УДК 624.01/.04:658.562
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ИНЖЕНЕРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ. ПРАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ
Ф. А. Егоров, А. П. Неугодников, В. А. Быковский, Ю. А. Туляков, С. П. Шерстюк
С помощью современных технологий волоконной оптики, оптоэлектроники, обработки и передачи сигналов разработана автоматизированная система мониторинга инженерных конструкций (СМИК), предназначенная для контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) несущих конструкций строительных сооружений. Представлены результаты, полученные в ходе длительной (более 5 лет) эксплуатации СМИК — мониторинга НДС несущих конструкций уникального спортивного объекта — Ледового Дворца "Уральская Молния" в г. Челябинск. Показано, что данные СМИК играют важную роль при планировании профилактических и оптимизации ремонтно-восстановитель-ных работ, способствуя как более точному определению их фактического объема, так и объективному контролю их качества.
Ключевые слова: строительные сооружения, безопасность, несущие конструкции, системы мониторинга, напряженно-деформированное состояние, волоконно-оптические датчики деформаций.
ВВЕДЕНИЕ
Важную роль в обеспечении безопасной и эффективной эксплуатации уникальных, ответственных строительных сооружений играет мониторинг технического состояния несущих конструкций путем контроля широкого набора локальных и интегральных параметров, ха-растеризующих состояние как отдельных элементов, так и всей конструкции в целом [1—3]. К таким параметрам относятся, прежде всего, механические напряжения, деформации в основании и элементах несущей конструкции здания (грунты, сваи, фундаментная плита, колонны, стены и т. д.); параметры собственных колебаний и передаточные характеристики сооружения (формы колебаний, спектр частот, декременты затухания, скорость распространения возмущений).
Современные автоматизированные системы мониторинга инженерных конструкций (СМИК) могут осуществлять
непрерывное измерение контролируемых параметров в реальном времени и хранение больших объемов полученных данных, что позволяет формировать электронный "паспорт" объекта, в котором фиксируется не только его текущее состояние, но и содержится вся история с момента пуска СМИК. Именно благодаря непрерывности регистрации и сохранению данных возможно выявление определенных тенденций ("трендов") в поведении объекта и обнаружение всех заметных отклонений напряжений и деформаций от проектных значений, включая кратковременные, но значительные импульсные скачки, которые могут негативно влиять на прочность, надежность и срок службы объекта.
Отметим, что в случае традиционного мониторинга, когда имеются значительные временные интервалы между моментами контроля, наличие пауз в контроле может существенно снизить вероятность выявления
указанных негативных событий, что является серьезным недостатком, поскольку несущий элемент, испытавший по некоторым причинам несколько циклов нагрузка—разгрузка с запредельными значениями напряжений (деформаций), может в значительной степени утратить несущую способность и надежность несмотря на визуальную целостность. Кроме того, электронный паспорт технического состояния может играть важную роль при оценках остаточного ресурса объекта (степени износа), его надежности, прочности, а также при планировании профилактических или ремонтно-восстановительных работ.
Системы мониторинга, как правило, включают контрольно-измерительные средства (датчики) разных видов, при этом для повышения достоверности результатов измерений и надежности систем целесообразно применение датчиков, основанных на разных физических принципах, например, струнных [4]
и волоконно-оптических [5, 6], позволяющих реализовать также дублирование системы контроля критически важных параметров. Оптимальный набор контролируемых величин и соотношение разных видов датчиков в СМИК зависит от особенностей конструкции сооружения, условий эксплуатации, назначения объекта, характера внешних воздействий и т. д.
В настоящей работе на основе многолетнего опыта эксплуатации СМИК, разработанной ООО НПК "Мониторинг-центр" (Москва), установленной на уникальном спортивном сооружении "Уральская молния", расположенном в Челябинске, показана высокая эффективность и надежность СМИК, обеспечивающей возможность непрерывного контроля в реальном времени состояния несущей металлоконструкции сооружения как в обычных, так и в экстремальных условиях; продемонстрирована высокая эффективность СМИК при проведении ремонтно-восстанови-тельных работ. Отметим, что особенностью данного объекта является то, что 15 февраля 2013 г. он подвергся воздействию мощной ударной волны от Челябинского метеорита, четко зарегистрированного СМИК по изменению НДС объекта.
ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА
Разработанная СМИК представляет собой автоматизированную многоканальную многопараметрическую контрольно-измерительную систему, которая, в общем случае, включает: комплекс измерения контакт-
ных напряжений (давления) в грунтах; комплекс измерения напряжений и деформаций в элементах несущей конструкции; комплекс измерения угловых отклонений от местной вертикали; комплекс контроля колебаний (акселерометры, виброметры, сейсмометры); комплекс контроля климатических параметров (метеостанция). Все измерительные комплексы, входящие в состав СМИК, разработанной ООО "НПК "Мониторинг-центр", базируются на метрологически аттестованных средствах измерений отечественного производства. К настоящему времени подобные СМИК установлены и успешно функционируют на ряде других уникальных строительных сооружениях находящихся как в России, так и за рубежом. Это например, высотные здания на участках № 2, 3 и № 14 ММДЦ "Москва-Сити"; гостиничный комплекс "Пушкинский" (г. Донецк, Украина); гостинично-ад-министративный комплекс в Астане (Республика Казахстан).
Отметим также, что входящие в состав СМИК волоконно-оптические датчики деформаций и давления продемонстрировали высокую эффективность в задачах контроля процессов уплотнения грунтов [7] и исследования НДС секций магистрального трубопровода [8].
Ледовый дворец "Уральская Молния" представляет собой уникальное строительное сооружение, составленное из металлоконструкций с использованием сварных и шарнирных соединений. С учетом специфики несущей конструкции данного объекта для контроля НДС его основных несущих элементов
разработан упрощенный вариант СМИК, включающий 36 волоконно-оптических датчиков деформаций (е = А1/1), установленных на наиболее нагруженные и ответственные элементы конструкции. Схема расположения датчиков на объекте представлена на рис. 1.
Основные технические характеристики датчиков
Измерительная база,
мм.............300
Диапазон измеряемых деформаций,
е = А///..........(-3,3...+3,3)-10-3
Основная погрешность измерений, %,
не более.........1,5
Постоянная времени, с, не более . . . . 0,3 Удаленность объекта
контроля, км......До 1
Температура эксплуатации, °С........-40...+80
Влажность при эксплуатации, %.....0...100
Срок службы, лет, не менее ......... 15
Каждый пролет контролируется, по крайней мере, с помощью двух датчиков. В соответствии с расчетными (проектными) данными наиболее нагруженные элементы расположены в центральной зоне, в частности, пролет 8, на котором установлено 6 датчиков (см. рис. 1, б). В качестве иллюстрации работы СМИК на рис. 2 показаны фрагменты графиков относительных деформаций контролируемых элементов за период с 1 ноября 2009 г. по 30 апреля 2010 г.
Видно, что в указанном временном интервале деформации стабильны, находятся в пределах нормы, при этом датчики центральной зоны указывают на повышенную нагрузку, что коррелирует с проектными значениями. Устойчивых тенденций монотонного возрастания на-
грузки или наоборот — разгрузки каких-либо элементов не наблюдается. При этом следует отметить, что на начальном этапе мониторинга наблюдался непрерывный рост деформаций в зоне расположения датчика 26П. С целью повышения достовер-
ности результатов измерений в указанную зону был установлен дополнительный дублирующий датчик 26П1, который также подтвердил тенденцию роста деформаций. Затем, с течением времени наклон отмеченного тренда постепенно уменьшался
и через год после начала эксплуатации объекта отклонения не превышали уровень погрешности измерений, свидетельствуя о завершении достаточно длительных релаксационных процессов на данном участке сооружения.
Интересно отметить, что Фурье анализ зависимостей е (?) показывает наличие спектральной компоненты колебаний деформаций с периодом Т = 1 сут., что, вероятно, обусловлено изменениями напряжений в металлоконструкции вследствие суточных изменений распределения температуры в пределах сооружения.
Фрагмент данных, приведенных на рис. 2, интересен также тем, что на нем четко зарегистрированы моменты выпадения снега на крышу стадиона (начало января 2010 г.) и момент схода снега с крыши (конец марта 2010 г.), которые были зафиксированы также независимыми наблюдениями. Эти события на графиках проявляются в виде скачков деформаций в контролируемых элементах, свидетельствующих о появлении дополнительной нагрузки (или разгрузки) на крышу.
Примечательно, что численные оценки дополнительных деформаций (Де « 150 це), обусловленных массой (весом) слоя влажного снега на крыше, рассчитанного исходя из данных метеосводки на указанные даты, находятся в качественном согласии с измеренными значениями.
Отметим, что при наличии достаточного массива данных СМИК применение современных методов решения обратных задач и корреляционного анали-
6П, ¡Г ■10П ч 1 5)26П с: 1 3
Б1- 1 — :10П| 9=
Б2- "5П1 9— -5П- »— 21П1 ¡)— 26П| )-
А2 1П* Зп ¡)—-п й- 7П ¡)- 11П| 13П 1 19Па 23П й- 27П1 29П ¡31П 33П
А1- 2П И 4П й- 8П Й- 12П -1 15П§| ^ПКт ,17^20П А- 24П 1 а— 28П _ П .30П ¡,32П 11 ,34П
18П-
-
а)
14П ^
4300 17П 16П - 17П 13П-
41700
41700
б)
Рис. 1. Общий план расстановки датчиков (в) —@ — поперечные пролеты-фермы) и схема расположения датчиков на 8-м пролете (б)
Б = А///, цб (б = 10 6 = 1цб) 600
Выпадение
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.