پایش سلامت سازه بر مبناء ارتعاش

یکی از روش های معمول پایش سلامت ، روش برمبناء ارتعاش (Vibration Based) می باشد. در این روش نخست ارتعاش سازه ناشی از هر گونه ارتعاش مانند  زلزله و یا باد توسط حسگر های نصب شده برروی سازه ثبت شده و پارامتر های ارتعاشی سازه استخراج می گردند. سپس با مقایسه این پارامتر ها با پارامترهای حالت سلامت سازه و همچنین با بروز رسانی مدل تحلیلی سازه می توان از وضعیت سلامت آن آگاه شد.  فلوچارت زیر فرایند و مراحل انجام کار را نشان می دهد.

هر سیستم پایش سلامت بر مبناء ارتعاش، با نصب حسگر(شتاب، تغییر مکان و...)  در نقاط مختلف سازه و اندازه گیری ارتعاش سازه تحت بارهای دینامیکی شروع می شود. برای این منظور لازم است سیستم امکان ذخیره سازی داده ها و همچنین انتقال آن به سرورها مربوطه را داشته باشد.(مرحله 1). با ثبت این سیگنال های ناشی ارتعاش سازه، نخست باید آنها را پردازش کرد و سپس با استفاده از روش های تحلیل سیگنال ،  خصوصیات دینامیکی سازه (بیشینه شتاب ، بیشنه تغییر مکان ، فرکانس های ارتعاشی، نسبت میرایی ارتعاشی ومود های ارتعاشی و ....) برای حالت سالم سازه  بدست آورد. در این مرحله مدل تحلیلی تهیه شده سازه با نتایج بدست آمده از اندازه گیری اولیه مقایسه شده و نسبت به برروز کردن این مدل با رفتار واقعی سازه اقدام می گردد (مرحله 2). حال با داشتن سیستم دائمی پایش سلامت و با ثبت ارتعاش سازه در طول مدت بهره برداری آن، پارامتر های ارتعاشی سازه (  بیشینه شتاب ،  بیشنه تغییر مکان ، فرکانس های ارتعاشی، نسبت میرایی ارتعاشی و...) بدست می آید (مرحله 3). با مقایسه این اطلاعات با مقادیر اولیه و نتایج موجود از مدل بروز شده سازه سالم بدست آمده در مرحله 2، می توان از وجود آسیب و یا احتمال وقوع آن مطلع شد. (مرحله 4) . در صورت وجود هر گونه نتایج غیر متعارف، نسبت به بروز کردن مدل تحلیلی اقدام شده و احتمال آسیب، محل و مقدار آن برآورد اولیه می گردد(مرحله 5). در این مرحله تیم بازرسی  می تواند به محل سازه اعزام شده و با استفاده از اطلاعات  مرحله 5 ، برآورد دقیقتر از نوع و مقدار آسیب ارائه خواهد نمود (مرحله 6). این عمل معمولا با بازرسی چشمی آغاز و در صورت نیاز با استفاده از روش های بازرسی غیر مخرب شرایط آسیب به طور دقیق بررسی و گزارش می شود.

مراحل 3 تا 6 در طول عمر سازه تکرار شده  در صورت رسیدن سازه به سطح پایین تر از ظرفیت طراحی ، می بایست نسبت به اصلاح سازه و یا جایگزین کردن آن تصمیم گرفت.

پایش سلامت سازه

 لزوم بررسی  و آگاهی از وضعیت سلامت  سازه ها و طرح بهسازی آنها  اهمیت بالایی برای  بهره برداران آنها دارد. روش های مختلفی برای بررسی وضعیت سلامت سازه ها وجود دارد که شامل:

1. بررسی چشمی
2. بررسی بر اساس روش های آزمون غیر مخرب
3. بررسی با استفاده از اندازه گیری رفتار سازه ای (استاتیک و یا دینامیک)

روش های بازرسی چشمی و مبتنی به آزمون های غیر مخرب وقت گیر و پر هزینه می باشند و فقط آسیب های قابل رویت و یا قابل دسترسی را می توان شناسایی کرد. همچنین برای اینگونه بازرسی ها، افراد ماهر و با تجربه لازم است.

ارائه یک روش مطمئن و سیستماتیک جهت بررسی رفتار سازه حین بهره‌برداری، و جمع‌آوری داده‌های کافی جهت ارزیابی وضعیت این سازه‌ها ضروری به نظر می‌رسد. استفاده از سیستم‌های پیشرفته اندازه‌گیری توسط حسگرها، روشی سریع و خودکار بررسی وضعیت سازه‌ها می باشد که امروزه در اکثر کشور‌های پیشرفته جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش به پایش سلامت سازه (Structural Health Monitoring) و یا به اختصار SHM  معروفمی باشد.

در پایش سلامت سازه معمولا 4 سطح بررسی مد نظر می باشد:

1. سطح 1: نشان داده شود که آسیب در سازه وجود دارد
2. سطح 2: شناسایی محل آسیب
3. سطح 3: برآورد مقدار آسیب
4. سطح 4: برآورد عمر باقی مانده سازه

یکی از روش های معمول در پایش سلامت سازه، روش اندازه گیر ارتعاش سازه و بررسی پارامتر های ارتعاش سازه می باشد.

حسگر های فیبر نوری (2)

 حسگرهای فیبر نوری جابجایی سازه را به تغییر در طول فیبر نوری تبدیل می‌کنند. از طرف دیگر فیبرهای نوری حساسیت ویژه‌ای نسبت به تغییرات دما دارند و برای اندازه‌گیری دقیق جابجایی‌ها لازم است اثر دما در محاسبات لحاظ شود. بهترین راه در نظر گرفتن اثر دما، قرار دادن یک حسگر فیبر نوری برای ثبت جابجایی سازه و یک حسگر دیگر از همان نوع به صورت آزاد برای مشاهده‌ی اثر تغییرات دما بر روی حسگر است. لازم به ذکر است که فیبرهای نوری به کار رفته سالم بوده و میکرو خمش‌ها در آن حداقل باشد.

الزامات از دید مکانیکی: فیبر نوری مورد استفاده باید در تماس کامل با سازه‌ی مورد مطالعه باشد و جابجایی‌های محوری باید کاملاً از سازه به فیبر منتقل شوند. اگر هدف از استفاده از حسگرها پایش طولانی مدت باشد، باید تدبیری اندیشیده شود تا اثرات خزش حذف گردد. تجربیات نشان می‌دهد که استفاده از فیبر با روکش پلیمید و نیز چسب اپوکسی برای نصب حسگرها، از نظر اتصال مکانیکی بین فیبر و پایه (عضو سازه‌ی مورد بررسی) نتایج بهتری می‌دهد. برای استفاده‌ی بلند مدت از حسگرهای فیبر نوری، باید این اطمینان حاصل گردد که هیچگونه میکرو ترک که باعث شکننده شدن فیبر می‌گردد، در بدنه‌ی آن نباشد. پوشش روی فیبر در هیچ حالت نباید از روی آن برداشته شود مگر آن‌که ضروری باشد و تنها در محدوده‌ای که فیبر تحت تنش نیست مجاز است. اگر کرنش ایجاد شده در فیبر نوری بیشتر از 0.5% نباشد، می‌تواند طول عمری در حدود 40 سال داشته باشد؛ بدیهی است مانند هر ماده و متریال دیگر، خستگی، چه از نوع مکانیکی و چه حرارتی، این طول عمر را کاهش می‌دهد.

الزامات و شرایط محیطی: حسگرها باید در هنگام ساخت سازه و در صورت توان در تمامی طول عمر سازه در برابر شرایط محیطی مقاومت کنند. در هنگام ساخت سازه و نصب حسگرها لازم است تا فیبر در برابر اتفاقات احتمالی محافظت شود. خوردگی شیمیایی یکی از موارد محتمل برای تخریب حسگرها است که این امر می‌تواند با اضافه کردن روکش محافظ و یا تقویت آن‌ها به سادگی جلوگیری شود (البته توجه به انتقال کامل کرنش از سازه به فیبر امری است ضروری)

حسگرهای فیبر نوری (1)

از بسیاری از جهات، حسگرهای فیبر نوری ایده‌آل‌ترین مبدل برای پایش سلامت سازه‌های عمرانی است. دوام، پایداری و بی تأثیر بودن اختلالات خارجی آن‌ها را به عنوان بهترین گزینه برای پایش‌های طولانی مدت در سازه‌های عمرانی ساخته است. ولی از طرف دیگر، اندازه‌ی کوچک و ظریف بودن فیبرها، این حسگرها را نسبت به شرایط محیطی سخت که عموم سازه‌های عمرانی با آن روبه‌رو هستند، آسیب‌پذیر می‌کند. این مشکلات با دقت در روش طراحی شبکه‌ی حسگرها و قرار دادن آن‌ها در جای مناسب تا حدی قابل حل شدن هستند. همان طور که قبلاٌ نیز اشاره شد، اولین قدم برای پایش سلامت سازه، طراحی و نصب شبکه‌ی حسگرها برای اندازه‌گیری پارامترهای مورد نیاز از سازه و محیط اطراف آن می‌باشد. این حسگرها نسبت به دیگر حسگرهای معمول، دارای کیفیت بهتر اندازه‌گیری، قابلیت اطمینان بیشتر، امکان حذف اثر نیروی انسانی در اندازه‌گیری‌ها، نصب آسان و هزینه‌ی نگهداری کمتر هستند. انواع متنوعی از این حسگرها هم برای کارهای آکادمیک و آزمایشگاهی و هم برای استفاده‌های عملی و واقعی وجود دارد.

از آن‌جایی که نحوه‌ی عملکرد انواع این حسگرها و سازه‌هایی که این حسگرها بر روی آن نصب می‌شوند، متنوع بوده، هرکدام نیازمند نوع خاصی از نصب بر روی سازه هستند. به طور مثال برای سازه‌های بتنی می‌توان این حسگرها را هم بر روی سطح و هم در درون اعضا نصب کرد، در حالی که در سازه‌های چوبی و فلزی، نصب تنها بر روی سطح صورت می‌گیرد.

انتقال داده ها بدون سیم (شبکه‌ی بی‌سیم)

شبکه‌ی حسگرهای هوشمند یک جایگزین مطمئن برای شبکه‌ی حسگرهای کابلی هستند. تعدادی از تکنولوژی‌ها دست به دست هم دادند که فرصتی برای پیشرفت سیستم‌های پایشی با خصوصیات جدید تولید کنند. این تکنولوژی‌ها موجب طراحی و عرضه‌ی حسگر‌های هوشمند با هزینه‌ی کمتر و توانایی برقراری ارتباط بی‌سیم، پردازش داده‌های اندازه‌گیری شده و حتی کاستن هزینه‌های اجرایی پس از تولید و نصب انبوه در سازه شده است؛ اما هنوز مشکلاتی از قبیل مصرف برق و اعتبار دراز مدت این سیستم‌ها وجود دارد که نیازمند تحقیق و بررسی بیشتری است تا بتوان با اطمینان کامل در سیستم‌های پایشی استفاده کرد. این سیستم متشکل از ارتباط بی‌سیم، قدرت پردازش داخلی و حسگرهای MEMS می‌باشد. قسمت ارتباط بی‌سیم مشکل سیم‌های ارتباطی و انتقالی را در سیستم‌های پایشی متداول حل کرده است. میکروپردازشگرها و میکروکنترلرها این امکان را ایجاد کرده‌اند که مشکل نابرابری توزیع قدرت پردازش و محاسبات به کلی حذف گردد. استفاده از حسگرهای MEMS نیز همان‌طور که قبلاً نیز اشاره شد، می‌تواند دقت و کارایی قابل توجهی را با هزینه‌ی به مراتب کمتر از دیگر حسگرها ایجاد کنند. با ترکیب این سه قابلیت، یعنی ارتباط بدون سیم، قدرت پردازش داخلی و حسگرهای MEMS، می‌توان مرحله‌ی جمع‌آوری داده و پردازش آن‌ها را از مراکز تجمیع داده به خود حسگرها برد و تنها داده‌های آماده و مفید را برای محاسبات اصلی جمع‌آوری کرد. با این کار حجم داده‌های انتقال یافته به مراتب کم حجم‌تر بوده و در پی آن مشکلات کمتری را در دسته‌بندی و ذخیره‌ی داده‌ها دارد.