رفتارسنجی سازه های ساختمانی با استفاده از فتوگرامتری برد کوتاه

رفتارسنجی سازه های ساختمانی با فتوگرامتری برد کوتاه

خلاصه:

فتوگرامتری برد کوتاه شاخه­ ای از علم فتوگرامتری است که هدف آن اندازه­گیری و تعیین موقعیت از روی تصاویری است که شخص با استفاده از دوربین­ های دیجیتال متدوال از جسم گرفته و آنها را پردازش می­ کند. با وجود اینکه فتوگرامتری بردکوتاه در حوزه مهندسی عمران بویژه جابجایی­ سنجی سازه های بزرگ خیلی متداول نشده است، اما پروژه های موفق اجرا شده در این زمینه گویای پتانسیل بالای این روش در این حوزه می باشد.

امروزه با در دسترس بودن دوربین­های پیشرفته رقومی ارزان قیمت، امکان اخذ و پردازش نرم افزاری تصاویر رقومی، و درکل کم هزینه و آسانتر شدن پیاده سازی سیستم­های فتوگرامتری، امکان بکارگیری بیش از پیش تکنیک­های فتوگرامتری برد کوتاه بعنوان جایگزینی برای روش­های سنتی رفتارسنجی در پروژه­ هایی با مقیاس بزرگ، توجیه بیشتری یافته است.

در این مقاله سعی گردیده است با شرح رفتارسنجی سازه­های نگهبان ایستگاه ۱۱ قطارشهری شیراز، قابلیت­ها و توانایی­ های کاربردی فتوگرامتری برد کوتاه بیان شود و ضمن دقت بالا، سرعت زیاد و کم هزینه بودن آن، بعنوان جایگزین روش­های سنتی نظیر نقشه برداری ژئودتیکی جهت رفتارسنجی پیشنهاد گردد. در این مورد مطالعاتی که بعنوان کنترل مضاعف علاوه بر رفتارسنجی بوسیله نقشه­ برداری زمینی انجام گردید،

از دوربین نیمه حرفه ای Canon 600D استفاده شده است که پس از پردازش تصاویر اخذ شده در اپک های زمانی یک ماهه، با دقتی بهتر است ۴ میلیمتر رفتار سازه های نگهبان ذکر شده پایش گردید.

مقدمه

از آنجایی که در بسیاری از پروژه های ساختمانی نظیر گود برداری­ها، ایجاد ساختمان­های بلند، مرمت بناهای تاریخی و قدیمی نیاز به ابزاری جهت بررسی و اندازه­گیری جابجایی ها و نشست­ها می باشد، می­توان به فتوگرامتری برد کوتاه بعنوان روشی ارزشمند و انعطاف­پذیر با قابلیت های بالا جهت رفع چنین نیازهایی اشاره نمود.

هزینه پایین، سرعت و دقت بالای این روش، آن را بعنوان جایگزینی مناسب برای روش های سنتی رفتارسنجی و مدلسازی بارز ساخته است. اهمیت رفتارسنجی در ساختمان سازی از آن جایی ناشی می شود که هر ساله عده زیادی از هموطنانمان در اثر عدم کنترل و رفتارسنجی دقیق گودبرداری ها و ساختمان ها جان خود را از دست داده و یا دچار مصدومیت­های شدیدی می شوند.

طبق آمارهای منتشر شده در خصوص اینگونه حوادث، بطور مثال در سال ۸۶، ۳۳۸ حادثه مربوط به گودبرداری و ریزش ساختما در شهر تهران رخ داد که ۱۵۴ مصدوم و کشته در پی داشت. در سال ۸۸ هر یک روز و نیم یک حادثه گودبرداری ساختمان در کشور رخ داده است و متاسفانه اینگونه حوادث بطور مداوم در کشور ما قربانی می­گیرند.

رفتارسنجی

کشف تغییر شکل، یک موضوع حساس و پیچیده در زمینه کنترل سازه­ها بوده و به معنی آشکارسازی تغییرات در شکل، مقیاس، جهت و جابجایی سازه می­باشد. بطور کلی در بحث رفتارسنجی با انتخاب یکسری نقاط در خارج از عارضه، یک شبکه با استحکام و دقت زیاد در خارج از عارضه بوجود می­آید. این نقاط بعنوان نقاط (کنترل) ثابت تلقی می­گردند و جابجایی نقاط موجود بر روی عارضه نسبت به این نقاط در زمان های مختلف سنجیده می­شود.

روش­های مختلفی برای تعیین فشارها و استرس­های وارد به یک سازه و کنترل عکس العمل­های آن وجود دارد. بطور کلی از جمله این روش­ها که در رفتارسنجی سازه های بزرگ مورد استفاده قرار می­گیرد، می­توان به روش ­های میکروژئودزی، سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS)، استفاده از لیزر اسکنر و استفاده از ابزارهای دقیق و تجهیزات مکانیکی اشاره نمود.

از جمله محدودیت­های این روش­ها، هزینه بالا، سرعت عملیات زمینی پایین و پیچیدگی­های محاسباتی آنهاست. این درحالی است که اگر بخواهیم مزایای فتوگرامتری برد کوتاه را نسبت به دیگر روش­ها برشمریم می­توان به مواردی نظیر پایین بودن هزینه، سرعت و دقت بالا، عدم تماس مستقیم با جسم، زمان کم عملیات زمینی، نامحدود بودن نقاط انتخابی برای رفتار سنجی، استفاده در مناطق پرخطر و غیره استناد نمود.

مبانی رفتار­سنجی به روش فتوگرامتری بردکوتاه

بطور کلی در هر پروژه رفتارسنجی با جسمی مواجه می باشیم که در دو زمان مجزا در اثر عوامل مختلف، تغییر شکل نسبی و یا تغییرشکل مطلق در آن اتفاق می افتد. اغلب آنچه بعنوان رفتارسنجی برای این جسم مطرح می باشد، تعیین میزان این جابجایی ها در هر سه بعد XYZ برای نقاطی بعنوان نماینده از این عارضه بصورت مطلق نسبت به عوارض ثابت دیگر می باشد.

شکل زیر یک مورد فرضی برای مطالعه تغییر شکل سازه ای یک جسم دلخواه توسط ابزار فتوگرامتری را نشان می دهد. در این مورد، شیء ابتدا در حالت بدون بارگذاری توسط یک شبکه شامل شش عکس همپوشانی عکسبرداری شده است. این اندازه گیری ها، مختصات (X,Y,Z) نقاط سطح و نقاط کنترل خارج از سطح شیء را تولید می کنند.

بارگذاری روی شیء باعث می شود تا شیء به یک حالت جدید تغییر شکل دهد. مختصات نقاط جابجا شده روی سطح مجددا اندازه­گیری می­شوند.

هندسه شبکه عکسبرداری برای اندازه گیری جابجایی

وقتی دو شبکه اندازه گیری به یک سیستم مختصات مرجع مشترک (با استفاده از انتقالی که در آن شکل ثابت می ماند و با چهار نقطه ثابت قابل حل است) برده می شوند، جابجایی های بین هر دو می­توانند تعیین شود. ساختار و مراحل پیاده سازی مشاهدات واندازه­گیری هایی به روش فتوگرامتری را می­توان در فلوچارت پایین مشاهده نمود.

بطور کلی ابتدا شرایط پروژه از دیدگاه پیاده سازی سیستم فتوگرامتری بررسی می گردد. سپس ساختار فنی سیستم فتوگرامتری در قالب طراحی ساختار و ابعاد تارگت ها با توجه به شرایط پروژه تعیین و اندازه گیری نقاط کنترل و یا طول میله های مقیاس، تعیین دوربین تصویربرداری و تنظیمات آن، طراحی، جانمایی و ایجاد تارگت های سیستم مختصات مبنا و تارگت های اندازه­گیری روی سازه و تعیین ایستگاه های تصویربرداری (موقعیت، تعداد، شرایط) تعیین می­گردد.

هر اپک مشاهداتی شامل تصمیم­گیری در خصوص روش کالیبراسیون وانجام آن، برداشت مشاهدات در قالب تصویربرداری از سازه، و انجام توجیهات و محاسبات جهت تعیین مختصات نقاط در سیستم مختصات مشترک در هر اپک می­باشد. سپس با مقایسه مختصات چند اپک با یکدیگر، میزان جابجایی ها در نقاط تعیین می­گردند.

ساختار و مراحل پیاده سازی مشاهدات و اندازه گیری ها جهت رفتارسنجی بروش فتوگرامتری

۳-۱- طراحی ساختار و ابعاد تارگت ها

تارگت های فتوگرامتری در حقیقت نقاط نشانه ای هستند که در بحث رفتارسنجی بعنوان نماینده از عارضه و جزئی از آن ایجاد می­گردند. درخصوص ابعاد تارگت ها بطور تجربی می توان گفت کمینه قطر تارگت ها باید حداقل ۵ پیکسل در تصویر را پوشش دهد تا اندازه گیری دقیقی داشته باشیم.

۳-۲- تعیین دوربین تصویربرداری و تنظیمات آن

یکی از مهمترین ابزارها در پروژه های فتوگرامتری، دوربین تصویربرداری می باشد. دلیل اهمیت این مقوله این است که پارامترهای مهمی از جمله دقت، تحت تاثیر عواملی از دوربین مانند قدرت تفکیک، میدان دید، فاصله کانونی، ابعاد تصویر و عواملی نظیر آنهاست. در این پروژه در از دوربین نیمه حرفه ای Canon 600D استفاده شده است.

دوربین مورد استفاده

برای کسب اطلاعات بیشتر درباره نحوه ی عملکرد و تنظیم دوربین به مقاله زیر مراجعه کنید:

تنظیم دوربین پهپاد برای داشتن بهترین تصویر هوایی ممکن

۳-۳- طراحی شبکه

رابطه کلی انتشار خطا را می­توان بعنوان مبنایی برای طراحی شبکه­ های فتوگرامتری برد کوتاه بصورت زیر در نظر گرفت.

که در آن متوسط انحراف معیار خطای مختصات XYZ نقاط شئ­ای، q فاکتور طراحی یا ضریب استحکام هندسی شبکه، k تعداد متوسط تصاویر اخذ شده در هر ایستگاه دوربین­، S عدد مقیاس برابر با نسبت d فاصله متوسط دوربین تا شیء به c فاصله اصلی دوربین،  خطای متوسط مختصات xy نقاط عکسی و  خطای متناظر زاویه ای برابر با  می باشد.

لذا دقت اندازه گیری وابسته به سه پارامتر به سه پارامتر قدرت تفکیک زاویه ای دوربین، استحکام شبکه و مقیاس تصویربرداری است.

اجرا و پیاده سازی

با توجه به موارد گفته شده، هدف از این پروژه بررسی روش فتوگرامتری برد کوتاه در رفتارسنجی سازه­های ساختمانی می­باشد. جهت تحقق این امر، سازه­های مورد استفاده جهت تحکیم دیواره­های فضای گودبرداری شده ایستگاه ۱۱ قطارشهری شیراز مورد پایش و بررسی قرار گرفتند.

در این پروژه پس از انجام بررسی­های اولیه در مورد انتخاب دوربین و همچنین نحوه توزیع تارگت­های کنترل و چک، منطقه کاری به دو دسته تقسیم گردید. در هر قسمت مناطق مستحکم مشخص شده و از آنها بعنوان مکانی برای نصب تارگت­های کنترل استفاده شد. پس از نصب تارگت ها عکسبرداری در سه اپک انجام گردید و میزان جابجایی در هر اپک نسبت به جابجایی در اپک های قبلی اندازه گیری گردید. در ادامه مراحل کار شرح داده خواهد شد.

۴-۱- بررسی منطقه، تهیه و نصب تارگت ها

همانطور که بیان گردید در ابتدا می بایست بازدیدی از منطقه جهت نصب تارگت ها صورت گیرد. پس از تعیین تعداد و محل نصب تارگت­ها، می بایست تارگت های تهیه شده را در مکان های مورد نظر نصب نمود.

نمونه ی یک تارگت

تارگت ها به دو دسته کنترل و چک تقسیم می شوند. تارگت های کنترل تعریف کننده سیستم مختصات و بعنوان مبنایی برای انجام ترانسفورماسیون بین مدل های سه بعدی حاصله از اپک های مختلف می باشند.

توجه به این نکته ضروری است که در پروژه­هایی که از فتوگرامتری برد کوتاه جهت رفتارسنجی استفاده می­شود، انتخاب مناطقی جهت نصب تارگت­های کنترل از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. شکل ۶ نمونه ای از یک مکان جهت نصب تارگت های کنترل را نشان می دهد.

نمونه ای تارگت های کنترل و چک. تارگت های واقع در کادر سبز رنگ میانی، کنترل و مابقی تارگت های چک هستند

دسته دوم تارگت های کنترل هستند که در مناطقی نصب می گردند که پایش رفتار آنها مد نظر است. تراکم و تنوع این تارگت ها باید به گونه ای باشد که هندسه ای محکم را در کل مدلسازی ایجاد نمایند. همچنین تعداد تارگت های موجود در یک تصویر نباید از یک حداقلی نظیر ۵ یا ۶ تارگت کمتر باشد.

۴-۲- عکسبرداری در هر اپک

پس از نصب تارگت هادر محل های مورد نظر، می بایست عکسبرداری هایی در زمان های صورت گیرد. اولین سری از تصویربرداری را می توان بعنوان مبنا در نظر گرفت و مابقی اپک ها را می توان با اپک اول مقایسه نمود. تصویربرداری در این پروژه در سه مرحله یک ماهه انجام شده است که در تصاویر زیر نمونه ای از تصاویر اخذ شده از مناطق مختلف کارگاه را مشاهده می نمایید.

نمونه ای تصاویر اخذ شده

۴-۳- تعیین مختصات سه بعدی تارگت ها و رفتارسنجی آنها

بطور کلی هدف از تصویربرداری به روش فتوگرامتری، استخراج مختصات سه بعدی مراکز تارگت هایی است که بر روی جسم نصب شده اند. پس از تصویربرداری و تعیین مختصات سه بعدی در هر اپک، می بایست با استفاده از نقاط کنترل و بوسیله یک ترانسفورماسیون سه بعدی کانفورمال، سیستم مختصات ها را یکی نموده و جابجایی بین تارگت ها را بررسی نمود.

اگر پس از این کار تارگت های چک بر روی هم قرار نگرفتند، می بایست آن ها را آنالیز نموده و صحت جابجایی را بررسی نمود. اگر این جابجایی منطقی باشد می توان گفت که بردار جابجایی معنادار بوده و جابجایی رخ داده است.

نمایش مختصات سه بعدی تارگت ها

در این پروژه پس از بررسی های صورت گرفته در سه اپک زمانی، هیچ گونه جابجایی معناداری در سازه ها رخ نداده بود. برای بررسی و چک نمودن صحت این روش، رفتارسنجی سازه ها با استفاده از روش های مرسوم نقشه برداری زمینی (روش های ژئودتیکی) نیز انجام گرفته و نهایتا نتیجه ای یکسان بدست آمد.

ایجاد جابجایی تعمدی

از آنجایی که عملیات های فتوگرامتری و نقشه برداری ژئودتیکی هیچ گونه جابجایی را در سازه ها تصدیق نمودند، تصمیم بر آن شد تا با ایجاد یک جابجایی تعمدی در تارگت ها، دقت روش فتوگرامتری بررسی گردد. برای این کار یکی از تارگت های چک را به جابجا نموده و تمامی مراحل دوباره انجام شد. پس از انجام آنالیزهای مورد نظر، جابجایی بدست آمده با دقتی بهتر از یک میلیمتر برآورد گردید.

بررسی جابجایی عمدی

نتیجه گیری

در این مقاله به بررسی تصویربرداری به روش فتوگرامتری برد کوتاه در تعیین جابجایی سازه ­های ساختمانی پرداخته شده است. با توجه به پیشرفت دوربین­ های رقومی و در دسترس بودن آنها می توان از این روش جهت اخذ داده­ های سه بعدی با دقت و کیفیت بالا استفاده نمود.

باید توجه داشت که بدلیل برخی محدودیت ها – نظیرکم بودن فضا جهت عکسبرداری و هرمانعی که باعث کاهش دقت طراحی شبکه شود- همیشه نیز نمی توان از این روش جهت جابجایی­سنجی و یا مدلسازی استفاده نمود، اما پروژه ­های گسترده انجام شده حاکی از آن است که در اکثر موارد می توان با طراحی شبکه ­های منسجم، به دقت قابل قبول و رضایت­ بخشی رسید.

در این تحقیق که با استفاده از یک دوربین دیجیتال نیمه حرفه ای Canon 600D جهت پایش رفتار سازه های نصب شده در ایستگاه ۱۱ قطار شهری شیراز انجام گردید با دقتی بهتر از ۱:۲۰۰۰۰ابعاد جسم، هیچ گونه جابجایی معناداری در سازه ها صورت نگرفته و می توان بیان نمود که از فتوگرامتری برد کوتاه بعنوان روشی جایگزین جهت رفتارسنجی نسبت به روش­های سنتی می توان استفاده کرد.

طبق آنچه که در این مقاله بدان اشاره شد، پایین بودن هزینه و علاوه بر آن بالا بودن دقت نتایج پروژه­های فتوگرامتری برد کوتاه نسبت به دیگر روش­ها، مهندسین ساختمان را به استفاده از این روش جهت بررسی جابجایی و نشست سازه ها، جابجایی دیواره های گودبرداری و امثالهم دعوت می نماییم.