3. КРАТКИЙ ОБЗОР ПРИМЕНЯЕМЫХ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА

Известно огромное количество публикаций по теме мониторинга конструкций. Большинство из них относятся к области строительства зданий и сооружений. Обзор известных систем мониторинга можно найти в следующих работах:

1. агёеп E,P., Fanning P. Vibration Based Condition Monitoring: A Review.

Structural Health Monitoring, 2004

http://shm.sagepub.com/cgi/content/abstract/3/4/355, p. 1-24.

СибАДИhttp: //shm.sagepub. com/cgi/content/abstract/2/4/3 41.

2. Brownjohn J.M.W. Structural health monitoring of civil infrastructure. Philo-

sophical Transaction of the Royal Society, 2007, p. 589-622.

3. Van der Auweraer H., Peeters B. International Research Projects on Structural

Health Monitoring: An Overview. Structural Health Monitoring, 2003;

4.Lynch P.J., Loh K.J. A Summary Review of Wireless Sensors and Sensor Networks for Structural Health Monitoring. The Shock and Vibration Digest, Vol. 38, No. 2,2006, p. 91-128.

5.A Review of Structural Health Monitoring Literature: 1996-2001. Los Alamos National Laboratory Report, LA-13976-MS, 2003.

Зависимость стоимости и сроков назначения ремонта от вида системы мониторинга

Стоимость затрат на поддержание строительных конструкций в надлежащем техническом состоянии зависит от затрат на их обслуживание и ремонт в процессе их эксплуатации. Оптимальную стоимость затрат на ремонт конструкций можно определить только при минимальных сроках их технического обследования, т.е. чем чаще мы осматриваем конструкцию тем точнее мы можем определить затраты на ее ремонт. В этом и заключается преимущество использования систем мониторинга, так как они могут работать непрерывно, в отличие от альтернативного метода периодического визуального и инструментального обследования.

Проблема оптимизации стоимости ремонта для существующих конструкций включает минимизацию полной стоимости затрат в виде следующего выражения

[8]:

= С + С + С + С раз?

Стек 1 Смон 1 Срем 1 С - стоимость обследования и где Стек - стоимость текущего ремонта; Смон мониторемонта; Сраз - стоимость ринга; Срем - стоимость капитального восстановления после разрушения.

11

Как показано на рис. 2, мы можем использовать различия в двух типах ремонта, а именно между текущим и капитальным ремонтом. Состояние текущего ремонта наступает тогда, когда поведение конструкции соответствует индексу надежности выше нормативного значения, в то время как капитальный ремонт соответствует индексу надежности ниже нормативного значения.

СибАДИР с. 2. Зав с мость индекса здоровья конструкции от времени

Стоимость затрат на поддержание жизненного уровня конструкций на всех стадиях от проект рован я до эксплуатации может быть снижена управляя следующими факторами [8]:

• Проектирование - исключение компонент, требующие интенсивных или сложных процедур ремонта

• Изготовление - улучшение качества

• Обследование - более точная оценка технического состояния

• Ремонт - улучшение сервиса и полезного срока жизни

• Управление - точная оценка целей, выбор стратегии и выполнение. Выбор методов контроля и оценки технического состояния оказывают влияние

на все перечисленные факторы. Визуальное обследование может дать первые количественные результаты, в большинстве имеющие чисто интуитивную качественную оценку технического состояния. Более точная оценка технического состояния может быть основана на количественной оценке технического состояния. Стоимость количественной оценки зависит от выбранных неразрушающих методов контроля. Последние разработки сенсорных технологий в комбинации с алгоритмами обнаружения повреждений и техникой сбора данных позволяют более точно дешевле выполнять количественную оценку технического состояния конструкций. Адекватная техника мониторинга позволяет качественно и количественно оценить техническое состояние и правильно назначить для них межремонтные сроки.

12

Это включает наблюдения, как за внешними нагрузками такими как снеговая и ветровая нагрузки, сейсмические воздействия, изменения влажности и температуры, коррозия, изменения в нагрузках от технологического оборудования, так и за внутренним состоянием конструкций через измеренные значения деформаций, перемещений, прогиба и наклона элементов строительных конст-

рукций [9]. СибАДИВ настоящее время, в большинстве случаев, оценка технического состояния

выполняется путем визуального осмотра, локальных измерений с использованием неразрушающ х методов контроля (например, методом ультрозвуковых

исследован й), путем отбора образцов с целью определения степени деградации физическ х механ ческих свойств материалов.

Работы завершаются отчетом и рекомендациями по ремонту или усилению конструкц й. Это полностью соответствует требованиям нормативных документов [1-5]. В то же время, в РД ЭО 0624-2005 говорится о том, что возможно применен е непрерывных систем диагностики технического состояния конструкций. Однако пр менение непрерывных систем диагностики технического состоян я конструкц й не решает полностью проблему оценки технического состоян я конструкц й. Пока еще невозможно обойтись без визуального об-

следован я спытан я материалов, определения геометрических размеров

элементов конструкции, которые изменяются под действием окружающей среды. Автоматизированные системы мониторинга пока еще не могут полностью заменить человека.

В связи со сказанным, в настоящее время, приходится использовать на практике две дополняющие друг друга системы мониторинга, традиционную, основанная на периодическом обследовании непрерывную, которая с заданным интервалом времени снимает показания с датчиков. Структура подобной, назовем ее объединенной системой мониторинга, показана на рис. 3.

13

СибАДИРис. 3. Структурная схема объединенной системы мониторинга

С левой стороны от оси симметрии показаны, работы выполняемые при обследовании зданий и сооружений в соответствии с действующими рекомендациями, что соответствует общепринятой процедуре мониторинга в виде визуального обследования выборочного инструментального контроля конструкций с использованием неразрушающих методов испытаний. Справа, на этом же рисунке, показана система мониторинга с использованием стационарных датчиков и стационарных измерительных систем, подключенные к удаленному компьютеру.

Использование этих двух систем мониторинга позволяет решать следующие задачи:

• Визуальное обследование конструкций с определением действующих нагрузок, состава конструкций, состава оборудования, вида окружающего воздействия (температура, влажность, наличие агрессивной среды)

• Сбор и анализ всей предыдущей документации, включая истории нагружения, ремонта, усиления и реконструкцию

• Специальные виды испытаний и измерений на конструкциях здания или сооружения

• Анализ всех собранных данных с целью создания вероятностной модели работы конструкции

14

•Измерения напряжений, деформаций и амплитуд колебания конструкций

•Численный анализ конструкций с измененными нагрузками и прочностью материала конструкций

•Анализ надежности конструкций

•Анализ принимаемых решений по оценке технического состояния конст-

рукций с оценкой их остаточного ресурса.

На рис. 4 показан пример изменения ресурса конструкции при возникновении в ней повреждения от действия внезапной внешней нагрузки, например, сейсмиСибАДИческой или ударной. Непосредственно после возникновения повреждения необходимо оценить возникший уровень повреждений. Если повреждение находится внутри допуст мого д апазона (например, ниже предела прочности материала)

на как х-то элементах конструкций, то можно выполнить быстрый ремонт и увелич ть х прочность несущую способность. В этом случае очень полезны современные непрерывные системы диагностики, так как они позволяют снизить время необход мое для определения места размера возникшего повреждения и миним з ровать сто мость затрат на ремонт конструкций.

Рис. 4. Зависимость времени ремонта элемента конструкции от количества полученной информации о размере повреждений и критерии для оптимизации

процесса ремонта повреждений

15

4. ДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Динамический мониторинг является одним из видов неразрушающего контроля строительных конструкций. Визуально практически невозможно выявить повреждения внутри элементов строительных конструкций, видны только внешние признаки повреждений в виде микро и макро трещин, прогиба или смещение элементов конструкций. Динамические испытания позволяют «увидеть» начало зарождения дефектов в конструкциях или потерю устойчивости, так как эти изменения сопро-

СибАДИвождаются изменениями в динамических свойствах конструкции. Например, деградац я жесткости (EJ) з-за образования трещин в железобетонной конструкции дает информац ю о местоположении и серьезности возникшего повреждения [11].

амый простой способ динамических испытаний можно представить в виде процедуры по определен ю резонансных (собственных) частот конструкций. Далее для каждой собственной частоты колебаний можно найти форму деформации конструкц . Каждая форма деформации связана с декрементом затухания колебаний, который является мерой рассеивания энергии [12]. Из измеренного динамического поведен я, наведенного окружающей средой или силовым воздействием могут быть получены д намические характеристики (собственные частоты, формы деформац , декремент логарифмического затухания конструкции) и параметры системы (жесткость, массу и матрицу демпфирования). Эти параметры используются затем для оценки изменений в техническом состоянии эксплуатируемых строительных конструкций.

Анализ мод коле аний является эффективным экспериментальным методом определения динамических характеристик конструкций на основе результатов измерений анализа вынужденных механических колебаний. Соединенные с регистратором акселерометр позволяет проводить измерения вынуждающей результирующих механических колебаний исследуемой конструкции. В результате обработки данных, получается информация, необходимая для определения динамических характеристик исследуемой конструкции. Эта данные используются при мониторинге конструкций. В результате эксплуатации в элементах строительных конструкций могут возникать усталостные деформации, микротрещины в соединительных швах, которые не приводят к изменениям геометрических размеров изделия, но приводят к изменению динамических характеристик конструкции. Анализ этих изменений позволяет прогнозировать проведения регламентных работ по техническому обслуживанию. Этот метод эффективен в широкой области и используется при исследовании разного рода конструкций от самолетов до строительных конструкций.

Существует два метода модального анализа - традиционный и операционный (ambient vibration). В традиционном модальном анализе создается контролируемое входное возбуждение каким-либо источником импульса и проводится анализ между выходным откликом и входным возбуждением. Источником входного возбуждения является ударный молоток со встроенным датчиком силы или электродинамический возбудитель со встроенным датчиком силы.

16

Такой метод оптимален на этапе проектирования и изготовления какого -либо изделия, когда каждый элемент конструкции может быть подвергнут контролируемому воздействию. В реальных условиях эксплуатации для сложных конструкций с возможными различными формами деформации, зачастую не имеется возможность провести традиционный модальный анализ. Операционный модальный анализ позволяет провести модальный анализ, используя только выходной отклик конструкции. Он сильно отличается от традиционного экспериментального модального анализа, который основывается на частотной характеристике между

СибАДИвходным возбуждением и выходным откликом. Достаточно измерить по времени отклик при нормальных эксплуатационных режимах. В результате усовершенствований алгор тма выч сления огромного увеличения производительности рабочей станц , операц онный модальный анализ превратился в высоко эффективный нструмент для авиационных приложений, при возбуждении конструкций внутренн ми окружающими силами.

Учитывая то, что в машинном зале уже существует источник внешнего динамического возбужден я в виде тур ины с частотой колебаний 25 Гц, в проекте принято решен е спользовать операционный модальный анализ для определения динамическ х свойств конструкций [13,14,15,16]. В качестве программного комплекса решающего данную задачу выбрана программа

(www.svibs.com/products/ARTeMIS Extractor.aspx).

Рис. 5. Динамическая система мониторинга

17

СибАДИ(а)

(б)

Р с. 6. Акселерограмма колебаний (а) и спектр частот (б)

Динамическая система мониторинга включает трехкоординатные акселерометры, регистраторы, ка ельные линии и удаленный компьютер. Схема подобной измерительной системы показана на рис. 5.

Используя результаты измерений ускорения колебаний строительных конструкций (рис. 6 а) определяют собственные частоты колебаний (рис. 6 б).

Эти динамические характеристики хранятся в базе данных и сравниваются с последующими измерениями. Расхождения свидетельствуют о зарождении повреждений в конструкциях.В 2007-2009 гг. ООО «НПП Геотек» была разработана и установлена система мониторинга на спортивном объекте в г. Пенза.

Разработанная система мониторинга предназначена для оценки текущего технического состояния несущих конструкций покрытия из металлодеревянных арок пролетом 48 м и 36 м (рис. 7) и контроля отклонения от вертикали несущих железобетонных колонн под арки покрытия.

Спортивный комплекс имеет в плане габариты 192х93 м включает в себя два сблокированных здания. Первое здание имеет габариты 192х48 м. Второе здание имеет габариты 144х39 м. Отметки верха покрытия составляют +23,63 м +17,78 м.

18

4.1. Пример реализации статической системы мониторинга строительных конструкций

СибАДИР с. 7. Поперечный разрез гимнастического комплекса

Рис. 8. Монтаж клеедеревянных арок пролетом 48 м на этапе строительства первого здания

Несущими конструкциями здания являются железобетонные колонны и клеедеревянные арки с затяжками. В продольном направлении колонны вверху соединены распорками. Связи между арками выполнены из клеедеревянных балок. Конструктивно арки выполнены из двух клеедеревянных пластинтолщиной 140 мм высотой 1400 мм, соединенных в пакет, и затяжки из четырех стальных тяжей диаметром 50 мм. Подвесы выполнены из стали диаметром 30 мм. Заделка колонн в

фундаменты жесткая. Фундаменты свайные в вытрамбованных котлованах.

На рис. 8 показан монтаж клеедеревянных арок пролетом 48 м, который был завершен на этапе строительства первой очереди в августе 2007 года. Вторая очередь строительства была завершена в декабре 2008 года.

19

4.2. Описание системы мониторинга

Система мониторинга предназначена для оценки текущего состояния несущих конструкций здания в процессе его эксплуатации.

Система обеспечивает выполнение следующих функций:

1. Периодический контроль напряженно-деформированного состояния металлодеревянных арок и отклонения железобетонных колонн под арки покрытия, выдача информации о месте приближения измеренных значений к проектным значениям прочности и деформации.

СибАДИ2. При превышении измеренных значений напряжений и деформаций проектных значен й с стема выполняет постоянный контроль напряженнодеформ рованного состояния несущих конструкций; формирует сигналы опасности; выдает нформац и о месте превышения проектных значений прочности и деформац .

3. Автомат ческая регистрация событий в оперативной памяти системы, выдача отчетов о со ытиях в соответствии с запросом, а при наступлен событ й по п.2 автоматически.

4.Оповещен е о эвакуации людей при недопустимых значениях напряжений и деформац й в элементах металлодеревянных арок и железобетонных колонн под арки покрыт я.

Система мон тор нга в целом работает следующим образом (рис. 9).

Этап 1. Сигналы с датчиков считываются устройством сбора в аналоговом виде, затем преобразовываются в цифровой вид по кабелю передаются в базу данных компьютера. Управление работой сети датчиков выполняется компьютером с использованием программы GEOTEK-SHM. B компьютере используя градуировочные зависимости, цифровые сигналы превращаются в физические величины: деформацию, напряжения, угол наклона.

20