مقاله اندازه گیری و مدل تحلیلی

ب) مشکل بودن کنترل مناسب تحریک‌های مزاحم برای رسیدن به شکل مود دقیق که از ضروریات اندازه‌گیری در آزمایش‌های دینامیکی است.
ج) نیاز به دانستن پارامترهایی چون جرم، سختی و میرایی برای تعیین پارامترهای دینامیکی (درحالی‌که در تعیین پارامترهای استاتیکی تنها نیاز به دانستن پارامتر سختی است).
Widget not in any sidebars

د) پرهزینه بودن ابزارهای اندازه‌گیری در به دست آوردن اطلاعات مودال: از آنجائی که سازه‌های موجود در عمل در مقیاس بسیار بزرگی نسبت به نمونه‌های آزمایشگاهی ساخته می‌شوند، نیاز به تجهیزات اندازه‌گیری در مقیاس عملی خود می‌تواند به یکی از محدودیت‌های این روش تبدیل شود. البته درسالهای اخیر و با رشد سیستم‌ها و تجهیزات اندازه‌گیری، تا حدودی این مشکلات در حال برطرف شدن است و همین امر کمک‌های شایانی در به دست آوردن اطلاعات مودال و شناسایی خرابی درسازه‌ها کرده است.
عملکرد روش‌های شناسایی آسیب دینامیکی یا بر پایه بررسی تغییرات پارامترهای مودال سازه ازجمله فرکانس‌های طبیعی،‌ میرایی و ‌شکل مود بوده و یا بر پایه تغییرات مشخصه‌های فیزیکی سازه ازجمله ماتریس سختی و ماتریس نرمی می‌باشند. برخی از مهم‌ترین روش‌های دینامیکی شناسایی آسیب در سازه عبارت‌اند از:
الف) روش‌های مبتنی بر بررسی تغییرات فرکانس‌های طبیعی
ب) روش‌های مبتنی بر بررسی تغییرات شکل‌های مود
ج) روش سختی
د) روش نرمی
ه) روش انرژی کرنشی مودال
و) روش بررسی پاسخ فرکانسی
آشکارسازی آسیب با استفاده از فرکانس‌های طبیعی
فرکانس‌ها خواص سیستم دینامیکی هستند که وابسته به توزیع جرم و سختی در سازه بوده و می‌توانند به‌عنوان معیاری در تعیین خرابی در سازه‌ها به کار روند. برای تمامی سیستم‌هایی که جرم و کشسانی دارند با به‌عبارت‌دیگر امکان ارتعاش آزاد (یعنی ارتعاشی در غیاب نیروی خارجی ) در آن‌ها وجود دارد، می‌توان از این معیار در شناسایی سازه استفاده کرد. در این روش عموماً از فرکانس‌های طبیعی سازه در حالت قبل و بعد از خرابی به‌عنوان معیاری برای شناسایی محل خرابی استفاده می‌شود. در این بررسی‌ها عمدتاً از تأثیراندک میرائی بر فرکانس طبیعی سازه صرف‌نظر می‌شود و به عبارتی سیستم را پایستار فرض می‌کنند. استفاده از روش فرکانس در شناسایی خرابی، علی‌رغم بهره‌گیری از مزایای اندازه‌گیری ساده، دارای معایبی نیز است. اولین عیب این روش حساسیت کم فرکانس‌ها به تغییر در سختی المان‌های سازه‌ای است و این نقصان در سازه‌های با ابعاد بزرگ‌تر بیشتر به چشم می‌خورد. وجود سیگنال‌های مزاحم یا نویز نیز این مسئله را تشدید کرده و در بعضی مواقع امکان شناخت المان خراب به‌کلی از میان می‌رود. عیب بعدی این روش را می‌توان در نوسانات جرم سازه و دمای اندازه‌گیری جستجو کرد که این خود تردید در صحت نتایج را به همراه دارد.
شاید بتوان اولین تحقیقات انجام‌شده در این زمینه را در مطالعات کاولی و همکاران جستجو کرد. بر اساس این تحقیق که در دانشگاه بریستول و در سال‌های 1978-1979 صورت گرفته، مؤلفین به تعیین روشی برای تعیین محل و شدت خرابی در سازه‌ها به کمک فرکانس‌های طبیعی پرداخته‌اند. در اولین پژوهش انجام‌شده توسط محققین نامبرده، در سال 1978 تمامی روابط بر اساس شناسایی خرابی در سازه‌های یک‌بعدی از قبیل تیر شکل‌گرفته است [14]. به دنبال آن کاولی و آدامز در سال 1979 توانستند روش شناسایی ارائه‌شده درزمینه تیرها را به سازه‌های دوبعدی از قبیل ورق گسترش دهند. در این پژوهش به بررسی امکان شناسایی خرابی و گسترش روش به سازه‌های سه‌بعدی از قبیل پوسته‌ها پرداخته‌شده است. برای سهولت از تغییر میرایی سازه به دلیل مشکلات در اندازه‌گیری صرف‌نظر شده و عمدتاً از تغییرات سختی دینامیکی برای شناسایی المان خراب استفاده‌شده است [1].
معیارهای آشکارسازی آسیب‌های منفرد مبتنی بر تغییرات فرکانس طبیعی
نظر به اینکه فرکانس‌های طبیعی یکی از اساسی‌ترین پارامترهای ارتعاشی هر سازه می‌باشند، استفاده از فرکانس‌های اندازه‌گیری شده جهت آشکارسازی آسیب در سازه‌ها از سوی بسیاری از پژوهشگران موردتوجه قرارگرفته است.
ازآنجاکه فرکانس طبیعی یک سازه تابعی از مشخصات کلی سازه (جرم، سختی و میرایی) بوده و مستقل از مکان اندازه‌گیری است، بدون نیاز به‌پیش آگاهی از محل و شدت خرابی می‌تواند اطلاعات مفیدی را راجع به وضعیت سازه در اختیار نهد. مزیت عمده روش‌های بر اساس فرکانس این است که هزینه اندازه‌گیری داده‌های ورودی کم است. اگرچه توجه لازم برای حذف کردن اثرات محیطی نظیر تغییر درجه حرارت ( بر روی سختی سازه و شرایط مرزی ) لازم است. نقص عمده روش‌هایی که تنها از اندازه‌گیری فرکانس استفاده می‌کنند عبارت‌اند از :
الف) خرابی‌هاگاهاً به‌صورت غیرواقعی برآورد می‌شود.
ب) خرابی درسازه‌های متقارن قابل‌تشخیص نیست چراکه میزان تغییرات فرکانس‌های طبیعی حاصل از آسیب‌دیدگی در دو محل متقارن، دقیقاً یکسان است.
ج) کمتر بودن تعداد داده‌ها از مجهولات منجر به جواب غیر یکتا است و این بسیار معمول است که مقدار تغییرات فرکانس طبیعی برای چندین مورد آسیب‌دیدگی مختلف، یکسان باشد.
اولین و ساده‌ترین معیار شناسایی آسیب توسط بررسی تغییرات فرکانس طبیعی در سازه سالم و سازه آسیب‌دیده توسط رابطه زیر ارائه گردید:
(‏21)
که در آن بردار فرکانس‌های طبیعی سازه سالم و بردار فرکانس‌های طبیعی سازه آسیب‌دیده است.
شاخص دیگری که مبتنی بر بررسی میزان همبستگی و مقایسه بین دو بردار تغییر فرکانسی که یکی منتج از اندازه گیری های آزمایشگاهی و دیگری منتج از تحلیل مدل سازه ای میباشد و برای خرابی که در موقعیت i واقع شده است عمل میکند معیارDLAC نام دارد. این معیار توسط مسینا و همکاران (1996) پیشنهاد شده است [15]و توسط رابطه زیر ارائه میگردد.:
(‏22)
که در رابطه بالا i بیانگر شماره المان تحت بررسی میباشد. این شاخص بین صفر و یک متغیر میباشد. مقدار صفر عدم همبستگی بین نتایج آزمایشگاهی و تئوری را نشان می دهد و مقدار یک به معنای تشابه کامل بردار تغییر فرکانسی حاصل از تست آزمایشگاهی و بردار فرکانسی حاصل از مدل تحلیلی و در نتیجه به معنای بروز آسیب در المان i ام سازه می باشد. بعبارتی مکان خرابی وقتی که موقعیت i بیشترین مقادیر را برای معیار DLAC می دهد، بدست میآید. نتایج آزمایشات حاکی از آن است که اگر تغییرات فرکانسی نسبت به فرکانسهای سازه سالم نرمالیزه شوند، محل یابی آسیب در سازه دقیق تر انجام خواهد شد. این روش در تشخیص خطای اندازه گیری بسیار قوی بوده و تنها قادر به تشخیص محل آسیبهای منفرد میباشد [15].
در ابتدای مطرح‌شدن روش‌های دینامیکی اغلب روش‌ها بر اساس اندازه‌گیری فرکانس بودند. علت این امر دقت بیشتر دستگاه‌های اندازه‌گیری فرکانس در مقایسه با دستگاه‌های اندازه‌گیری شکل مود بود. به‌مرورزمان و با پیشرفت دستگاه‌های اندازه‌گیری شکل مود، این روش‌ها نیز موردتوجه قرار گرفتند که تاریخچه آن‌ها نیز در این فصل آورده خواهد شد. اگرچه تغییرات آماری (خطای اندازه‌گیری) در اندازه‌گیری فرکانس‌های طبیعی کمتر از دیگر پارامترهای مودال بروز می‌کند، ولی به علت حساسیت کم تغییر فرکانس به خرابی‌های کوچک، استفاده از وسایل اندازه‌گیری دقیق و یا وقوع خرابی زیاد را در هنگام استفاده ایجاب می‌کند. همچنین به علت این‌که فرکانس یک پارامتر کلی از سازه است، تعیین محل و شدت خرابی با استفاده از آن نسبت به دیگر روش‌ها سخت‌تر است.
وندیور (1977 و 1975) از تغییر در فرکانس‌های دو شکل مود اول خمشی و پیچشی دکل یک ایستگاه سبک دریایی برای عیب‌یابی استفاده نمود. مؤلف ابتدا بر اساس شبیه‌سازی‌های عددی استنتاج نمود که تغییر در جرم مؤثر دکل که از تلاطم آب در مخازن مایعات واقع بر روی دکل ناشی می‌شد، تنها باعث 1% تغییر در فرکانس سه شکل مود اول می‌شود. سپس با برداشتن اعضاء اصلی از مدل عددی نشان داده شد که خرابی اکثر اعضاء باعث تغییری بیش از 1% در فرکانس تشدید می‌شود و درنتیجه خرابی قابل‌شناسایی است. همچنین شبیه‌سازی عددی از زنگ‌زدگی نشان داد که این امر باعث کاهش فرکانس شکل مودهای خمشی به میزان 71/3% می‌شود [16].