2598

пространстве моментов. Результаты статистических исследований железобетонных конструкций представлены в табл. 4.3.

Аналитические выражения закона распределения изучаемых выборок экспериментальных данных, полученные с использованием метода восстановления закона распределения на основе нормирования статистических данных, позволили получить следующие закономерности распределения измеряемых величин (рис. 4.27).

Рис. 4.27. Внешний вид моделирующих функций для трех наблюдений глубины коррозийного повреждения бетона

Исходные параметры технического состояния железобетонных конструкций, использованные при построении моделей, представлены временным рядом. На базе полученной модели можно осуществлять мониторинг накапливаемых изменений состояния материала и прогноз будущего поведения случайного процесса, рассчитывая значение показателя для следующих моментов времени.

Рис. 4.28. Линии тренда наблюдаемых параметров

Общая закономерность изменения параметра глубины коррозийного повреждения говорит о линейном законе нарастания изменений (рис. 4.28), однако детальное рассмотрение процесса, а именно построение моделей распределения вероятности измеряемых данных, показывает, что даже при трех измерениях можно заметить существенные различия в моделирующих функциях, которые могут свидетельствовать об изменении структурных свойств случайного процесса.

1030

4.4.2.Методы обнаружения и мониторинга развития трещин

встроительных конструкциях

конструкциях основаны на том, что физические параметры материала и дефекта отличаются друг от друга и установление этого различия тем или иным способом позволяет судить о наличии дефекта в обследуемой конструкции.

Разнообразие параметров, несущих информацию о существовании дефектов, обусловило разработку большого числа способов их обнаружения, однако они все различаются информативностью, точностью, стоимостью приборов, трудоемкостью измерения и обработки данных, опытом применения, поэтому для решения каждой конкретной задачи (в частности оценки разных категорий состояния зданий) целесообразно подбирать оптимальные методы и средства контроля.

Визуальные методы могут быть реализованы путем внешнего осмотра конструкций без специальных приспособлений. Минимальный размер обнаруживаемой трещины в этом случае зависит от характера обследуемой поверхности, уровня яркости, контраста освещенности между объектом обследования и фоном, индивидуальных особенностей и опыта оператора и составляет около 0,2 мм.

Другой путь реализации визуального метода – осмотр объекта обследования с помощью оптических приборов (линзы с нанесенной сеткой, зеркала, эндоскопы, микроскопы). Зеркала и гибкие эндоскопы с волоконным световодом (рис. 4.29) и мощным источником света (до 200 Вт) позволяют осуществлять контроль труднодоступных или невозможных для наблюдения снаружи элементов конструкций и существенно снизить размер обнаруживаемой трещины (до 15 – 30 мкм).

На рис. 4.30 показана схема оптоволоконного эндоскопа. Переднюю часть световодов можно дистанционно изгибать до ± 120°. Рабочая длина эндоскопа – до 3 м. Оптоволоконные эндоскопы могут быть укомплекто-

1031

ваны миниатюрной видеокамерой с памятью на 10 – 40 кадров.

Для наблюдения за развитием трещин в их зоне могут быть установлены так называемые маяки из свежего гипса размером 100x25 мм, располагаемые перпендикулярно трещине. При развитии трещины маяки разрываются, что видно без специальных средств.

Рис. 4.30. Схема лазерного эндоскопа

Капиллярные методы основаны на проникновении индикаторных жидкостей (пенетрантов) при нанесении их на поверхность объекта обследования в неплотности материалов и наблюдении образующихся индикаторных следов. Капиллярный метод позволяет обнаруживать невидимые или слабовидимые невооруженным глазом микротрещины в объектах обследования, определить расположение микротрещин и их протяженность. Капиллярные методы можно применять не только на бетонных и каменных, но и на металлических конструкциях. Изображение, образованное пенетрантом («индикаторный рисунок» или «индикаторный след» – в применении к единичной трещине), может появиться только в случае, если глубина трещины превышает ширину ее раскрытия.

В зависимости от способа выявления индикаторного рисунка капиллярные методы разделяют на: яркостные, при которых наблюдают контраст ахроматического рисунка в видимом глазом излучении на фоне поверхности объекта обследования; цветные, при которых наблюдают контраст цветного изображения на фоне поверхности; люминесцентные, основанные на наблюдении контраста видимого под действием ультрафиолетового излучения индикаторного рисунка. Недостатком последнего метода является необходимость в источнике ультрафиолетового излучения и затемнении места наблюдения, что осложняет процедуру обследования.

Исторически первый капиллярный метод – «керосиновую пробу» – применяют и сейчас. При этом методе поверхность с предполагаемыми трещинами смачивают керосином (пенетрантом), а затем для проявления

1032

трещин поверхность объекта обследования покрывают мелом (проявителем). Керосин просачивается в слой мела, вызывая его потемнение, которое достаточно хорошо видно при дневном свете.

Специальные материалы для осуществления обследования капиллярным методом выпускают в виде наборов, содержащих очистители, используемые как для предварительной очистки поверхности объекта обследования, так и для удаления излишков пенетранта с обследуемой поверхности; пенетрантов специальных для бетона и камня с ярко-розовым цветом при обычном освещении и флюоресцирующие при УФ-освещении; проявители, предназначенные для извлечения индикаторного пенетранта из полости несплошности и образования четкого индикаторного рисунка.

Наборы средней чувствительности позволяют определить микротрещины с раскрытием более 1 мкм. Наборы пониженной чувствительности индицируют трещины с раскрытием более 100 мкм.

Электропотенциальный метод.

При пропускании через объект обследования тока в объекте создается электрическое поле. Геометрическое место точек с равным потенциалом составляет эквипотенциальные линии (рис. 4.31). На рисунке показано распределение эквипотенциальных линий при от-

сутствии (рис. 4.31, а) и наличии трещины (рис. 4.31, б). Разность потенциалов зависит от объемной электропроводности объекта, геометрических размеров, наличия трещин.

Для реализации метода применяют т.н. четырехэлектродную схему измерений. С помощью двух из них (токоподводящих) к контролируемому участку объекта обследования подводят ток, два других электрода – измерительные, с их помощью измеряют разность потенциалов на определенной базе. По величине разности потенциалов можно судить о глубине обнаруженной трещины. Препятствием для применения этого метода измерения глубины трещин в бетонных и каменных конструкциях является неоднородность этих материалов, сильное влияние арматуры в железобетонных конструкциях, влияние неоднородной влажности, известная сложность реализации метода – создание надежных контактов с поверхностью объекта обследования. Вместе с тем при обследовании металлокон-

1033

струкций можно без особых затруднений измерять глубины трещин до

100...120 мм.

Метод прогораемых полос. На объект обследования из бетона или камня наносят лаковую полосу (водная эмульсия порошкового серебра и синтетической смолы), которая не хрупка, а ее сопротивление при размерах 0,5x10x300 мм приблизительно 10 Ом. Через полосу пропускают ток около 10А. Выделяющееся при этом тепло передается поверхности объекта обследования. Там, где имеются трещины, резко уменьшается теплопроводность между лаковой полосой и поверхностью объекта обследования, в результате участок лаковой полосы разогревается и прогорает.

Если после этого увеличить напряжение, подводимое к полосе, происходит дугообразование в зоне прогара, в связи с чем размер прогара существенно увеличится, став видимым невооруженным глазом.

Как показали эксперименты, этим методом можно обнаружить трещины с шириной раскрытия порядка 10 мкм. Ширина раскрытия уже имеющихся в объекте обследования трещин не должна превышать 100 мкм, в противном случае лак проникает в трещину, снижая электрическое сопротивление участка полосы в зоне трещины, что препятствует прогоранию полосы.

Метод разрываемых датчиков. Применяются наклеиваемые на объект обследования датчики, выполненные из тонкой медной эмалированной проволоки (20 – 50 мкм) или в виде узкой фольговой полоски из константана, подвергнутого отжигу при специальном режиме. Полоски могут иметь различную форму (рис. 4.32). Константановая фольга приклеена к

лаковой основе. Технология производства таких датчиков подобна технологии изготовления фольговых тензорезисторов. В основе ее лежит фотохимический процесс, по-

зволяющий получать

Рис. 4.32. Разрываемые датчики датчики с чувствитель-

ными элементами любой формы. Нити датчиков имеют ширину 0,15...0,5 мм и толщину 10...15 мкм. Датчики приклеивают перпендикулярно предполагаемому направлению трещины. При образовании трещины или ее развитии происходит обрыв проволоки или фольги, что может быть дистанционно зарегистрировано простейшей электрической схемой. Датчики из фольговых нитей позволяют предсказывать усталостные повреждения объектов обследования,

1034

т.к. у этих датчиков происходит резкое изменение сопротивления при определенном числе циклов нагружения объекта обследования.

Ультразвуковой метод. Используются известные в строительстве импульсные ультразвуковые приборы. Для обнаружения трещин и их глубин в бетоне обычно применяют поверхностное прозвучивание. База – расстояние между ультразвуковыми датчиками – обычно составляет 120...400 мм. О наличии трещины свидетельствует изменение времени распространения ультразвуковых колебаний на базе измерения. Для обнаружения трещин удобнее использовать приборы с датчиками на фиксированной базе и сухим контактом

где l – база установки датчиков; tд , t0 – время распространения ультразвуковых колебаний в бетоне на базе l при наличии и отсутствии дефекта (трещины).

Метод акустической эмиссии. Метод базируется на оценке процесса излучения волн напряжения, обусловленного возникновением и развитием дефектов структуры материала объекта обследования. Анализ параметров акустической эмиссии позволяет обнаруживать различные дефекты, оценивать их размеры и степень опасности, прогнозировать уровень разрушающей нагрузки и ресурс строительных конструкций. Основную информацию о возникновении дефекта содержит амплитуда импульса акустической эмиссии. Строительные материалы, как правило, отличаются довольно большим затуханием сигналов ультразвуковых частот, поэтому можно воспринимать сигналы акустической эмиссии в зоне, ограниченной радиусом 2...5 м. Появившийся и развивающийся дефект обследуемой

1035

конструкции излучает импульсы акустической эмиссии, с помощью нескольких разнесенных датчиков можно определить местоположение источника сигнала (дефекта). Один из недостатков метода – довольно высокая стоимость приборов для оценки акустической эмиссии, поэтому их используют не часто.

При выборе методов обнаружения трещин и их развитии нужно учитывать следующие показатели:

разрешающую способность методов и средств;

возможность дистанционного наблюдения и регистрации показаний;

трудоемкость установки датчиков;

пригодность для мониторинга конструкций оценивается надежностью (безотказность, сохраняемость, соответствие срока службы требуемой длительности мониторинга);

стоимость датчиков и вторичных средств измерения.

4.4.3.Перспективный мониторинг и управление объектами ЖКХ

исистемами безопасности

дистанционно управлять исполнительными устройствами при возникновении внештатных ситуаций. Информация с датчиков, счетчиков расхода воды и электроэнергии может поступать как по запросу диспетчера, так и автоматически в заданные моменты времени на центральный процессор

1036

системы «ADA», а оттуда – в единый расчетный центр, который будет определять стоимость услуг каждого отдельного потребителя.

При этом единый расчётный центр будет принимать не написанные от руки данные, а точные сведения, снимаемые со счетчиков автоматически, без участия человека, что существенно повысит точность и достоверность используемой информации.

Система «ADA» размещается в отдельном блоке (рис. 4.35). Блок монтируется в непосредственной близости от контролируемого объекта. В блоке находится источник питания от сети переменного тока – 220 В, обеспечивающий бесперебойную работу системы при отсутствии сетевого напряжения питания за счёт введения в его состав аккумуляторной батареи. Для автоматической подзарядки аккумуляторной батареи в составе устройства присутствует узел автоматической подзарядки, который отключается при достижении достаточного уровня зарядки аккумуляторной батареи. Для автоматического отключения прибора при снижении напряжения на аккумуляторной батарее (при её разрядке) ниже заданного критического уровня существует узел отключения работы системы от аккумулятора. Все состояния, происходящие в системе питания, фиксируются в основной памяти процессора, а критические (пропадание напряжения и полный разряд аккумулятора) передаются на компьютер диспетчера. Основной блок включает в себя также часы реального времени с независимым автономным питанием, поэтому период, в который устройство находилось без основного питания, также будет известен диспетчеру.

Допуск к работе системы осуществляется с помощью пароля, устанавливаемого либо вручную с клавиатуры, либо по команде диспетчера. С помощью встроенной системы меню производится гибкая настройка системы на конкретные виды подключаемых датчиков и исполнительных устройств, определяются списки потребителей информации с возможностью сортировки и приоритетов её получения. После конфигурирования системы производится установка в режим эксплуатации.

Информация, сформированная в процессоре, отправляется на передающее устройство, в качестве которого применён сотовый телефон. Рассматриваемая система использует только официальные услуги и тарифные планы, представляемые операторами сотовой связи, а также сотовые аппараты, либо отдельные модули GSM-модемов, предлагаемые к продаже в официальной торговой сети, без каких-либо доработок как в конструктивной части, так и в программном обеспечении. Прием информации осуществляется на сотовый телефон, возможно, другой модели, подключённый к персональному компьютеру. Обработка

1037

поступающей информации производится при помощи программного обеспечения «АРМ диспетчер», входящего в состав системы.

Функциональные возможности системы «ADA»:

получение данных со счетчиков расхода воды и электроэнергии, установленных на объектах, используя GSM-модуль как в автоматическом, так и в ручном режиме;

ведение полного архива полученных данных по расходу электроэнергии, тепла и холодной воды за весь период работы по каждому контролируемому объекту;

формирование и выдача отчетов в установленной форме по расходу электроэнергии, теплой и холодной воды за заданный период по каждому контролируемому объекту;

получение информации о срабатывании датчиков систем охраны;

ведение архива срабатываний аварийных датчиков с фиксацией времени подтверждения аварии диспетчером;

каскадирование и наращивание числа контролируемых объектов. Беспроводная связь позволяет использовать диспетчерский центр в

зоне действия сети оператора сотовой связи как в стационарном, так и в мобильном варианте. Полученную информацию можно отфильтровывать и направлять в различные центры контроля, анализа, управления, охраны и т.п.

Всостав системы контролируемого объекта входят:

шкаф с системой управления и передачи информации в антивандальном корпусе;

счётчики расхода электроэнергии, горячей и холодной воды;

датчики задымления, температуры и влажности;

магнитно-контактный датчик;

брелок Touch Memory,

ав состав диспетчерского центра:

персональный компьютер;

программный комплекс АРМ-диспетчера;

мобильный телефонный аппарат, подключенный к компьютеру.

Предлагаемая система может быть перенастроена для решения других задач с учетом пожеланий заказчика путем замены видов датчиков и программного обеспечения системы.

Имея такую систему, муниципальные власти могут свести к минимуму риск возникновения внештатных ситуаций и существенно повысить безопасность жилого и производственного фондов при умеренных финансовых затратах.

1038

4.4.4. Практические задачи по организации системы строительного мониторинга

Оптический тестер

Комплекс волоконно-оптических датчиков представляет собой оптический тестер, обеспечивающий недорогой способ контроля по принципу «норма–тревога», главным элементом которого является волоконно-оптический световод. Топология укладки световода позволяет охватить весь объем фундаментной плиты или другой анализируемой конструкции. Для закрепления в фундаментной плите световод привязывают к прутам арматуры снизу до заливки бетонной массы. Возможная топология укладки световода в фундаментную плиту представлена на рис. 4.36.

Рис. 4.36. Топология укладки световода при мониторинге

Комплекс волоконно-оптических датчиков состоит из трех основных частей:

источника излучения;

волоконно-оптического световода;

измерителя оптической мощности (приемника).

Источник излучения, содержащий светодиод, генерирует световой луч, который, проходя по световоду, теряет некоторую часть своего потока вследствие ряда причин и, в частности, в результате внешнего воздействия на световод. Любое механическое или тепловое воздействие на световод порождает геометрическое изменение его формы или микроповреждение, что автоматически влечет изменение мощности светового потока, фиксируемой измерителем. На этом основан принцип мониторинга контролируемого фрагмента конструкции, реализуемый волоконнооптическим датчиком. При достижении заданного критического значения, показывающего наличие предельной механической или тепловой нагрузки

1039