مقاله تحلیلی: سازه‌ های هوشمند

مهندسی سازه، رشته‌ای در حال رشد است. حرفه ما اکنون با سرعت فوق‌العاده‌ای در حال خلق نوآوری‌هایی با استفاده از فن‌آوری، مصالح و روش‌های نوین تحلیل می‌باشد. زمانی را به یاد می‌آورم که به عنوان یک مهندس سازه تازه کار در سال 1983 آغاز به کار کردم. در آن دوران، معرفی رایانه‌های شخصی و هم‌چنین روش اجزاء محدود برای تحلیل سازه‌ به تازگی متداول شده‌بود. این مسئله گام رو به جلوی بسیار مهمی نسبت به نسل پیشین از مهندسین محسوب می‌شد که با خط کش محاسبه پرورش یافته بودند. اینک پس از گذشت 33 سال، من هم‌چنان در حال یادگیری هستم.

 سازه‌های هوشمند چه هستند؟ به بدن انسان فکر کنید. بدن انسان از نظر فن‌آوری، پیشرفته‌ترین ساختار هوشمندی است که تا به حال وجود داشته‌است. بیایید یادآوری کنیم که یک سازه معمولی چیست: یک ساختمان تحت بار جانبی فشار باد قرار‌گرفته و از طریق انتقال این بارها به وسیله سیستم سازه‌ای خود (مانند فولاد/ بتن/ مصالح بنایی/ چوب) به فونداسیون عکس‌العمل وارد می‌کند. پاسخ سختی سازه‌ای بدون توجه به فشار باد، یکسان است. خواه نیروی باد حاصل از طوفان و یا باد ملایمی با سرعت 10mph باشد، سختی، میرائی و پاسخ سازه‌ای ساختمان یکسان است. نیرو‌های عکس‌العمل، تنش‌های داخلی و تغییر‌شکل‌ها تغییر خواهند کرد، ولی توزیع سختی ثابت باقی می‌ماند. این توصیف یک سازه معمولی است.

 یک سازه هوشمند، سختی، میرائی و خواص مصالح را تنظیم می‌کند تا به بار‌گذاری پاسخ دهد و بر اساس آن سختی داخلی را به گونه‌ای تغییر می‌دهد که وابسته به تقاضا باشد. به بدن انسان فکر کنید- هنگامی‌که توپ بیسبال به سمت شما پرتاب می‌شود، مغز شما توپ را دیده و سرعت و نیروی ضربه حاصل را ارزیابی می‌کند. بر اساس این تشخیص، شما دست خود را بالا برده و بازوی شما با سختی متناسب پاسخ می‌دهد تا توپ را بگیرد. اگر پرتاب آرامی باشد، شما دریافت ساده‌ای خواهید داشت. چنانچه پرتاب سریعی باشد، بدن شما بیشتر عکس‌العمل نشان خواهد داد تا مانعِ از دست دادن توپ شود. به صورت مشابه، پاهای شما با عکس‌العمل بدن شما تنظیم می‌شوند.

در طول 20 سال گذشته، تحقیقات فراوانی در زمینه فن‌آوری سازه هوشمند صورت گرفته و مقالات تحقیقاتی بسیار زیادی با این عنوان و کاربرد‌های جالب چنین سیستم‌های ساختمانی منتشر شده‌است. دو مقاله مرجع فوق‌العاده توسط ژانگ و لو و سونگ و سثی نوشته شده‌است. توسعه فن‌آوری سازه هوشمند از قوانین مهندسی هوافضا و مکانیک نشأت گرفته و در حال حرکت به سمت صنعت مهندسی عمران و سازه می‌باشد. اصول اساسی یک سیستم سازه‌ای هوشمند به صورت زیر می‌باشد:

1. کاستی‌ها و خرابی را ثبت کرده و به مالک/مهندس گزارش می‌دهد.
2. اثر حوادث پر‌خطر هم‌چون زلزله‌ها، انفجار‌ها، طوفان‌ها، آتش، گردباد و غیره را کاهش می‌دهد.
3. خود را بهبود‌ داده و تعمیر می‌کند.

به بدن انسان باز‌گردیم. تفکر در رابطه با این‌که ساختار فیزیکی ما تمامی این وظایف را به طرز خیره‌کننده‌ای انجام می‌دهد، فوق‌العاده است.

مصالح هوشمند با پاسخ به محرک خارجی از طریق یک تغییر داخلی در خواص مصالح برای جلوگیری از خرابی/فروریزش، یک گام فراتر نهاده‌اند. مصالح هوشمندی در حال توسعه می‌باشند: مصالح فیزوالکتریک، آلیاژهای حافظه‌دار، مصالح تغییرشکل دهنده بر اثر مغناطیس، سیالات MR و دیگر مصالح "خود بهبود دهنده".

سیستم سازه‌ای هوشمند به منظور ارزیابی نیرو/تقاضای ضربه‌ای از سنسور‌های داخلی (یعنی شتاب‌سنج‌ها، سنسور‌های تنش و اندازه‌گیری انحنا) استفاده می‌کند و سپس این اطلاعات را به یک واحد پردازنده مرکزی (رایانه) می‌فرستد که دستگاه‌های میراگر/سختی در موقعیت‌های بحرانی در داخل ساختمان را تنظیم می‌کند تا به نیرو پاسخ دهند. کل این فرآیند در حدود چندین میلی‌ثانیه رخ می‌دهد و هدف، ساخت یک سیستم سازه‌ای است که با محیط سازگار باشد. اگرچه موانع زیادی هم‌چون قطع برق در حادثه‌ای و در نتیجه از کار افتادن سیستم، در راه عملی نمودن این فن‌آوری وجود دارد، این ایده پیشرفت‌های مبتکرانه‌ای را برای حرفه سازه‌ای مطرح می‌کند. رشته‌های مهندسی هوافضا و مکانیک، راه را به این سمت هدایت می‌کنند و این برای ما یادآور دهه 1980 می‌باشد که در آن معرفی کامپوزیت‌های الیافی، رایانه‌های شخصی و تحلیل اجزاء محدود به تازگی وارد افق‌های مربوط به مهندسین سازه شده‌بودند.

مبانی مصالح پیزو‌سرامیک

مصالح پیزو‌سرامیک به موادی گفته می‌شود که که دارای مشخصه منحصربه‌فرد زیر باشند: هنگامی‌که یک ماده پیزو‌الکتریک تحت تنش یا کرنش (اثر مستقیم) قرار می‌گیرد، بار الکتریکی تولید شود و بر‌عکس آن تغییر‌شکل مکانیکی؛ یعنی در صورت اعمال یک میدان الکتریکی به یک ماده پیزوالکتریک در جهت قطبی آن (اثر معکوس)، تنش یا کرنش ایجاد شود. لذا اثر پیزو‌الکتریکی مستقیم در سنسور‌هایی مانند شتاب‌سنج‌ها و اثر معکوس در فعال‌کننده‌هایی هم‌چون موتور‌های مافوق صوت، سودمند است. متداول‌ترین پیزو‌الکتریک PZT می‌باشد.

منبع

ترجمه شده توسط تیم مترجمین ۸۰۸

اگر دوست دارید به تیم مترجمین ۸۰۸ بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.