آیا مدل‌سازی پیش‌بینی‌کننده می‌تواند شکست زیرساخت را کاهش دهد؟

آیا مدل‌سازی پیش‌بینی‌کننده می‌تواند شکست زیرساخت را کاهش دهد؟
مدل‌سازی و شبیه‌سازی نقش اصلی را در طراحی سازه‌ها و امکاناتی که ستون فقرات جامعه مدرن ما را تشکیل می‌دهند، ایفا می‌کند. ساختمان‌ها، جاده‌ها، پل‌ها و سایر زیرساخت‌هایی که برای زندگی روزمره‌مان به آن‌ها تکیه می‌کنیم، همگی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در طول عمرشان که معمولاً بین 50 تا 100 سال است، بارهای خاصی را تحمل کنند. مهندسان این سازه ها را از طریق مدل های کامپیوتری مدرن تحلیل و طراحی می کنند تا از عملکرد ایمن تاسیسات در طول چرخه عمر اطمینان حاصل کنند.

شکست زیرساخت

نهایت دقت و قضاوت صحیح باید در طول عمر یک سازه، از تجزیه و تحلیل و طراحی آن تا ساخت، بهره برداری، نگهداری و تعمیر و در نهایت از کار انداختن و تخریب اعمال شود. تاریخ مملو از نمونه هایی از شکست ساختاری است که در بهترین حالت به اختلالات پرهزینه و در بدترین حالت منجر به تلفات غیرقابل اندازه گیری زندگی می شود – مانند فروپاشی اخیر و ناگهانی آپارتمان 40 ساله 12 طبقه در سرفساید، فلوریدا. که جان 98 نفر را گرفت.
خرابی ها می توانند به دلایل مختلفی رخ دهند، اما معمولاً شامل نظارت هایی در طول عمر عملیاتی سازه می شوند. خطا در تجزیه و تحلیل و طراحی نادر است. کنترل کیفیت در ساخت و ساز نیز نسبتاً بالغ و قابل اعتماد است، حتی اگر اکثر سازه‌ها «همانطور که ساخته شده‌اند» اندکی با طرح‌های اصلی خود متفاوت هستند. اما به طور حیاتی، همانطور که هر صاحب خانه می داند، نگهداری و تعمیر به موقع برای جلوگیری از خرابی های فاجعه بار ضروری است.
علیرغم بازرسی و تعمیر و نگهداری فعال، مشکلات ساختاری می تواند برای سالها مورد توجه قرار نگیرد و معمولاً خود را در یک رویداد سریع نشان می دهد. رویدادهایی مانند زلزله، طوفان باد، سیل، بارگذاری بیش از حد تصادفی، برخوردها و انفجارها می توانند سازه را فراتر از توانایی آن برای مقاومت در برابر چنین بارهایی سوق دهند و منجر به فروپاشی جزئی یا کلی شوند. فرسودگی ناشی از پیری و خوردگی نیز باعث خرابی های متعددی شده است. با این حال، از آنجایی که زوال در طی سال‌ها و گاهی دهه‌ها رخ می‌دهد، معمولاً قابل تشخیص است.

مجری ساختمان اراک |مهندس مجری ذیصلاح تهران و اراک

یک مدل کامپیوتری دقیق از یک ساختمان – یک دوقلو دیجیتال – که می تواند برای شبیه سازی وضعیت فیزیکی فعلی آن و انجام تجزیه و تحلیل پیش بینی استفاده شود.
بنابراین، سوال این است: آیا می توان از مدل سازی و شبیه سازی کامپیوتری برای پیش بینی و کاهش خرابی زیرساخت استفاده کرد؟ در تئوری، بله، اما در عمل، برای اکثریت قریب به اتفاق ساختارها مقرون به صرفه نیست – حداقل هنوز. برای اینکه یک مدل کامپیوتری انواع خرابی هایی را که می بینیم پیش بینی کند، باید بتواند ساختار ساخته شده را با دقت بالا شبیه سازی کند. این داده‌های قابل اعتماد و باکیفیت را در مورد وضعیت مداوم و در حال تحول یک سازه در طول چرخه عمر آن می‌گیرد – داده‌هایی که به سختی می‌توان از بازرسی و نظارت معمول سازه به دست آورد.
برای استفاده از یک قیاس پزشکی، بعید است که یک پزشک بتواند یک تومور بدون علامت را در یک بیمار معمولی در طول یک دوره فیزیکی سالانه تشخیص دهد، اما شانس تشخیص آن در یک سی تی اسکن (توموگرافی کامپیوتری) بسیار زیاد است. به طور مشابه، یک مدل کامپیوتری با وفاداری بالا که واقعاً وضعیت واقعی یک سازه را در یک نقطه زمانی معین نشان می‌دهد، واقعاً می‌تواند برای تشخیص و پیش‌آگهی مشکلات ساختاری استفاده شود. اما انجام این معادل سی تی اسکن برای یک ساختمان در فواصل زمانی معین، و استفاده از آن برای ایجاد و به روز رسانی مداوم یک مدل کامپیوتری با کیفیت بالا از ساختمان، امروزه به سادگی امکان پذیر نیست.
در عوض، مهندسان سازه از ابزار دقیق و آزمایش‌های غیر مخرب مختلف – فرآیندی برای بازرسی بدون تأثیرگذاری بر عملکرد و قابلیت استفاده مداوم – برای ارزیابی سلامت و وضعیت یک سازه و اجزای حیاتی آن در طول بررسی‌های معمول استفاده می‌کنند. برخی از ساختمان‌های بلند، پل‌ها و تأسیسات حیاتی – مانند سدهای برق آبی و نیروگاه‌های هسته‌ای – به طور دائم به حسگرهایی مانند شتاب‌سنج‌ها و کرنش‌سنج‌ها مجهز هستند که داده‌های بی‌درنگ پیوسته را درباره وضعیت سازه جمع‌آوری می‌کنند.
این داده‌ها، پس از کالیبره شدن، می‌توانند برای ایجاد و به‌روزرسانی مدل‌های رایانه‌ای برای تشخیص آسیب سیلیکونی و ارزیابی عملکرد استفاده شوند. این یک “دوقلو دیجیتال” از دارایی زیرساخت را ایجاد و حفظ می کند – یک نمایش مجازی که می تواند به طور مداوم با داده های زمان واقعی به روز شود. سپس می توان از این دوقلو دیجیتال برای شبیه سازی مواردی مانند بارها، تنش ها و عوامل محیطی، برای تصمیم گیری و کاهش خرابی ها استفاده کرد.
مدل‌سازی و شبیه‌سازی رایانه‌ای به سمت توانایی پیش‌بینی و کاهش خرابی زیرساخت‌ها در حال تکامل هستند – زمانی که با روش استفاده از دوقلوهای دیجیتال که به طور مداوم با شرایط سازه به‌روزرسانی می‌شوند و رفتار فیزیکی آن را تقلید می‌کنند، همراه شود.