شناسایی سیستم های سازه ای (2)

مدل کردن سازه یک فرایند با دامنه گسترده می باشد و روش های متفاوتی را در برمی گیرد. این روش ها از مدل پیوسته و یا گسسته گرفته تا مدل هایی صرفا بر مبناء رابطه ورودی – خروجی اندازه گیری شده می باشند. شناسایی سیستم های سازه ای در میانه این دامنه قرار دارد و به عبارتی بین یک اندازه گیری صرفا تجربی و یک مدل صرفا تحلیلی  (Doebling, 1995). هرگاه پاسخ سازه با استفاده از یک سری حسگر در نقاط مشخص، در محدوده ی فرکانسی مشخص و در زمانی مشخص بدست آید این پاسخ "دقیق" بوده و یک روش صرفا تجربی می باشد. این پاسخ را نمی توان جهت پیش بینی پاسخ سازه برای بارگذاری دیگری و یا محل هایی بغیر از محل  حسگر های در نظر گرفته تعمیم داد. در حالت استفاده از مدل تحلیلی (مثلان المان های محدود)، این مزیت وجود دارد پاسخ سازه جهت هر بارگذاری،  در هر نقطه  و در هر زمانی بدست آید. ولی این پاسخ الزاما پاسخ واقعی سازه می تواند نباشد. در واقع با یک بررسی تجربی (مثلا آزمون لرزه)، می توان مدل تحلیلی را با آنچه در واقعیت اتفاق می افتد کنترل و بروز کرد. همانطور که مشاهده می گردد عدم قطعیت در هر دو حالت اشاره شده فوق وجود دارد. لذا یک مدل کامل می تواند در محدوده بین این دو حالت بدست آید. شناسایی سیستم های سازه ای شیوه ای می باشد تا با استفاده از آمیختن دقت داده های اندازه گیری شده تجربی با عمومیت یک مدل تحلیلی به یک مدل سازه ای کامل برسد. این فرآیند یک روش مرسوم در صنایع هوا فضا، خودرو سازی و نظامی می باشد ولی هنوز یک روش استاندارد در حوزه عمران نمی باشد.

شناسایی سیستم های سازه ای (1)

هدف از این بخش ارائه تصویری ازمبحث شناسایی سیستم های سازه ای در حوزه ساختمانی می باشد. این بحث می تواند برای مهندسین عمران و سازه مفید باشد.

شناسایی سیستم سازه ای یا Structural System Identification  را می توان به صورت زیر تعریف کرد:

"ارتباط پارامتریک مشخصه های پاسخ سازه ناشی ازمدل تحلیلی در مقایسه با مقادیر مشابه بدست آمده از اندازه گیری های آزمون تجربی"

در بحث شناسایی سیستم های سازه ای، تلاش می گردد تا با استفاده از ورودی و خروجی های  ثبت شده یک سیستم، پارامتر هایی که معرف رفتار سیستم می باشند را بدست آورد. برای این منظور ضروریست تا شناختی کامل از مباحث سازه، استاتیک و دینامیک سازه، روش های اندازه گیری و پردازش داده ها و غیره داشت.

                       

 

  

بعنوان مثال با اندازه گیری تابع پاسخ (یا تابع انتقال) یک سیستم سازه با استفاده از موج ورودی و خروجی از یک ارتعاش (مثلا زلزله)، می توان فرکانس های ارتعاشی و نسبت های میرایی را در مود های مختلف سیستم بدست آورد.با مقایسه این مقادیر با مقادیر مشابه بدست آمده از مدل تحلیلی می توان از صحت مدل تحلیلی اطمینان حاصل نمود. همچنین با جمع آوری این پارامتر های در طول عمر سازه و مقایسه آنها با حالت سالم سازه ( حالت اولیه)، می توان در خصوص سلامت سازه بحث و تصمیم گیری نمود.

ارتعاش آزاد سازه

ارتعاش آزاد سازه (Free Vibration) عبارت است از پاسخ سازه در اثر اعمال نیرو و یا تغییر مکان اولیه به آن (انحراف اولیه سازه از وضعیت تعادل و سپس رهاکردن آن به حال خود) که در سازه های معمول بعلت وجود میرایی، با گذشت زمان از دامنه ارتعاش کاسته شده و سازه به حالت سکون باز می گردد. (شکل 1)

 

 

ارتعاش آزاد در سازه را می توان با استفاده از ضربه، ایجاد جابجای با کابل و سپس قطع ناگهانی آن و یا با استفاده از نیروی انسانی ایجاد کرد. در حالت استفاده از نیروی انسانی، نخست فرکانس طبیعی سازه را با استفاده از طیف فوریه  ارتعاش محیطی بدست آورده ، سپس با قرار گرفتن تعداد معینی افراد دریکی از طبقات فوقانی ساختمان و هماهنگ کردن حرکات بدن با فرکانس بدست آمده (با استفاده از یک metronome )، سازه را مرتعش می نمایند (شکل 2) ، در لحظه ای معین که دامنه ارتعاش به حالت یکنواختی و پایداری برسد، حرکت بدن متوقف گردیده و سازه وارد ارتعاش آزاد می گردد. این روش در ساختمان های بلند که پریود ارتعاش بلندتر از 1 ثانیه دارند قابل انجام می باشد.

با تقریبی مناسب امکان محاسبه نسبت میرایی سازه را با استفاده از روش کاهش لگاریتمی(لگاریتم نسبت دو دامنه متوالی) وجود دارد.

همچنین با استفاده از برازش منحنی  ρe^-λωt  با نقاط  ماکزیمم منحنی ارتعاش آزاد،می توان فرکانس طبیعی ارتعاش و میرایی متناظر آن را بدست آورد .(شکل 3)  

ارتعاش اجباری سازه

یکی از روش های ایجاد ارتعاش در سازه به وسیله دستگاه مولد ارتعاش (exciter) می باشد. این دستگاه با ایجاد نیروی هارمونیک بر سازه، آن را مرتعش می نماید. با ثبت پاسخ سازه در محدوده فرکانس ایجاد شده می توان فرکانس طبیعی، نسبت میرایی و دیگر اطلاعات ارتعاشی سازه را از داده های طبیعی بدست آورد.

دستگاه های مولد ارتعاش دو نوع می باشند. 1) دستگاه ارتعاش دورانی 2) دستگاه ارتعاش لغزشی . شکل 1 این دو نمونه را نشان می دهد.

 

 در دستگاه نوع اول معمولا دو جرم  با اختلاف مرکزی حول یک محور در جهت خلاف همدیگر دوران کرده و نیروی ایجاد شده به سازه اعمال می گردد. با قرار دادن وزنه های مختلف نیروی دورانی را می توان تغییر داد.  اگر هر یک از جرم های دورانی برابر m_e/2   و خروج از مرکز (بازوی نیرو) برابر e باشد، نیروی اعمال شده برابر است با:

همانطور که مشاهده می شود دامنه نیرو متناسب با مجذور فرکانس تحریک می باشد، لذا امکان تولید نیرو با فرکانس های کم (پریود بالا) مقدور نمی باشد. برای این منظور، جهت ایجاد ارتعاش اجباری در فرکانس های پایین می توان از دستگاه مولد ارتعاش لغزشی استفاده کرد. این دستگاه دارای جرمی می باشد (m) که در راستای یک محور به صورت رفت و برگشتی حرکت کرده و نیروی لازمه جهت ارتعاش را مطابق رابطه ذیل ایجاد می کند.

 

نیروی F₀  برابر است با حاصل ضرب  جرم لغزشی(m ) در شتاب حرکت آن(a). اگر تغییرمکان جرم دستگاه را به صورت ذیل با شد

 

 و با دوبار مشتق گیری از آن می توان شتاب مورد نظر را بدست آورد. قابل ذکر است که جهت فرکانس های پایین طول لغزش بیشتری نسبت به فرکانس های بالا نیاز می باشد   

 پاسخ سازه به ارتعاش اجباری به صورت منحنی پاسخ- فرکانس و یا منحنی تشدید رسم می شود (شکل 2). در قسمت بالا دامنه پاسخ و در قسمت پایین اختلاف فاز پاسخ نسبت به نیروی ارتعاش اعمال شده رسم می گردد. پاسخ سازه می تواند شتاب، سرعت و یا تغییر مکان باشد که معمولا با مقدار نیرو اعمال شده نرمالایز می شود (پاسخ نیروی واحد)