Η Παρακολούθηση Δομικής Υγείας –Structural Health Monitoring (SHM)– ορίζεται ως η διαδικασία χρήσης ενός συστήματος ανίχνευσης επί της δομής για την παρακολούθηση της απόδοσής της και την αξιολόγηση της κατάστασης της υγείας. Οι αλλαγές των υλικών και των γεωμετρικών ιδιοτήτων των κατασκευών, συμπεριλαμβανομένων των συνοριακών συνθηκών, των αλλαγών στις συνθήκες φόρτισης, της φθοράς με την ηλικία κλπ, επηρεάζουν την απόδοση της κατασκευής και μπορεί να προκαλέσουν αστοχίες. Ενώ ορισμένες αστοχίες είναι ορατές, άλλες μπορεί να είναι δύσκολο να εντοπιστούν. Οι δομικές αστοχίες που προκαλούνται έχουν ως αποτέλεσμα παρατηρήσιμες αλλαγές στις δονητικές αποκρίσεις της κατασκευής, επομένως η ανάλυση αυτών των καταγραφών μπορεί να επιτρέψει την εκτίμηση της μείωσης του μητρώου δυσκαμψίας. Η μέθοδος αυτή περιλαμβάνει την παρατήρηση ενός συστήματος με την πάροδο του χρόνου χρησιμοποιώντας περιοδικά δείγματα μετρήσεων δυναμικής απόκρισης από ένα δίκτυο αισθητήρων. Επιπλέον, η SHM χρησιμοποιεί την εξαγωγή χαρακτηριστικών που είναι ευαίσθητα στις αστοχίες, όπως τα χαρακτηριστικά κραδασμών και μέσω στατιστικής ανάλυσης προσδιορίζει την τρέχουσα κατάσταση του συστήματος. Επιπλέον, τα δεδομένα δονητικών αποκρίσεων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη και ενημέρωση μοντέλων πεπερασμένων στοιχείων που χρησιμοποιούνται στην ανάλυση, ακόμη και στη φάση του σχεδιασμού σύνθετων και μεγάλης κλίμακας κατασκευών όπου εκτελούνται επίσης πειράματα και δοκιμές.            

Οι αισθητήρες τοποθετούνται στη δομή για να επιτρέπουν την επικοινωνία μεταξύ των αισθητήρων καθώς και τη θέση της αστοχίας. Καθώς η πυκνότητα των αισθητήρων αυξάνεται σε μια δομή, αυξάνεται επίσης η ποιότητα και η ανάλυση των πληροφοριών των αστοχιών. Ωστόσο, το κόστος εγκατάστασης του αισθητήρα, η κατανάλωση ισχύος και η ικανότητα επεξεργασίας δεδομένων λειτουργούν ως περιοριστικοί παράγοντες για την πυκνότητα των αισθητήρων. Οι αισθητήρες μετρούν μεγέθη όπως η τάση, η μετατόπιση και η επιτάχυνση, καθώς και οι περιβαλλοντικές συνθήκες όπως η θερμοκρασία, ο άνεμος και η υγρασία. Το αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας ενημερώνει περιοδικά σχετικά με την ικανότητα της δομής να εκτελεί την προβλεπόμενη λειτουργία της και τα αποτελέσματα υποβάθμισης από λειτουργικά περιβάλλοντα για μακροπρόθεσμη δυνατότητα συντήρησης. Αυτή η ιδέα χρησιμοποιείται ευρέως σε διάφορους τύπους κατασκευών για τη μείωση των χρηματικών απωλειών και την εγγύηση και τη διασφάλιση της ασφάλειας των χρηστών.            

Η μέθοδος SHM χρησιμοποιείται για την παροχή γρήγορων, πραγματικών και αξιόπιστων πληροφοριών σχετικά με τις λειτουργίες της δομής. Μια ολοκληρωμένη προσέγγιση SHM αποτελείται από πέντε βασικά βήματα που περιλαμβάνουν:  

(1) Ανίχνευση – Αναγνώριση εμφάνισης αστοχιών στη δομή, εάν υπάρχει

(2) Εντοπισμός – Προσδιορισμός μεμονωμένων ή πολλαπλών θέσεων αστοχίας
(3) Εκτίμηση – Ποσοτικοποίηση του επιπέδου της αστοχίας
(4) Πρόγνωση – Αξιολόγηση της δομικής απόδοσης και της ωφέλιμης υπολειπόμενης ζωής  της
(5) Remediation – Προσδιορισμός, εφαρμογή και αξιολόγηση αποτελεσματικών προσπαθειών αποκατάστασης και επισκευής  

Εντοπισμός των ιδιοχαρακτηριστικών

Τα δυναμικά χαρακτηριστικά και τα χαρακτηριστικά δόνησης μπορούν να εντοπιστούν μέσω της διαδικασίας της ιδιομορφικής ανάλυσης. Ο προσδιορισμός των παραμέτρων μετατροπής είναι ένα θεμελιώδες μέρος της δομικής μηχανικής, που χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση ή την αξιολόγηση υφιστάμενων κατασκευών υπό συνθήκες δυναμικής φόρτισης καθώς και για τη φάση σχεδιασμού νέων κατασκευών. Στις υπάρχουσες δομές, η ταυτοποίηση των ιδιοχαρακτηριστικών αποτελείται γενικά από τρία βασικά βήματα: διέγερση και απόκτηση δεδομένων, επεξεργασία σήματος και υπολογισμό των ιδιοχαρακτηριστικών.            

Εστιάζοντας στο πρώτο βήμα, οι μετρήσεις κραδασμών μπορούν να ληφθούν με την εκτέλεση Πειραματικής Ιδιομορφικής Ανάλυσης –Experimental Modal Analysis (EMA)–, όπου η δομή υποβάλλεται σε ελεγχόμενη διέγερση και καταγράφεται η απόκρισή της, είτε με εκτέλεση της Λειτουργικής Ιδιομορφικής Ανάλυση –Operational Modal Analysis (OMA)–, όπου τα ιδιοχαρακτηριστικά προσδιορίζονται με βάση τα δεδομένα δόνησης (άνεμος, κυκλοφορία, δόνηση μηχανής κ.λπ.) που συλλέγονται κατά τις συνθήκες λειτουργίας της υπό μελέτη δομής. Σε πολλές περιπτώσεις, η OMA χρησιμοποιείται αντί της κλασικής ιδιομορφικής ανάλυσης, καθώς παρέχει τα πλεονεκτήματα της μη απαίτησης ειδικού εξοπλισμού και εκκένωσης της κατασκευής κατά τις μετρήσεις και μπορεί να εφαρμοστεί σε καταστάσεις όπου είναι δύσκολο ή αδύνατο να διεγείρεται τεχνητά η κατασκευή.            

Οι τεχνικές επεξεργασίας σήματος χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση των ιδιοχαρακτηριστικών. Η πιο κοινή ταξινόμηση αυτών των μεθόδων γίνεται σύμφωνα με το πεδίο όπου γίνεται η επεξεργασία των δεδομένων: πεδίο χρόνου, πεδίο συχνότητας και πεδίο χρόνου–συχνότητας. Γενικά, τα μοντέλα πεδίου χρόνου τείνουν να παρέχουν τα καλύτερα αποτελέσματα όταν υπάρχει ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων ή μεγάλος αριθμός ιδιομορφών στα δεδομένα, ενώ τα μοντέλα πεδίου συχνότητας τείνουν να παρέχουν τα καλύτερα αποτελέσματα όταν το εύρος συχνοτήτων ενδιαφέροντος είναι περιορισμένο και ο αριθμός των ιδιομορφών είναι σχετικά μικρός. Ωστόσο, οι μέθοδοι πεδίου συχνότητας δεν παρέχουν καμία πληροφορία σχετικά με το χρόνο παρουσίας των συνιστωσών του περιεχομένου συχνότητας του σήματος. Για μεγάλο χρονικό διάστημα, ο προσδιορισμός του πεδίου συχνότητας και ο προσδιορισμός του πεδίου χρόνου θεωρούνταν ανταγωνιστικές μέθοδοι για την επίλυση ενός προβλήματος. Ένα βασικό συμπέρασμα των Ljung και Glover το 1979, ήταν ότι αυτές οι δύο προσεγγίσεις είναι συμπληρωματικές και όχι ανταγωνιστικές. Έτσι, η ανάγκη να ξεπεραστεί η αδυναμία του πεδίου συχνότητας να συλλάβει χρονικά μεταβαλλόμενα χαρακτηριστικά μιας δομής, αλλά να διατηρήσει το πλεονέκτημα των πληροφοριών περιεχομένου συχνότητας, οδήγησε στην ανάπτυξη των μεθόδων πεδίου χρόνου–συχνότητας. Αυτές οι μέθοδοι μελετούν ένα σήμα τόσο στο πεδίου του χρόνου όσο και στο πεδίο συχνότητας ταυτόχρονα. Στη συνέχεια, εφαρμόστηκαν ευρέως και χρησιμοποιήθηκαν στον εντοπισμό και την ανίχνευση αστοχιών σε συστήματα.  

Ο Συνεχής Μετασχηματισμός Κυματιδίων              

Ο μετασχηματισμός κυματιδίων –Wavelet Transform (WT)– προέκυψε στις αρχές της δεκαετίας του 1980 στα έργα του Morlet όπου τον χρησιμοποίησε στην σεισμολογία και στην συνέχεια των Grossman και Morlet οι οποίοι ανέπτυξαν τον γεωμετρικό φορμαλισμό του συνεχούς μετασχηματισμού κυματιδίων. Ο συνεχής μετασχηματισμός κυματιδίων –Continuous Wavelet Transform (CWT)– είναι μία μέθοδος εξαγωγής ιδιοχαρακτηριστικών στο πεδίο χρόνου–συχνότητας και προτάθηκε για πρώτη φορά από τους Staszewski και Cooper το 1995 για την εκτίμηση των ιδιοχαρακτηριστικών συστημάτων. Έκτοτε, το δυναμικό της ταυτοποίησης των ιδιοχαρακτηριστικών με χρήση του CWT έχει λάβει μεγάλη δημοτικότητα στην βιβλιογραφία. Οι πρώτες εργασίες επικεντρώθηκαν στην εξερεύνηση και την ανάπτυξη μεθόδων και τεχνικών για την εκτίμηση των φυσικών συχνοτήτων ενός συστήματος, των συντελεστών απόσβεσης και των ιδιοσχημάτων.            

Ο CWT είναι ένας γραμμικός μετασχηματισμός εξ ορισμού και επομένως κατάλληλος για σήματα πολλαπλών συνιστωσών. Σε σύγκριση με άλλες μεθόδους, ο CWT έχει δύο θεμελιώδη πλεονεκτήματα στην αναγνώριση των παραμέτρων. Το πρώτο είναι η ικανότητα πολλαπλής ανάλυσης που είναι εγγενής στην ανάλυση κυματιδίων. Αυτή η ιδιότητα επιτρέπει τον διαχωρισμό των ιδιομορφών παραπλήσιων συχνοτήτων ενός σήματος, επιτρέποντας τον απευθείας χειρισμό των συστημάτων πολλαπλών βαθμών ελευθερίας.  

Σκοπός και σχεδιάγραμμα διπλωματικής              

Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η εφαρμογή του CWT σε περιβαλλοντικές αποκρίσεις, με στόχο τον προσδιορισμό των ιδιοχαρακτηριστικών τους και στη συνέχεια την ανίχνευση αστοχιών με την SHM.            

Η υλοποίηση των αλγορίθμων, οι υπολογισμοί και οι απεικονίσεις γίνονται με το MATLAB ver.R2023a, χρησιμοποιώντας τις τυπικές δυνατότητες και επιπλέον το Signal Processing Toolbox και το Wavelet Toolbox. Οι προσομοιώσεις MATLAB χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη αλγορίθμων και υποβάλλονται σε ανάλυση επιταχυνσιογραφημάτων. Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου CWT εντοπίζονται και συγκρίνονται με τον ευρέως χρησιμοποιούμενο Μετασχηματισμό Fourier (FFT). Η σύγκριση των αποτελεσμάτων γίνεται με το λογισμικό ιδιομορφικής ανάλυσης ARTeMIS Modal ver. 7.2. Επιπλέον, ελέγχεται η ευαισθησία των μεθόδων στην ενσωμάτωση πρόσθετου θορύβου, με στόχο να αποδειχθεί η υπεροχή του CWT.            

Το σχεδιάγραμμα της διπλωματικής αποτελείται αρχικά από την εισαγωγή στην SHM (ορισμός, σημασία και βασικά βήματα), την παρουσίαση του μηχανικού, φυσικού και μαθηματικού θεωρητικού υποβάθρου στην επεξεργασία σημάτων, καθώς και του υποβάθρου της δυναμικής των κατασκευών με στόχο την κατανόηση των περιεχομένων και των μεθόδων που εφαρμόζονται. Στην συνέχεια ο CWT εφαρμόζεται για την αξιολόγηση των ιδιοχαρακτηριστικών (ιδιοσυχνότητες, συντελεστές απόσβεσης και ιδιοσχήματα) για ένα 4όροφο, ένα 8όροφο και το EuroProteas Project, και στη συνέχεια για τη γέφυρα Z24 όπου εφαρμόστηκε επιπλέον η μέθοδος SHM. Αυτή η οδική γέφυρα υπέστη ανθρωπογενείς ζημιές πριν από την κατεδάφισή της και την αντικατάστασή της από σιδηροδρομική γέφυρα.            

Η γέφυρα ερευνήθηκε χρησιμοποιώντας ένα σύστημα ανίχνευσης επί της κατασκευής για την παρακολούθηση της απόδοσής της μέσω διαφορετικών σταδίων αστοχίας. Κατά συνέπεια, οι βλάβες ενός συστήματος μπορούν να ανιχνευθούν συγκρίνοντας τις φυσικές συχνότητες, τους συντελεστές απόσβεσης και τα ιδιοσχήματα των διαφορετικών σεναρίων.      

Συμπεράσματα              

Ο CWT έδειξε πιο αποτελεσματική χρήση σε φαινόμενα υψηλού θορύβου (καθώς το SNR τείνει στο μηδέν), σε σύγκριση με τα αποτελέσματα του FFT και του ARTeMIS Modal, διατηρώντας την ικανότητα εντοπισμού των ιδιοσυχνοτήτων, κάτω από πολύ θορυβώδεις συνθήκες.            

Εν συνεχεία, η μέθοδος εφαρμόζεται προκειμένου να ανιχνευθούν διαφορές στις παραμέτρους των ιδιομορφών μέσω των καταγραφών των σεναρίων προοδευτικής βλάβης της Γέφυρας Z24. Αρχικά, παρουσιάζονται τα πεδία χρόνου–συχνότητας της νέας συνθήκης αναφοράς (Σενάριο 8). Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με αυτά που προέκυψαν από την έρευνα του πανεπιστημίου KU Leuven (Department of Civil Engineering, Structural Mechanics Section) και δείχνουν καλή συμφωνία. Επιπλέον, απεικονίζονται και συγκρίνονται τα ιδιοσχήματα που ελήφθησαν από το ARTeMIS Modal.            

Στη συνέχεια, οι συνιστώσες φi της “στιγμιαίας” ιδιομορφής l κάθε σεναρίου συγκρίνονται και παρουσιάζονται στα ίδια διαγράμματα, προκειμένου να αποκαλυφθούν οι διαφορές των γραφημάτων από την άθικτη κατάσταση (Σενάριο 1) στην τελική κατάσταση αστοχίας (Σενάριο 17). Στο τελικό σενάριο, τα στοιχεία έχουν μεγαλύτερες τιμές στις ιδιομορφές 2 και 5, ενώ στις ιδιομορφές 3, 4 και 6 οι τιμές των συνιστωσών έχουν μειωθεί σημαντικά. Η μόνη ιδιομορφή, όπου τα στοιχεία φi φαίνεται να παραμένουν αμετάβλητα, είναι η πρώτη.            

Ταυτόχρονα, η ανίχνευση ζημιών πραγματοποιείται στο ARTeMIS Modal χρησιμοποιώντας τα εργαλεία “SHM Configuration” και “Analysis History”. Οι μηνιαίες καταγραφές της δοκιμής μακροχρόνιας συνεχούς παρακολούθησης και οι καταγραφές της δοκιμής βραχυπρόθεσμης προοδευτικής βλάβης εισάγονται στο λογισμικό ιδιομορφικής ανάλυσης. Το Modal Parameter History είχε ως στόχο τον υπολογισμό των ιδιομορφών αναφοράς και στη συνέχεια το Damage Indicator έδειξε την αναμενόμενη χρονική περίοδο των αστοχιών χρησιμοποιώντας στατιστική ανάλυση και δείχνοντας δυναμικές αλλαγές της δομής μέσω της τιμής X2.            

Η κατάσταση βλάβης και οι δυναμικές αλλαγές της γέφυρας μπορούν επίσης να ληφθούν από τα ιδιοσχήματα του μοντέλου. Όπως μπορούμε να δούμε, η μόνη ιδιομορφή χωρίς αλλαγές είναι η πρώτη. Κατά το Σενάριο 14, τα ιδιοσχήματα 2 και 4 έχουν αλλάξει σημαντικά τη μορφή τους σε “συνδυασμένες” ιδιομορφές, ενώ το μεσαίο άνοιγμα και οι πυλώνες έχουν ενεργοποιηθεί στην 5η και 6η ιδιομορφή. Τέλος, στα σενάρια τελικής βλάβης 16 και 17, η 2η, 3η, 4η, 5η και 6η ιδιομορφή αλλάζουν εκ νέου την συμπεριφορά τους. Μια αξιοσημείωτη αλλαγή μπορεί να παρατηρηθεί στην 4η ιδιομορφή, όπου το μεσαίο άνοιγμα έχει απενεργοποιηθεί σε σύγκριση με το αρχικό Σενάριο 8.            

Τέλος, οι αλλαγές στη δυναμική του συστήματος μπορούν να παρατηρηθούν από τη μείωση των τιμών των ιδιοσυχνοτήτων που προκύπτουν από την αυτόματη εκτίμηση με τη μέθοδο OMA SSI CPUX στο ARTeMIS Modal. Ταυτόχρονα, υπάρχει αύξηση στις τιμές των συντελεστών απόσβεσης σε σύγκριση με την άθικτη κατάσταση. Αυτές οι αλλαγές μπορούν επίσης να παρατηρηθούν στα αποτελέσματα ACWT, όπου οι ιδιομορφές έχουν δώσει πολύ χαμηλότερες τιμές για τους συντελεστές απόσβεσης που υποδηλώνουν την ανόμοια κατάσταση της δυναμικής του συστήματος.