پایان نامه ارشد درمورد عدم قطعیت، دینامیکی، شبیه سازی

دانلود پایان نامه ارشد

سلامت سازه بر اساس الگوریتمهای شناسایی سیستم7 قرار دارند. مبحث شناسایی سیستم بر ایجاد مدلهای عددی روی سیستمهای دینامیکی تمرکز دارد و نقطه پیدایش آن موضوع کنترل در مهندسی برق بوده و امروزه به علوم مکانیک و هوافضا نیز گسترش یافته است.
یکی از مباحث انطباق یافته شناسایی سیستم، موضوع شناسایی سازهای8 است که بر روی ایجاد مدلهای بر پایه فیزیک سازهها متمرکز شده است. در متون ادبیات فنی، شناسایی سازهای به این شکل تعریف شده است: “برقراری ارتباط پارامتری میان مشخصات پاسخ پیش بینی شده سازهها توسط یک مدل ریاضی با کمیتهای متناظرش که از مشاهدات آزمایشگاهی حاصل شده است”. فرآیندهای شناسایی سازهای، از طریق تخمین قابل اعتماد عملکرد و آسیب پذیری سیستمهای سازهای با استفاده از شبیه سازیهای اصلاح شده، سعی در از بین بردن فاصله میان سازههای واقعی و مدلسازیها دارند. الگو شناسایی سازهای برای اولین بار توسط هارت و یاو در سال 1977 در مهندسی مکانیک و توسط لیو و یاو در سال 1978 در مهندسی عمران معرفی شد. این مقالات اولیه، الهامبخش بسیاری از محققین در بررسی جنبههای گوناگون شناسایی سازهای بوده است و با گذشت بیش از 30 سال، این موضوع همچنان جزو تحقیقات فعال در دو رشته عمران و مکانیک محسوب میشود ]2[.
پیشرفتهای اخیر در مباحث فناوری اطلاعات، امکان استفاده از مدلهای اجزا محدود را برای طراحی، ارزیابی آسیب پذیری و مقاوم سازی را به مهندسین عمران داده است. اما عدم قطعیتهای موجود در سازههای عمرانی موجب شده است که برای دستیابی به یک شبیهسازی قابل اعتماد، از مشاهدات و دادههای آزمایشگاهی برای صحتسنجی و بهروز رسانی مدلهای مصرفی، استفاده شود. از جمله مهمترین اهداف این موضوع میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
پایش سلامت و عملکرد سازهها جهت مدیریت و نگهداری سازههای مهم
تایید طراحی و ساخت در سازههای چالش برانگیز
کمک به کنترل سازههای طراحی شده بر مبنای طراحی بر اساس عملکرد
مستند سازی خصوصیات واقعی سازهها بعنوان مبنای ارزیابی رفتار سازهها در آینده در مواجهه با زوال و خطرات پیشرو
شناسایی عوامل ایجاد آسیب، زوال و هرنوع کاستی در عملکرد و کاهش آنها (مانند ترک، نشست و…)
اصلاح، تقویت و مقاوم سازی سازهها در اثر تغییر در آیین نامهها و پیرشدن سازهها و یا نیاز به افزایش اطمینان تا رسیدن به سطح عملکردی دلخواه
افزایش آگاهی در ارتباط با نحوه بارگذاری سازهها در حین ساخت و پس از آن، چگونگی تغییر شکل دادن آنها و چگونگی انتقال نیرو از اعضا به فونداسیون و خاک]2[.

شناسایی سازهای سازههای موجود(واقعیتها و چالشها)
در حرفه مهندسی عمران برای مدت زمان طولانی، مدلهای فوق العاده ساده و ایدهآل برای هدفهای آنالیز و طراحی مورد استفاده بوده است. برای مثال ساختمانها به صوت قابهایی دو بعدی و پلها به صورت تیرهایی ساده یا تیرهایی پیوسته مدل میشوند. این نگاه ساده اساس بسیاری از روندهای شکل دهنده آیین نامهها رو تشکیل داده است و با وجود ارائه روشهای مدلسازی پیچیده و دقیقتر، استفاده از ساده سازی جایگاه ویژه خود را از دست نداده است. زمانیکه از طراحی بر مبنای این مدلهای ساده به سوی طراحی بر مبنای آیین نامههای موجود حرکت میکنیم، روند اقتصادیتر شدن طراحیها در عین ایمنی بیشتر آنها کاملا قابل درک و اثبات است. نقص عمده این روشها ناتوانی در شبیه سازی دقیق عملکرد واقعی سازهها است و هرچه به سمت طراحی بر مبنای عملکرد و پررنگ شدن مفاهیمی همچون دوام، نگهداری و سطوح سرویس پیش میرویم، کاستی روشهای مدلسازی ساده محسوستر میشود ]2[.
امروزه با وجود در دسترس بودن ابزارهای مدلسازی دقیق که قابلیت شبیهسازی سه بعدی رفتار سازهها (مقیاس محلی و مقیاس کلی) را دارند، اما شبیهسازی قابل اعتماد از عملکرد سازههای ساخته شده نیاز به عواملی فراتر از مدلهای تصحیح شده دارد. مثالهای متعددی وجود دارد که نشان میدهد این مدلهای با جزئیات، مکانیزمهای بحرانی و توزیع بارها را در سازههای پیچیده از جا انداختهاند و موجب ایجاد اختلافاتی در حدود 100 تا 500% در پاسخهای کلی و محلی شدهاند. حقیقت این است که مدلهای تصحیح شده گرچه قادرند رفتار سازهها را با دقت بیشتری شبیهسازی کنند، اما با دقیقتر شدن مدلها، آنها نیاز به اطلاعات بیشتری جهت کاهش تأثیر عوامل ایجاد عدم قطعیت برای رسیدن به نتایج قابل اعتماد دارند. این نیاز موجب به رسمیت شناختن روز افزون استفاده از دادههای آزمایشگاهی برای بهبود نتایج مدلها و توسعه روشهای شناسایی سازهای شده است. به طور خلاصه نتایج مدلهای ساده به دلیل فرضیات ساده کننده و نتایج مدلهای دقیقتر به دلیل نیاز به دادههای بیشتر از واقعیت فاصله دارند ]2[.
فرایندهای شناسایی سازهای با استفاده از دادهها/ مشاهدات آزمایشهای انجام گرفته روی سازههای واقعی برای شبیه سازی های پیشرفته، برآورد دقیقی از عملکرد و آسیبپذیری سیستمهای سازهای داشته و به این ترتیب سعی در از بین بردن فاصله موجود بین مدلها و سازههای واقعی دارند. شناسایی سازهای به این صورت تعریف میشود: ” فرایند ایجاد یا بهروز رسانی مدلهای بر پایه فیزیک سازهها (مانند مدلهای اجزاء محدود) با استفاده از پاسخهای اندازه گیری شده تحت تحریک استاتیکی و دینامیکی که به منظور ارزیابی سلامت و عملکرد و سایر تصمیم گیریها انجام میگیرد.” شناسایی سازهای تبدیل یافته مبحث عمومیتر شناسایی سیستمها است که برروی ایجاد مدلهای عددی (مانند معادلات دیفرانسیل و فضای حالت) سیستمهای دینامیکی با استفاده از پاسخهای اندازه گیری شده آنها تمرکز دارد. ]2[.
در مورد سازههای صنعتی (manufactured system) مانند هواپیما، خودرو و سازههای فضایی، فرایند شناسایی سازهای، به فرایندی متداول و ابزاری مستقل برای درک مشخصات واقعی مکانیکی آنها تبدیل شده است، به گونهای که در مراحل طراحی و ارزیابی عملکرد این گروه از سازهها مورد استفاده قرار میگیرد. در مقابل در مورد سازههای عمرانی (constructed system) مانند ساختمانها، پلها و سدها و.. شناسایی سازه ای در مراحل ابتدایی قرار دارد و کارهای پراکندهای به صورت کاربردی در این حوزه انجام گرفته است. ]2[.
عدم قطعیت و منحصر بفرد بودن سازههای عمرانی موجب شده است که پیشبینی مشخصات مکانیکی پارامترهای عملکردی این سازهها دشوار باشد، از طرفی اطلاعات محدودی راجع به عملکرد واقعی این گروه از سازهها در دسترس است. با وجود این چالشها، یکی از اهداف شناسایی سازهای، پرده برداشتن از رفتار واقعی سازهها است که ابعاد وسیعی از مباحث عمران همانند اصول طراحی بر مبنای عملکرد تا تصمیم گیری بر مبنای خطرپذیری (ریسک) سازههای موجود را تحت تأثیر قرار میدهد.
به اعتقاد بسیاری، دلیل ابتدایی عدم استفاده گسترده از روشهای شناسایی سازهای به صورت کاربردی در مورد سازهای عمرانی، ناشی از کاربردی نبودن تکنولوژی حسگرها است و پیشرفتهای اخیر در این حوزه موجب گسترش استفاده کاربردی آنها نشده است، اما برخی دیگر علت را پایهای تر میدانند. در طی دهه گذشته تعداد زیادی از تلاشهای انجام گرفته برای اعمال روشهای شناسایی سازهای (که قبلا روی سازههای صنعتی توسعه و به اثبات رسیدهاند) روی سازههای عمرانی با شکست همراه بوده است.. این عدم موفقیت به دلیل در نظر نگرفتن عدم قطعیتهای موجود در سیستمهای سازهای، در روندهای شناسایی است که برای سازههای کارخانهای توسعه یافتهاند. در مواردی هم که روند شناسایی با موفقیت در مورد سیستمهای سازهای انجام گرفتهاند، نقش پررنگ این عدم فطعیتها به صراحت بیان شده است. برطرف کردن این چالشها نیاز همکاری رشتههای گوناگون دارد. تعدادی از این موارد عدم قطعیت در جدول (1-1) شرح داده شدهاند: ]2[.
علاوه بر عدم قطعیتهای یاد شده در ارتباط با سیستمهای سازهای که عملکرد و خصوصیات مکانیکی آنها را تحت تأثیر قرار میدهد( جدول 1-1)، میتوان به چالشهای فرارو روشهای شناسایی نیز اشاره نمود:
بهینه سازی اقتصادی و فنی روشهای شناسایی سیستم
اکثر روشهای شناسایی و تشخیص آسیب به تعداد زیاد محرکها و حسگرها نیاز دارند. با توجه به ابعاد و توپولوژی سیستمهای سازهای و درجات آزادی زیاد این سیستمها، این نیاز معمولا یا قابلیت اجرا را ندارد و یا مقرون به صرفه نیست. بنابراین ملاحظات اقتصادی و فنی در مرحله برداشت دادهها یکی از چالشهای کاربردی این موضوع است.
شناسایی، حذف و کمینه نمودن نوفهها
یکی از نقاط ضعف اکثر روشهای شناسایی حساسیت آنها به نوفه است. در این راستا روند نوفهزدایی و به طور کلی پردازش سیگنالف جزو مباحث کلیدی این مقوله به شمار میرود. روشهای کنونی نوفه زدایی پاسخ اصلی سازه را دچار تغییر و روند شناسایی را با چالش روبرو میکنند. روشهای کلاسیک نوفه زدایی نیز معمولا برای اهداف دیگری
عدم قطعیتهای تأثیرگذار بر خصوصیات مکانیکی و عملکرد سازههای ساخته شده
ناهمگنی
جنس و خصوصیات مواد تشکیل دهنده، مشخصات و جزئیات در اعضای مختلف و در راستای هر یک از اعضای تشکیل دهنده یک سازه به طور قابل ملاحظهای تغییر میکند. عواملی مانند زوال و آسیب موجب آمیختگی این تغییرات شده و تشخیص آنها را مشکل میکند.
شرایط مرزی
یکی از شرایط مرزی چالش برانگیز در سیستمهای سازهای، سطوح مشترک غیر قابل مشاهده خاک و پی سیستمهای سازهای است، بگونهای که خصوصیات تماسی این سطح، متغیر است و از طرفی خصوصیات خاک و حتی سنگ تحت تاثیر عواملی مانند فشار، رطوبت، دما و زمان است.
پیوستگی
اکثر سیستمهای سازهای بخصوص سیستمهای پل همراه با سیستمهای متحرک و/ یا با آزادیهای نیرویی طراحی میشوند. این سیستم ها اغلب غیرقابل مشاهدهاند و در شرایط نیرویی و دمایی گوناگون، رفتار متفاوتی نشان میدهند.
درجه نامعینی
سیستمهای سازهای دارای انواع متفاوتی از درجات نامعینی محلی، منطقهای و کلی هستند. این درجات نامعینی به میزان زیادی تحت تاثیر تغییرات دما وگرادیان دمایی هستند که موجب ایجاد نیروهای درونی و تغییر مشخصات المانها میشود.
نیروهای درونی
عوامل متعددی مانند بار مرده، بارهای مراحل ساخت، تاثیرات دمایی، زوال، آسیب و اضافه بار موجب ایجاد نیروهای درونی پیچیده و متغیر در سیستمهای سازهای میشود. نیروهای درونی معمولا غیرقابل اندازه گیزی هستند.
تنوع رفتار غیرخطی
اعضا، اتصالات و کل سیستم یک سازه واقعی طیف متنوعی از رفتارهای غیر خطی را بروز میدهند. برایی مثال میتوان به ترک خوردگی، جاری شدن مصالح، ناپایداریهای محلی، لغزش اتصال، اصطحکاک سطوح مشترک توامان با رفتار سخت/ نرم شونده اشاره کرد.
بی ثباتی
متغیر بودن شرایط محیط اطراف سیستمهای سازهای مانند دما، رطوبت، تابش و … و همچنین تغییر بارهای وارد شده به سازه و غیرخطی شدنهای مرتبط با نوع بارگذاری، موجب عدم ثبات وضعیت سازههای عمرانی میشود. تاثیرات دما و رطوبت روی سازه بسیار پیچیده است .تغییر در محیط پیرامونی، تغییر دما و رطوبت در مقیاس های منطقهای و محلی سازه و خاک، موجب ایجاد نیروهای داخلی و تحمیل کردن شرایط مرزی و شرایط پیوستگی میشود.
منحصر به فرد بودن
هریک از سیستمهای سازهای برای هدف مشخصی ساخته شدهاند و خصوصیات دینامیکی این سیستمها به میزان زیادی تحت تأثیر روند ساخت است. بنابراین تعمیم دادن نتایج حاصله از یک سیستم به گروه انبوهتری از سیستمهای مشابه آن بدلیل منحصر بفرد بودن ذاتی آنها تصمیمی چالش برانگیز است.
هندسه، مقیاس زمانی، هزینه، چرخه زندگی سیستمها
سیستمهای سازهای مانند پلهای بزرگراهی و یا ترکیبی از پلها و تونلهای موجود در شبکه حمل و نقل، دارای طولهای چندین کیلومتری هستند و با توجه به هزینه گزاف ساختشان، انتظار به ادامه قابلیت سرویسدهی بیش از 100 سال را بدنبال دارند. با در نظرگیری توامان ابعاد و چرخه زندگی اینگونه سیستمها با تغییر پذیری طبیعی و عدم قطعیتهای موجود در خصوصیات مکانیکی آنها قابلیت بررسی کلی طول مشخصی از این سیستم در طول دوره عمر آن امکانپذیر نیست.
اندرکنش
اکثر سیستمهای سازهای، از اتصال چندین زیرسیستم مانند قابها و دیوارها، آب، خاک و فونداسیون؛ زیربنا

پایان نامه
Previous Entries پایان نامه ارشد درمورد دینامیکی، آسیب دیدگی، سیستم دوگانه Next Entries پایان نامه ارشد درمورد عدم قطعیت، دینامیکی، عوامل محیطی