره گرفتن از داده ­هاى بدست آمده از پاسخ سازه، مشخصات جدید شناسایى شده و با بررسى تغییرات این مشخصات تشخیص آسیب انجام گردد.
پاسخ لرزه­اى سازه وابسته به مشخصات دینامیكى سازه و تحریک زلزله مى­باشد، لذا پاسخ سازه با تغییر در مشخصات دینامیكى سازه، تغییر خواهد كرد. از آنجا كه تغییر در مشخصات دینامیكى سازه نتیجه تغییر در سختى، میرایی و سایر ویژگى­هاى سازه (كه در صورت ماندگار بودن این تغییرات از آنها به عنوان آسیب  یاد مى­شود) مى­باشد، بنابراین مى­توان نتیجه گرفت كه ایجاد تغییر در پاسخ لرزه­اى سازه مى­تواند به دلیل رخداد آسیب در سازه باشد. البته نباید فراموش نمود كه تغییرات ایجاد شده در پاسخ لرزه­اى سازه ممكن است علاوه بر رخداد آسیب­هاى ماندگار در سازه، مربوط به رفتار غیرخطى خاك و یا غیرخطى شدن سازه باشد، كه باید به طریقى اثرات این عوامل درنظر گرفته شده و تغییراتى كه در پاسخ به سبب این آسیب­­ها ایجاد مى­گردد از این عوامل مجزا گردد.
از آن جا كه رخداد آسیب در سازه سبب ایجاد تغییر ماندگار در فركانس سازه مى­شود، بنابراین بررسى فركانس­هاى طبیعى و سایر خواص مودى سازه در حین ارتعاشات محیطی ابزار مفیدى براى تشخیص آسیب مى­باشد. حال با توجه به اینکه در بسیارى از مناطق لرزه­خیز جهان زلزله از اصلی­ترین چالش­ها در طراحى سازه­ها مى­باشد و عمده خسارات وارد بر سازه­ها علاوه بر سایر عوامل محیطی ناشى از این پدیده طبیعى است، بهره­ گیری از این موضوع می ­تواند مفید باشد. با بررسى فركانس­ها و سایر مشخصات مودى سازه در حین زلزله، تعیین مكان و مقدار آسیب در سازه ممكن خواهد شد.
لازم به ذکر است در روش­های مبتنی بر داده ­های استاتیکی با اطلاعات بسیار کمی می­توان آسیب را در سازه با دقت قابل قبولی تشخیص داد لذا اینگونه روشها مورد توجه مهندسان قرار گرفته است. به طور مثال در روش­های استاتیکی با داشتن تغییرمکان یا کرنش، شناسایی آسیب در سازه میسر است. در تحلیل استاتیکی تغییرات در ماتریس سختی می ­تواند نشان دهنده رخداد آسیب در سازه باشد.
[1] Structural Health Monitoring(SHM)