پایان نامه نظارت بر سلامت سازه به منظور پیشگیری از معایب و افزایش طول عمر سازه
فهرست محتوا
چکیده
اساساً 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 جوانه زنی و رشد ترک در سازه اشاره کرد که در صورت بارگذاری و شرایط محیطی مخرب میتواند به واماندگی کامل سازه منجر شود. چنانچه این معایب پدیدار شوند هزینههای سنگین و گاه جبران ناپذیر برجای خواهند گذاشت پس برای پیش بینی و جلوگیری از وقوع این معایب، باید سلامت سازه همواره مورد نظارتهای خاص قرار گیرد.
نظارت بر سلامت سازه به منظور افزایش طول عمر سازه، و دستیابی به راه کارهایی برای افزایش طول عمر سازهها بوده است. چنان چه مدت و کیفیت بهره برداری از ساختمانی افزایش یابد، در استفاده از مصالح و انرژی صرفه جویی شده و به حفظ منابع طبیعی و سرمایه ملی کمک شایان توجهی میشود، هم چنین ارزیابی علل کاهش طول عمر ساختمانها و ارائه راهکارهایی جهت افزایش طول عمر بهره وری آنها نیز تحت بررسی قرار خواهد گرفت.
برای نیل به این هدف از روش کتابخانهای برای جمع آوری اطلاعات استفاده شده است، و در پایان جمع بندیهایی در خصوص راهکارهای موجود شده ارائه میشود اصول و روشهای نظارت بر سلامت سازهها به اختصار تشریح میشود و کاربردهای این فن به اجمال نیزمورد بررسی قرار خواهد گرفت.
واژگان کلیدی
سازه، نظارت بر سلامت سازه، عمر مفید، افزایش طول عمر، معماری پایدار.
1-1) مقدمه
بنا بر تعریف، فن نظارت سلامت سازهها تشخیصی از وضعیت مواد به کار رفته در سازه میباشد و لازم است وضعیت سلامت هر سازه در محدودة تعریف شدة طراحی باشد، اگرچه میتواند در اثر واکنش طبیعی با محیط و اتفاقات ناگهانی تغییر کند.
با استفاده از بعد زمانی نظارت بر سازه امکان لحاظ کردن تاریخچة اطلاعات کامل از سازه فراهم میشود. با این روش پیش بینی، خسارت وارد بر سازه میسر خواهد بود، پس میتوان نظارت بر سلامت سازه را به عنوان روشی جدید به منظور پیش بینی غیرمخرب معرفی کرد.
به طور کلی نظارت بر سلامت سازهها مبتنی بر دو اصل تشخیص و پیشبینی استوار است و بخش مهم و قابل پیشرفت در این حوزه همان پیش بینی خواهد بود، زیرا رویکرد تشخیص، عمدتاً به همان روشهای ارزیابی غیرمخرب خواهد پرداخت.
2-1) بیان مسأله
همان طور که اشاره شد، یکی از کارهای پرهزینه در کشورهای مختلف، مرمت ساختمانهاست که هزینه قابل توجهی را به خود اختصاص میدهد و این هزینهها جزو سرمایه ملی است. در کشورهایی مانند انگلستان، هزینه تعمیرات سالانه ساختمانها را بیش از دومیلیارد پوند برآورد کردهاند.
مساله اینجاست که بهسازی و بازسازی برای افزایش عمر ساختمان، یک ضرورت است و نمیتوان از آن به طور کلی چشم پوشی کرد ولی باید در نظر داشت این دو خود مستلزم صرف هزینه و استفاده از مصالح ساختمانی و تولید نخاله خواهد بود. بنابراین باید تلاش نمود تا نیاز به بهسازی و بازسازی کم گردد و انجام این مهم باید از لحظه شروع طراحی مد نظر ما باشد و سعی شود تا با آینده نگری و طراحی و اجرای اصولی و هدفمند، از نیاز به تخریب، ترمیم و تعمیر پیشگیری شده و لزوم انجام اصلاحات و همچنین تخریب زودهنگام ساختمان تا حد ممکن کاهش یابد.
3-1) اهمیت و ضرورت تحقیق
در سراسر دنیا ساختمانها جزو سرمایههای ملی یک کشور میباشند و افزایش عمر مفید ساختمان و بالا بردن کارایی آن بازده سرمایه را بیشتر میکند و میزان مصرف مصالح و هزینههایی که صرف ساخت ساختمان در سطح کشورهای مختلف میشود، حجم عمدهای از اقتصاد و بودجه سالانه را به خود اختصاص میدهد.
از اینرو حفظ و جلوگیری از تخریب زودهنگام ساختمانها به مثابه حفظ سرمایه ملی، استفاده بهینه از منابع و بالا بردن تولید ناخالص داخلی خواهد بود.
هرچند جنبههای اقتصادی ساخت و کاهش هزینههای اجرای آ ن از اهمیت زیادی برخوردار است، ولی این امر نباید فقط شامل هزینههای اجرای سازه شود بلکه بایستی شامل تمامی هزینههای یک سازه از زمان شروع ساخت تا پایان عمر مفید آن باشد.
کاهش هزینههای سرمایه گذاری اولیه و اجرای ساختمان بدون توجه به هزینههای بعدی و نیز بدون برنامه ریزی و مطالعه صحیح، غالباٌ منجر به افزایش هزینههای جاری از جمله هزینههای بهره برداری و تعمیر و نگهداری نیز خواهد شد و کل هزینههای طول عمر ساختمان را افزایش میدهد.
بنابراین میتوان گفت، اهمیت نظارت بر سلامت سازهها به اهمیت سازهها و بخشهایی بازمی گردد، که لازم است از آنها مراقبت شود.
به طور مثال در سازههایی چون پلها، سکوهای نفتی، و …، که از اهمیت بالایی برخوردارند، استفاده از سامانههای کنترل و نظارت بر این سازهها امری ضروری است، زیرا اگرسازه ای همچون پلی عظیم تحت تأثیر بارهای ضربهای، ارتعاشی و خستگی، دچار ترک خوردگی شود و این ترک در بارگذاریهای متعدد رشد کند منجر به کاهش حد تحمل پل میشود و گسیختگی دور از انتظار نمیباشد.
براساس ارتعاشات طبیعی یک سازه، وجود ترک به کاهش فرکانس طبیعی منجر میشود و در نتیجه حد تحمل سازه نیز کاهش مییابد. با برابرشدن فرکانس بارگذاری با یکی از فرکانسهای طبیعی سازه پدیدة تشدید رخ میدهد، در نهایت باعث فروپاشی کلی پل میشود.
بر این اساس اگر سیستم کنترل سازه روی پل تعبیه شود، به محض ایجاد ترک یا هر عیب دیگر، سیستم مذکور اطلاعاتی را به مرکز کنترل ارسال کرده و سپس اقدامات در جهت رفع عیب میشود.
بنابراین با استفاده از روشهای نظارتی نوین میتوان سیر رشد آسیب و عمر باقیمانده ناحیه آسیب دیده و کل سازه را پیشبینی نمود، با این توضیحات واضح است که این روشهای نوین نظارتی، باعث شده که مشکلات کل سازه، بهبود یافته و کالیبره گردد، پس باید این گونه بیان نمود، که تلفیق حسگرها و استفاده از مواد هوشمند، توانایی بالای انتقال و پردازش داده و قدرت محاسباتی بالا, در روشهای نظارتی نوین، باعث گردیده تا زمینه ایجاد یک ساختار نظارتی کامل فراهم گردد.
فرضیههای تحقیق
- نظارت و پیشبینی که در جهت افزایش طول عمر و سلامت سازه باشد
- محتمل بودن افزایش طول عمر و کاهش هزینهها و وزن سازه.
- محتمل بودن صرفهجویی در زمان و هزینه تعمیر و نگهداری.
- محتمل بودن امکان از سیستم SHM (پایش سلامت سازه) در مرحله طراحی و ساخت سازه.
اهداف تحقیق
این تحقیق به صورت جامع، تأثیر استفاده از روشهای مطرح شده در صرفه جویی اقتصادی را مورد بررسی قرار میدهد و با در نظرگرفتن این تأثیر شایسته است تحولی در رابطه با افزایش عمر و بالا بردن کیفیت سازهها صورت پذیرد تا در آینده شاهد احیای کالبد سازهها، و بوجود آمدن زمینه لازم جهت رسیدن به سازهٔ دارای هویت و مستحکمتری باشد.
- نظارت بر سلامت سازهها به منظور پیشبینی و افزایش طول عمر در کل سازه.
- عیبیابی در هر لحظه از طول عمر سازه؛
- عیبهای ناشی از استهلاک، عوامل محیطی، نحوه استفاده از سازه؛
- رویدادهای تصادفی و عمر سازه از قبیل: عیبهای ناشی از پیری سازه.
روش تحقیق
دراین تحقیق ابتدا به بررسی مفاهیم پایهای نظارت بر سلامت سازه، پرداخته میشود.
سپس بررسی انواع آسیبهای سازهای، الگوریتمهای ارائه شده، جهت کنترل و نظارت بر موارد اجرایی در راستای سلامت سازهها انتخاب و شناسایی خواهد شد.
در ادامه با ارائه ساختارهای سنتی جهت تعمیر و نگهداری سازهها، به بررسی و مقایسه این ساختارها، با ساختارهای نوین و صنعتی در جهت صرفهجویی در زمان، و هزینه تعمیر، و نگهداری سازهها، پرداخته خواهد شد.
آنگاه تغییرات اساسی ایجاد شده، توسط سیستمهای نوین پایش سلامت سازه (SHM)، که جهت تعمیر و نگهداری سازهها راه اندازی گردیده است، مورد بررسی قرار میگیرند.
و در نهایت مکانیزم و عملکرد انواع تکنیکها و سیستمهای نوین عمرانی که شامل دوربینهای نظارتی، حسگرهای بکار رفته در سیستم و … میباشند مقایسه و شناسایی میشوند.
ساختار رساله:
در این رساله، فصل اول، کلیات است که به بیان مساله و روش تحقیق و اهداف تحقیق میپردازد، در فصل دوم مروری بر ادبیات فنی تحقیق خواهیم داشت. آنگاه در فصل سوم به دو مبحث زیر میپردازیم:
1- بررسی عملکردهای ایده آل و شرایط عمومی سازه از قبیل: متدهای ساخت، نظارت بر دوام، ماندگاری و مرمت سازهها. 2- معرفی و بررسی سسیتم نظارتی یا پایشی (SHM) و کاربردهای آن و همچنین بررسی استراتژی و روشهای نوین جهت نظارت و تشخیص آسیب در زیر ساخت سازهها.
سپس در فصل چهارم ما با کمک روشها و سیستمهای نظارتی به معرفی و بررسی راهکارهایی برای از بین بردن مشکلات سازه و ارتقای کیفیت و ماندگاری آن میپردازیم.
نهایتاً در فصل پنجم به ارائه پیشنهادات میپردازیم و نتیجه گیری میشود.
مقدمه
سیستمهای ارزیابی و نظارت بر سلامت سازهها توسط شتاب نگاشتها، سنسورهای حرارتی و قیود جابه جایی تشکیل یافته است که ضرورت دارد به منظور اندازه گیری کارایی محرکهای بیرونی و درونی در بخشهای مختلف سازه نصب شود.
سپس این پاسخها با پردازش توسط پردازش گر اطلاعات که وظیفه ذخیره سازی و پردازش دادههای تهیه شده توسط سنسورها را بر عهده دارند پس از اتمام عملیات به صورت خودکار به کمک نرم افزارهای مربوطه و با کمک کارشناسان مـرتبط تحلیل میشوند.
در این زمینه، روشهای گوناگونی برای تحلیل دادهها به منظور ارزیابی صحت و سلامت یک سـازه تشریح داده شـده است کـه هـر کدام دارای مزایا و معایبی میباشند. یکی از مدلهای این روش شامل یک تیر میباشد که دارای لرزش مکانیکی با فرکانس بالا و یا حامل انرژی اولتراسونیک است که در تست مذکور این انرژی به ماده یا جزء مورد مطالعه انتقال داده میشود.
انرژی پس از انجام آزمایش به دستگاه باز خواهد گشت، با اندزه گیری زمـان حرکت تی، و در نظر گرفتن سرعت پخش موج، اطلاعات لازم مرتبط با ناپیوستگی (خرابی در عضـو مانند مکـا ن، بزرگـی و نـوع آن، روی صـفحه نمایش نشان داده میشود.
روشهای کلی نظارت بر سلامت سازه
اگر چه روشهای موضعی در مقایسه با روشهای کلی از دقت بالاتری برخوردار میباشند ولی باید گفت که این روشها اغلـب برای تحلیل اجـزای کوچک سازهای مناسب میباشند، در نتیجه هنگامی که ارزیابی کل سازه مد نظر باشد روشهای موضعی فاقـد توانایی لازم بـه منظـور یـک تحلیـل جـامع وبه روز میباشند.
ولی در ارزیابی ساختمانهای بلند مرتبه این مسئله پیچیدهتر خواهد بود، به این دلیل که بـازرس بـا یـک سـازه بـزرگ و غیرقابـل دسـترس مواجه خواهد بود که ارزیابی موضعی بخشی از سازه نسبت به کل سازه کاربردی ندارد. در صـورت نیـاز میتوان از روشهای موضعی در مواردی که آسیب توسط روشهای کلی مشخص شده است اما به بررسی دقیقتری نیـاز اسـت اسـتفاده نمود. در نتیجه به منظور ارزیابی سازههای بلند مرتبه استفاده از روشهای کلی صحیح میباشد.
- سنسورها و شبکههای فیبر نوری در سازه
این روش در شناسایی نقطه آغاز خرابی بسیار مؤثر میباشد و در این روش میتوان هر گونه جابه جایی در ماده به کمک طول موج آسـیب دیـدهو نیز به کمک مکان یابی سنسور با دقت بسیار بالایی مشخص کرد اما این روش معایبی را نیز به همراه خواهد داشت که در ادامه این فصل به بررسی این روش و معایب آن به تفصیل خواهیم پرداخت.
- ایـن روش بـرای سازههای درحال ساخت کاربرد دارد، زیرا نیازمند آن است که اجزاء لازم در مرحله ساخت درون سازه قرار گیرند. در نتیجه برای سازههای تاریخی، پلها، تونلها و ساختمانهای موجود، این روش غیر قابل کاربرد میباشد.
- تأثیر شبکههای جاسازی شده فیبر نوری بر روی مواد تشکیل دهنده اعضای سازهای مثل بتن و فولاد مطرح میشود کـه ضـروری اسـت مورد بررسی قرار گیرد. همچنین لازم به ذکر است، که این روش به لحاظ مصرف انرژی، از صرفه اقتصادی برخوردار نمیباشد.
- روشهای بازرسی چشمی و اسکنرهای اپتوالکتریک
برخی از روشهایی که در سالهای 1970 تا 1980 در این مورد همزمان با پیدایش تکنیکهای جدیـد نقشه برداری صورت گرفت، بدلیل محدودیتهای ظرفیت سخت افزاری و دقت ناکافی متوقف شد.
همچنین، در همین زمان توسعه و تکامل سنسورهای مختلف از راه دور آغاز شده که به دنبال آن در سالهای اخیر سیستمهای الکترومکانیکی مختلف به همراه منابع لیزری و حسگرهای نوری رشدی روز افزون یافته است که برخی از آنـها ایدههای بسیار جالبی را در ارزیابی سلامت ساختمان ارائه میدهند.
متاسفانه از آنجا که این سیستمها راه حلهای کاملی را به لحاظ تکنیکی ارائـه نمیدهند و نیز قابلیت لازم برای تنظیمات خودکار نخواهند داشت، در نتیجه استفاده از آنها در ارزیابی سازههای پیچیده محدود میشود.
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.