پایش سلامت ساختاری SHM

دانش تخصصی:

خود ارزیابی اجزای پل

رقابت خاص پل های دهانه بلند

معرفی پایش سلامت ساختاری

 

پل های چند دهانه و پل های دهانه بلند پیوند های ضروری در شبکه های ارتباطی حمل و نقل هستند و از این رو باید مورد بازرسی و محافظت قرار گیرند. آنها به احتمال زیاد حرکات عرشه بزرگی را نسبت به پل های دیگر تجربه خواهند کرد و این حرکات باید توسط درز های انبساط عرشه و تکیه گاه های پل اصلاح و سازگار شوند. عملکرد و طول عمر چنین قطعاتی به شدت وابسته به حرکاتی است که در معرض آنها قرار می گیرند. بنابراین حرکت و داده های لرزه ای که توسط سیستم پایش سلامت ساختاری SHM فراهم شوند. همچنین می توانند نقش اساسی را در بهبود عملکرد آنها ایفا کنند و عمر سرویس دهی این قطعات را افزایش دهند.

اینها در مستندات ذیل با استناد به سیستم پایش سلامت ساختاری SHM مربوط به دو پل معلق  بزرگ، نشان داده شده است.

تشخیص آسیب قابل پیشگیری

پیامد های پیشرفت تکنیک های بازرسی ، مدل سازی آماری از واکنش سازه ها و جمع آوری و پردازش داده ها به ویژه در زمینه سازه های حساس در زمان واقعی مهم هستند. تایید این که آیا تاثیرات متغیر های گوناگون محیطی اندازه گیری شده در منطقه، بر رفتار ساکن یا حرکتی سازه اثر می گذارد، مطلوب است.

بنابراین برطرف کردن تاثیرات ناشی ازاین فاکتورها حائز اهمیت است و تغییرات کوچک ناشی از آسیب دیدگی می تواند شناسایی شود. این امر با استفاده از مدل های رگرسیون امکان پذیر است که می تواند متغیرهای استاتیک را از یک ورودی از پیش تعریف شده تعیین کند.

تمامی این شیوه ها در مطالعات اخیر استفاده شده است و مهم تر اینکه در پل های معلق که دارای حرکات زیادی هستند، به کار برده شده اند.

اصول اولیه مولفه های هوشمند شامل ارتقا سیستم پایش سلامت ساختاری SHM

استفاده از یک سیستم هوشمند می تواند. :

• با اندازه گیری حرکات انباشته که منجر به کاهش فاصله های نگهداری می شوند، هزینه طول عمر یک درز انبساط را بهینه کند.
• رفتار سازه را براساس پارامترهای اندازه گیری شده با داده های واقعی و قابل دسترسی به صورت آنلاین در هر زمان به طور مداوم ارزیابی کند. و در صورت عبور از آستانه های خاص، هشدار دریافت کند.
• طراحی درزهای انبساط جدید را براساس ظرفیت های حرکتی و چرخشی واقعی مورد نیاز، بهینه کند.

برای به حداکثر رساندن قابلیت بازرسی بر وضعیت و عملکرد درزهای انبساط یک پل، می توان از سیستم کنترل سلامت استاندارد استفاده کرد. عملکرد ویژگی جدید، براساس اندازه گیری تحمل ارتعاشات سازه می باشد. جزئیات در دست، در نمونه پروژه های ذیل موجود است.

نمونه پروژه: پل Taizhou

پل رودخانه Taizhou Yangtze – که در سال 2012 افتتاح شد – دارای بزرگترین دهانه در جهان در نوع خودش می باشد. پل معلق سه برجی با دو دهانه اصلی 1080 متری و دهانه های جانبی 390 متری روی رودخانه Yangtze با عرض 2.1 کیلومتر قرار گرفته است. جاه طلبی در ساخت و ساز این پروژه بزرگ اولین تلاش را برای ایجاد پل معلق چند برجی دهانه بلند به وجود آورد. این پل خارق العاده نیازمند برخی از قطعات مهم و فوق العاده همچون درزهای انبساط که حرکات عرشه را در زمان ترافیک وسایل نقلیه کنترل می کند، بود. درزهای انبساط مدولار هرکدام با 18 گپ (gap) که قادر به تحمل 1440 میلی متر حرکت طولی هستند، در انتهای هر عرشه نصب شدند.

روش هوشمندانه برای بازرسی پل

یک سیستم پایش سلامت ساختاری SHM بر روی پل جهت فراهم کردن داده هایی در رابطه با وضعیت پل نصب شدند؛ که احتمالا مورد توجه هر مالکی که سازه او به نوعی استثنائی است، قرار گیرد.

سیستم اولیه:

• حرکات و چرخش های عرشه را اندازه گیری و ثبت می کند.
• تاثیر بسیار زیادی بر عملکرد سازه در هر زمان می گذارد.
• تشخیص سریع نیاز به کار محافظت و سازگاری را امکان پذیر می کند.
• حرکات لغزشی ذخیره شده در طول زمان را گزارش می دهد.

به روز رسانی:

• • این برند جدید شامل حس گرهایی با ویژگی تشخیص آسیب است و اطلاعات شفافی درباره شرایط ارائه می دهد.
  • براساس اندازه گیری ارتعاشات تحمل شده سازه، در نمونه فرکانس 25.6 هرتز ثبت شدند.
  • حتی تغییرات بسیار کوچک در درز، قابل شناسایی است و به صورت بصری نمایش داده می شود.

درز انبساط هوشمند نصب شده، انحرافات حرکات با فرکانس بالا، دما و لرزش ها را با امکان درک کامل از رفتار پل و درز، اندازه گیری می کند. هدف اصلی پروژه نه تنها بازرسی وضعیت و عملکرد درزهای انبساط به دلیل حرکت شدید یا دوران می باشد. بلکه همچنین با ثبت سطح شتاب ها و فرکانس های طبیعی (پیشرفته) ناشی از عبور و مرور، آسیب ها را در مرحله اولیه تشخیص می دهد.

نحوه عملکرد آن

• • • به منظور شبیه سازی آسیب ها، خرابی های مصنوعی ایجاد شدند.
    • تنظیمات مختلف حس گرها، اکثر شاه تیر های درز انبساط را پوشش داده اند.
    • تشخیص درست بین درز آسیب دیده و درز سالم در طول آزمایش، باعث می شود که سیستم قبل از نصب دائمی بصورت صحیح تنظیم شود.
    • بازرسی دائمی، داده ها را به سرور راه دور ارسال می کند.
    • در صورت فراتر رفتن از حد مجاز، روی رابط شبکه سیستم نمایان می شود.
    • بازدید محل برای تایید صدمات و جلوگیری از آسیب های بیشتر و یا زوال.

اقدامات نوسازی پل

نمونه پروژه: پل های Angus L. Macdonald  وA. Murray MacKay

پل های معلق دوقلو، سازه های بسیار پر اهمیت برای شهر Halifax کانادا هستند. پلAngus L. Macdonald Bridge در حقیقت در حال دریافت یک عرشه کاملا جدید است. و مدل سازی رایانه ای این عرشه که توسط داده های اندازه گیری شده تایید شده است. نقش کلیدی در فرآیند طراحی ایفا می کند. از سوی دیگر، عرشه پل A. Murray MacKay در حال محافظت می باشد. اما در حال حاضر تحت عملیات ویژه جهت نوسازی قرار دارد.

روش هوشمندانه برای عملیات نوسازی پل

مشخص شد که یک سیستم پایش سلامت ساختاری SHM مورد نیاز است. تا با فراهم کردن داده های مورد نیاز به وسیله مدل سازی عناصر محدود حرکات و دوران های عرشه پل Angus L. Macdonald را در درزهای انبساط اندازه گیری و ثبت کند. این داده ها باعث می شوند که دوران ها و جا به جایی ها (طولی و عرضی) با دما، نیرو و جهت باد مرتبط باشند.

اهداف سیستم پایش سلامت سازه SHM

• انتخاب و طراحی درزهای جایگزین را بهینه می کند.
• تلاش برای نگهداری و تعویض در آینده را کاهش می دهد.
• حرکات و چرخش های واقعی پل را که احتمالا با مقادیر نظری تخمین زده شده در زمان ساخت و ساز پل متفاوت است، به صورت دقیق تعیین می کند.
• حرکات طولی و عرضی مطلق، دوران های افقی و عمودی و حرکات افقی ذخیره شده را اندازه گیری می کند.
• دمای سازه را با ایجاد یک قاعده مرجع برای حرکات و دوران ها ضمن دادن امکان درک کامل آن، ثبت می کند.
• برای درک بهتر، می توان حرکات ناشی از ترافیک را از اثرات دما مجزا کرد.

استفاده از هیستوگرام

حرکات اصلی در طول دوره بازرسی با دما در ارتباط بودند.  نمودار یک روند کاهشی از جا به جایی را در زمان کاهش دما نشان می دهد. همان رفتار خطی باید توسط مدل سازی اجزای محدود سازه مشهود باشد. برای مشاهده توزیع حرکات، یک وسیله بسیار مفید توسط هیستوگرام ارائه می شود. هیستوگرام زیر تعداد دفعات مقدار اندازه گیری برانگیخته شده در یک سال را در یک حس گر مجزا نمایش می دهد.

استفاده از مدل های رگرسیون

برای بهبود تشخیص آسیب در درزهای انبساط یک پل، اثرات محیطی را می توان با استفاده از یک مدل رگرسیون. که از ارتباط بین دما، رطوبت و حرکات پل ایجاد می شود، حذف کرد. حرکات حاصل ثبت شده توسط سیستم، شامل حرکات ناشی از دما یا رطوبت نمی شود و این امکان را می دهد که تاثیرات غیر طبیعی (به دلیل آسیب یا سایر وقایع غیر منتظره) به راحتی تشخیص داده شود. مدل زیر نشان می دهد که در نمودار پایین با مقادیر نرمال، حرکات پل ناشی از عبور و مرور و … است و ناشی از درجه دما نیست. هرگونه تغییر غیر طبیعی در این نمودار بلافاصله قابل تشخیص خواهد بود و این امر باعث می شود نیاز به تعمیر یا اقدامات پیشگیرانه مورد ارزیابی قرار گیرد.

                           اثرات دما بر میزان جا به جایی ها و هیستوگرام با توزیع اندازه ها

مدل رگرسیون که جا به جایی اندازه گیری شده و تخمین زده شده را نشان می دهد. جا به جایی قبل و بعد از حذف تاثیرات محیطی.