پایش سلامت سازه چیست؟ 

سیستم «پایش سلامت سازه» ترکیبی از سنسورها (و احتمالاً اکچویتور‌ و پردازنده) بر روی سازه است که وضعیت سلامت سازه (وجود خرابی، محل خرابی، شدت خرابی و استحکام باقی‌مانده) را مشخص می‌نماید. به عبارتی دیگر  با وجود سیستم پایش سلامت سازه، تست‌های‌ غیرمخرب جزئی از سازه بشمار می‌آید. «پایش سلامت سازه» بازرسی پیوسته و اتوماتیک عیوب موجود در سازه بوسیله یک سیستم متصل به سازه است که در هر لحظه وضعیت سلامت آن را مشخص می‌کند. پایش سلامت سازه‌ای اطلاعاتی را راجع به وضعیت سلامت سازه، قابلیت اطمینان سازه، وضعیت آسیب و یکپارچگی سازه ارائه می‌دهد. به طورکلی این سیستم هزینه و زمان تعمیر و نگهداری که ناشی از پیاده‌سازی قطعات است را کاهش می‌دهد. همچنین با تغییر سیستم «نگهداشت زمان محور» به سیستم «نگهداشت شرایط محور»، می‌توان به جای آن‌که بازرسی پس از تعداد مشخصی ساعت کاری انجام شود، بر اساس شرایط سازه بازرسی را انجام داد. به عبارت دیگر تنها زمانی که سیستم SHM اخطار داد عملیات NDT به طور گسترده اجرا می‌شود و این‌گونه هزینه‌های تعمیر و نگهداری را می‌توان به شدت کاهش داد.

تمامی سازه‌ها و قطعات صنعتی در طول کارکرد خود باید در محدودة مورد نظر طراح باشند. این در حالی است که گاهی عوامل محیطی و مخرب موجود می‌تواند آثار مخربی بر عمر و سلامت سازه یا قطعة مورد نظر داشته باشند. از نتایج برخی از این آثار مخرب می‌توان به جوانه‌زنی و رشد ترک در سازه اشاره کرد که در صورت بارگذاری و شرایط محیطی مخرب می‌تواند به واماندگی کامل سازه بیانجامد. چنانچه این معایب پس از رخداد پدیدار شوند، هزینه‌ای سنگین و گاه جبران‌ناپذیر برجای خواهند گذاشت. به‌همین منظور، برای پیش‌بینی و جلوگیری از رخداد این معایب، سامانه‌های پایش سلامت سازه استفاده می‌شوند. در این مقاله کلیات، اصول و روش‌های پایش سلامت سازه‌ها به اختصار تشریح می‌شود و کاربردهای این فن به اجمال مورد بررسی قرار می‌گیرد.

پایش سلامت سازه ای (SHM)

روش­ های تشخیص و نمایان سازی آسیب و ترک با توجه به اهمیت آن در شکست سازه­ ای، موضوع تحقیقات گسترده­ ای است که در حال انجام است. امروزه دلیل بسیاری از شکست­ های سازه­ ای، گسیختگی مواد تشکیل دهنده­ ی آن است. آغاز این گسیختگی­ ها  با ترک توام بوده که با گسترش خود به عنوان تهدید جدی برای رفتار سازه محسوب می­ شود. بر این اساس روش­ های تشخیص و نمایان سازی آسیب و ترک موضوع تحقیقات متعددی است که تاکنون انجام شده و کماکان ادامه دارد. پایش سلامت سازه ­ای روندی برای بدست آوردن اطلاعات دقیق لحظه ­ای از شرایط و عملکرد سازه­ ای می­ باشد. در مبحث پایش سلامت سازه­ ای آسیب به عنوان تغییراتی که در طول بهره برداری از سازه رخ می­ دهد تعریف می­ گردد و شناسایی آسیب به کلیه روش­ ها و تکنیک­ هایی اطلاق می­ گردد که وجود خرابی را تشخیص و موقعیت و شدت خرابی را بیان می­ کند. در سال­ های اخیر، با پیشرفت­ های صورت گرفته در عرصه علمی، روش­ های پایش از راه دور با استفاده از لیزر، سنسورهای فیبرنوری، تکنیک ­های جمع ­آوری داده­ ها از راه دور و تکنیک­ های  پردازش تصویر صورت می­ گیرد. یکی از روش­ های تشخیص خرابی، روش­ های  دینامیکی مبتنی بر پردازش سیگنال می­ باشد. در طول بهره­ برداری از یک سازه مانند قاب­ های با اندازه بزرگ، ساختمان­ های بلند مرتبه و پل­ ها، ممکن است ترک­ های موضعی و نهفته داخلی سازه به طور پیوسته افزایش یافته و در نهایت باعث فرو ریختن کل سازه شود. تاثیر ترک در ساختار سازه به صورت تغییرات موضعی سختی است که این تغییرات در ساختار دینامیکی سازه اثر قابل توجهی دارد این موضوع در تغییر فرکانس طبیعی قابل مداخله بوده و تحلیل این تغییرات، شناسایی ترک را ممکن می­ سازد. امروزه صاحبان ساختمان­ ها نیازمند حس اطمینان خاطر در خصوص دارایی های ملکی خود هستند. مالکان برج­ ها و ساختمان­ ها می­ خواهند پاسخ این سوال را بدانند که آیا ساختمان شان بعد از رخداد ارتعاشی مانند زلزله یا باد شدید دچار آسیب می­ شود یا خیر؟

• شیوه  کلاسیک و قدیمی پایش و سلامت سازه ای

بر اساس شیوه­ ی کلاسیک و قدیمی، بررسی وضعیت سازه با استفاده از بازبینی چشمی توسط یک متخصص انجام می­ شود که این مساله چند ضعف عمده دارد:

• طبیعتا خطای این روش بالاست.
• پوشیده بودن اجزای اصلی و شروع خرابی­ ها از بخش­ های داخل المان.
• امکان دسترسی به بسیاری از بخش­ های برخی از سازه ­ها به طور کلی وجود ندارد.
• اعلام هشدار قبل از خرابی سازه و تعیین مسیر­های امن سازه در مواقع بحرانی مانند زلزله.
• در بسیاری از خرابی­ ها در مقیاس کوچک قابلیت آشکارسازی با بازرسی چشمی وجود ندارد.
• بازرسی تمام نقاط سازه امکان­پذیر نیست.

• هدف از ارزیابی سازه در علم پایش و سلامت سازه ای:

ارزیابی غیرمخرب (NDT)  وضعیت سلامت یا عدم سلامت سازه­ ها موضوع علم نوین پایش سلامت سازه­­ هاست. این ارزیابی معمولا سه هدف عمده را مد نظر قرار می­ دهد:

1-  پایش سلامت سازه ­ای به عنوان فراهم­ کننده­­ ی اطلاعات مورد نیاز در بحث ترمیم و مقاوم­ سازی سازه­­ ها.

2-  پایش سلامت سازه­ ای ابزاری به جهت برآورد و تخمین باقیمانده­ ی عمر مفید سازه.

3-  پایش سلامت سازه­ ای ابزاری به جهت اعلام هشدار قبل از خرابی سازه و نیز تعیین مسیرهای فرار و نقاط امن سازه در مواقع بحرانی مانند جنگ، زلزله، بادهای شدید و … .

سیستم پایش و سلامت سازه­ ای را می ­توان همانند سیستم مغز – اعصاب بدن در نظر گرفت، به نحوی که سازه بدون پایش سلامت همانند بدن بدون سیستم عصبی است. در بدن بدون سیستم عصبی ممکن است عضو یا اعضایی دچار فرسودگی  و آسیب شوند، در حالی که صاحب آن بدن این مسئله را نمی­­ داند و قاعدتا هیچ اقدامی در جهت بهبود آن انجام نخواهد داد، این مورد در نهایت می­ تواند منجر به تخریب آن عضو و حتی مرگ فرد گردد.

در کاربردهای امروزه در زمینه­ ی مهندسی عمران روش ­های بر اساس اطلاعات لرزه­ ای کاربردهای بسیار گسترده تری نسبت به سایر روش­ ها دارند؛ همچنین بیشتر تحقیقات محققان و پژوهشگران عمرانی بر روی این نوع از پایش سلامت متمرکز می­­ باشد، در این روش ­ها از مشخصات دینامیکی یک سازه مانند زمان تناوب و بردار شکل مودی مودهای مختلف، ماتریس­های نرمی و سختی، ماتریس میرایی و … به جهت بررسی و تعیین آسیب ­ها استفاده می­ شود.

• مزایای پایش و سلامت سازه ای

• بررسی و ارزیابی مداوم وضعیت سازه به صورت خودکار.
• تعیین سریع و به هنگام نقاط آسیب ­دیده­ ی سازه به صورت خودکار و جلوگیری از انتشار و گسترش آسیب. این مزیت به صاحبان سازه اجازه­ ی تصمیم­ گیری می دهد. صاحبان متوجه خواهند شد که سازه چه زمانی نیاز به مرمت و بازسازی موضعی و چه زمانی نیاز به بازسازی کلی و حتی تخریب دارد.
• مشخص نمودن امن بودن یا نبودن کلی سازه در هنگام وارد آمدن نیروهای شدید بر سازه به صورت خودکار بدیهی است که در صورت استفاده از ابزارهای کنترل ارتعاش سازه­ ها احتمال بروز حالت نا امنی سازه به میزان چشمگیری کاهش خواهد یافت.
• تعیین نقاط امن سازه به جهت پناه گرفتن یا خروج در هنگام وارد آمدن نیروهای شدید بر سازه به صورت خودکار.
• هزینه ­ی پایین به نسبت کارایی­ های بسیار ارزشمند.

دو دسته بندی کلی برای بحث پایش و سلامت سازه ­ای داریم:

• دوره ­ای
• دائمی

هر روش را می­ توان در دوره کوتاه مدت یا دراز مدت، دائمی (پیوسته) یا دوره ­ای انجام داد. طرح و گام مونیتورینگ بستگی به این دارد که با چه سرعتی پارامترهای تحت مونیتورینگ تغییر می­ یابند. برای برخی از کاربردها، مونیتورینگ دوره­ ای نتایج بهتری به دست می­ دهد اما ممکن است اطلاعات در دوره­ ی بین دو بازدید برای همیشه از دست می روند. فقط در مونیتورینگ دراز مدت در کل دوره ­ی مونیتورینگ اندازه گیری­ ها ثبت شده و به درک رفتار سازه کمک می نماید. مونیتورینگ متشکل از دو رویکرد می ­باشد: اندازه گیری مقدار پارامترهای مونیتورشده و ثبت زمان، مقدار اندازه گیری شده. به منظور انجام اندازه گیری­ ها و ثبت آن ها، از دستگاه­ های مختلفی می ­توان استفاده کرد. تنظیم همه دستگاه ­هایی که در اندازه گیری و ثبت آن دخیل هستند به سیستم مونیتورینگ معروف می باشد. امروزه تعداد زیادی از سیستم­ های مونیتورینگ با سطوح عملکردی متفاوت وجود دارند. در حالت کلی دارای مولفه ­های مشابهی هستند: سنسورها، انتقال دهنده اطلاعات، واحدهای ثبت داده­ ها و سیستم ­های مدیریت داده(مدیریت نرم افزاری). انتخاب سیتم مونیتورینگ بستگی به مشخصاتی مثل هدف مونیتورینگ، پارامترهای انتخابی، دقت، تکرار خواندن داده، سازگاری با محیط زیست  روش­ های نصب برای مولفه­ های مختلف مربوط به سیستم مونیتورینگ، امکان عملکرد اتوماتیک، ارتباط از راه دور، نوع مدیریت داده­ ها و سطحی که سازه در آن مونیتور می­ شود.

برخی از فعاليت هاي گروه صنعتی ماشین توزین درزمينه SHM عبارتنداز:

اندازه گيري تنش وکرنش برروي انواع سازه هاي مکانيکي،عمراني،کامپوزيتي و ژئوتکنیکی

Stress and strain measurement

نصب واستفاده ازکرنش سنج هاجهت تحليل استحکام سازه ها

اندازه گيري نيروها وبارهاي استاتيکي وديناميکي

Dynamic and static load measurement

پايش سلامت سازه ها

Structural Health Monitoring

پايش وضعيت سازه ها

مونیتورینگ سازه های عمرانی، معدنی، مکانیکی و …

Structural Condition Monitoring

ساخت انواع لودسل هاي خاص يک جهته و چند جهته استرين گيجي

#اندازه گیری تنش وکرنش       #پایش استحکام سازه    #مانیتورینگ سازه   #استرین گیج    #پایش سلامت سازه