Главный pедактоp — д^ техн. наук, пpоф. В. Ю. Кнеллеp
УДК 681.78
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ В СИСТЕМАХ МОНИТОРИНГА СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ
Л. Н. Коломиец, Т. И. Мурашкина, И. В. Рубцов
Рассмотрены возможности волоконно-оптических датчиков с точки зрения охвата физико-механических параметров, обеспечения высокой точности и возможности работы в специфических условиях мониторинга строительных объектов.
ЖУРНАЛ В ЖУРНАЛЕ
Измерения [Контроль
Автоматизация: СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ
ВВЕДЕНИЕ
Для строительных объектов характерны неуклонное возрастание сложности конструкций, распространение нетрадиционных архитектурных форм, увеличение высотности сооружений, увеличение насыщенности и сложности внутренней среды и т. п. Возрастают требования к сокращению материалоемкости и улучшению тепломеханических показателей. Все это существенно повышает требования к качеству строительных работ на всех стадиях — от изыскательских работ до завершения строительства и последующей эксплуатации.
В новых условиях возникает необходимость непрерывного контроля параметров состояния конструкций строительного объекта (напряжений, деформаций и т. п.), что позволяет осуществлять моделирование объекта, прогнозирование развития неблагоприятных процессов и т. п.
Решение этих задач обеспечивается новым направлением контроля — текущим, непрерывным инструментальным мониторингом строительных объектов (конструкций). Система мониторинга — это многопараметрическая система реального времени с элементами моделирования и прогнозирования, охватывающая контролем наиболее ответственные части строительного объекта. Система мониторинга должна следить как за нагрузками,
действующими на конструкцию, так и за состоянием материалов этой конструкции — бетона, металла и т. п. Сопоставление значений этих величин позволит судить о надежности конструкции, а прогноз изменения нагрузки и свойств материала, полученный по результатам долговременных наблюдений, позволит говорить о надежности конструкции в некоторой перспективе. Это позволит оперативно вмешиваться в работу конструкции и не допустить малейшего проявления нарушений в ее работоспособности, которая обусловлена появлением трещин, недопустимых деформаций или иных признаков, свидетельствующих о нахождении конструкции в неблагоприятных условиях.
В динамично развивающейся городской среде, характеризующейся ростом техногенных нагрузок на строительные объекты, достоверная информация о ресурсе сооружений является необходимым условием предупреждения нештатных ситуаций, включая и аварийные. Особую роль мониторинг технического состояния зданий и сооружений имеет для крупных мегаполисов. В силу масштабов и темпов строительства уникальных сооружений в условиях крайне ограниченной территории Москва является лидирующим центром по применению методик мониторинга строительных объектов.
Мониторинг — система технически обоснованных и экономически оправданных наблюдений за факторами воздействия, сопротивления этому воздействию и за иными интегральными показателями, определяющими работоспособность и заданную надежность сооружения, производимых с периодом при котором вероятность возникновения неблагоприятного события или проявления его последствий ничтожно мала [1].
Проводимые расчеты позволяют создать конструкцию, оптимальную как по материалу, так и по геометрии, и сделать сооружение практически равнопрочным. Контролировать все элементы конструкции объекта практически невозможно. Необходимо обеспечить контроль наиболее загруженных участков, выделить в любой конструкции и в любом элементе конструкции зоны с повышенным напряжением. Это одно из условий выбора мест для установки чувствительных элементов, которые позволяют контролировать механические напряжения, что, по сути, является основным показателем состояния конструкции объекта. Совпадение расчетных и фактических значений показывает верность расчетов и благополучие конструкций, значительная разница требует принятия соответствующих мер к объяснению причин несовпадения, их анализу и принятию технически адекватных данной конкретной ситуации решений [2].
Необходимо контролировать не только воздействие, но и сопротивление этому воздействию [3, 4]. В научно-практических работах, посвященных мониторингу, рассматривается лишь воздействие и практически не говорится о сопротивлении этому воздействию.
Критерии мониторинга определяются следующим образом.
1. Необходим мониторинг критических частей строительного объекта. Критическими частями являются строительные конструкции, которые функционируют в аварийном режиме или продуцируют отказ частично или полностью.
2. Знания о состоянии одной или нескольких строительных конструкций недостаточно для формулирования выводов, касающихся поведения строительного объекта в целом, поэтому мониторингу следует подвергать репрезентативное количество строительных конструкций.
3. Мониторинг должен охватывать весь жизненный цикл объекта, включая период монтажа. Система мониторинга такого типа должна иметь соответствующие характеристики, включая высокую точность и долговременную стабильность.
4. Выбранная система мониторинга должна быть разработана для мониторинга строительного объекта; она не должна быть подвержена влиянию локальных дефектов бетона, таких, как трещины и воздушные пустоты.
5. Бюджет, соответствующий операциям мониторинга, ограничен. Чаще всего проект содержит некоторые неясности и подвержен развитию и изменениям; поэтому следует ограничивать количество устанавливаемых датчиков и сконцентрироваться на результатах, полученных от этого ограниченного числа датчиков для оценки метода и улучшения его характеристик.
6. По техническим и эстетическим причинам не разрешается датчикам и кабелям или каким-либо выходам находиться на видимой поверхности строительной конструкции.
Представленные критерии важны для определения стратегии мониторинга, включая выбор системы мониторинга, определение типов датчиков и их местоположения, обоснование схемы измерений и алгоритмов обработки данных.
При выборе типа датчиков обязательно должны быть выполнены критерии 3, 4 и 6. Согласно критерию 3 датчик должен быть долговечным с высокой стабильностью, следовательно, должен быть защищенным от коррозии, влажности, температурных перепадов и электромагнитных полей. Согласно критерию 4 выбранный датчик должен иметь длинную базу, а в соответствии с критерием 6 он должен быть заделан в бетон.
Строительная наука и практика в области градостроительства, инфраструктуры наземных транспортных коммуникаций, возведения сооружений в сейсмоопасных регионах, сооружения атомных станций и других актуальных приложений выявила широкий круг вопросов, связанных с обеспечением безопасности, требующих концептуального и практического построения систем мониторинга нового поколения.
Для этих целей волоконно-оптическая информационно-измерительная система представляет собой наиболее привлекательный и перспективный инструмент для создания систем мониторинга строительных конструкций различного назначения.
В статье рассматриваются возможности информационно-измерительных систем с использованием волоконно-оптических датчиков с точки зрения охвата физико-механических параметров, обеспечения высокой точности и возможности работы в специфических условиях мониторинга строительных объектов.
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
СИСТЕМЫ
Мониторинг строительных конструкций с помощью волоконно-оптических информационно-измерительных систем активно развивается за рубежом. Интересен анализ европейских и американских работ, полученный в результате установки
ВОК ВОК
ВОК ВОК
ВОК ВОК
ОМИБ-1.1 КРК -р- ОМИБ-1.2 Uh КРК -р- ОМИБ-1.П kh КРК -р-
иъ иъ
ОМИБ-2.1 КРК Рн ОМИБ-2.2 КРК Рн ОМИБ-2.П КРК рн
ОМИБ-mJ цъ КРК РН iA ОМИБ-m.2 Kb КРК рН iA... ОМИБ-m.n иъ
я-
ОЭБ
Ф=>
СИСТЕМА ТЕЛЕМЕХАНИКИ
ж
ПК
External PC
Рис. 1. Обобщенная структурная схема многоканальной каскадной системы мониторинга
с
с
с
волоконно-оптических датчиков в строительные структуры наиболее распространенных типов, в том числе мосты, туннели, дамбы, сваи, высотные здания, исторические памятники, атомные предприятия и др. [5]
В России ведутся работы по совершенствованию и созданию различных волоконно-оптических устройств, систем, их компонентов, а также технологии изготовления оптических волокон. Достаточно отработаны и уже широко используются волоконно-оптические телекоммуникационные системы. Ведутся интенсивные разработки в области создания волоконно-оптических информационно-измерительных систем, обеспечивающих более эффективную передачу информации о состоянии объекта в сравнении с традиционными системами сбора и преобразования информации в условиях воздействия сильных электромагнитных помех, повышенной пожаро- и взрывоо-пасности [6].
Обобщенная структурная схема многоканальной, каскадной системы мониторинга, представлена на рис. 1.
Основные элементы измерительной системы — волоконно-оптический датчик ВОД (далее — датчик), который состоит из оптомеханического измерительного блока ОМИБ и оптоэлектронного блока ОЭБ, разнесенных с помощью волоконно-оптического кабеля ВОК на расстояния от нескольких метров до единиц километров. Коммутационно-распределительные коробки КРК предназначены для коммутации оптических устройств между собой с использованием основных и резервных ВОК. Кроме того, необходимы специальные линии для связи между электронным блоком, промышленным контролером ПК, системой телеме-
ханики и диспетчерским пунктом, которые в совокупности с вышеуказанными элементами и линией связи образуют измерительную систему [7].
Благодаря тому что в измерительной системе каждый отдельный удаленный измерительный блок соединен достаточно протяженным волоконно-оптическим кабелем с электронным блоком, можно проводить измерения в предельно жестких условиях окружающей и измеряемой среды: в условиях высоких температур и радиации, жесткой электромагнитной обстановки, пожарной и взрывоопасной обстановки, при этом обеспечивается гальваническая развязка. Возможность расположения электронного б
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.