CC BY
91
УДК 626/627.03.042.019.3
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И АППАРАТУРЫ
ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОНИТОРИНГА
ПЛАНОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ МОРСКИХ ПРИЧАЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Павел Андреевич Гарибин
Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова, 198035, Россия, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7, доктор технических наук, профессор кафедры гидротехнических сооружений, конструкций и гидравлики, тел. (921)596-08-47, e-mail: garibin@mail.ru
Евгений Олегович Ольховик
Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова, 198035, Россия, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7, кандидат технических наук, доцент кафедры основ инженерного проектирования, тел. (921)952-12-30, e-mail: olhovikeo@gumrf.ru
В современной практике строительных проектов портовых сооружений на арктическом шельфе случаются отклонения строительных конструкций от планового положения как на этапе строительства, так и в процессе эксплуатации. В зимний период на деформации причалов влияет мощное воздействие ледовых нагрузок, измерение и контроль которого с использованием традиционных методов геодезической съемки затруднительно. Цель данного исследования заключается в автоматизации процедуры мониторинга планового положения строительных конструкций. В статье предлагается способ и устройство для автоматизированного мониторинга технического состояния строительных элементов геотехнических инженерных сооружений морского транспорта. В результате появляется возможность учета сложного воздействия на конструкцию причальной стенки, исследования силовых и деформационных характеристик, взаимосвязи которых пока полностью не изучены. Высокие грузовые нагрузки, ограниченный период использования в период летней навигации, отсутствие научной поддержки строительных проектов - все это приводит к обоснованной необходимости применения автоматизированных средств мониторинга планового положения конструкций как альтернативы регулярных инструментальных наблюдений.
Ключевые слова: арктические причалы, причальная стенка, система мониторинга, техническое состояние, плановое положение.
DEVELOPMENT OF THE METHOD AND APPARATUS
FOR AUTOMATED MONITORING OF THE PLANNED POSITION
OF MARINE BERTHING FACILITIES
Pavel A. Garibin
Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping, 198035, Russia, Saint-Petersburg, 5/7 Dvinskaya St., D. Sc., Professor, Department of Waterworks, Construction and Hydraulics, tel. (921)596-08-47, e-mail: garibin@mail.ru
Evgeniy O. Ol'khovik
Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping, 198035, Russia, Saint-Petersburg, 5/7 Dvinskaya St., Ph. D., Associate Professor, Department of Fundamentals of Engineering Design, tel. (921)952-12-30, e-mail: olhovikeo@gumrf.ru
In current practice of construction projects Arctic offshore pier may be deviations from the planned situation building structures as during the construction phase and during operation. In winter period there is a powerful influence ice loads, measuring and control that with traditional method of surveying extremely difficult. The objective of this research is to automate monitoring procedure of building structures. Article suggests a new method and apparatus for automated health monitoring of construction elements of geotechnical engineering structures of maritime transport in the Arctic port piers. Maritime port located on the Arctic shelf is exposed to difficult environmental impact, the study and the characteristics of which are not fully understood. High freight load, a limited period of use in the summer navigation, the lack of scientific support for the project, all this lead to the need to perform regular observations of engineering.
Key words: Arctic port pier, quay walls, monitoring system, technical state, plane position.
Введение
В статье предложены методы и технологии в области автоматизации геодезического мониторинга портовых гидротехнических сооружений, основанные на инструментальном определении плановых смещений основных конструктивных элементов. Предлагаемые сетевые дифференциальные решения позволяют создавать местные системы контроля планового положения и соответственно технического состояния.
Применяемые строительные решения для арктических портовых сооружений имеют распространенную структуру причальных стенок, поскольку такая конструкция является более простой и быстровозводимой, чем строительство гравитационных гидротехнических сооружений, которые являются более сложными при вынужденной доставке крупногабаритных и тяжелых строительных материалов.
Установка шпунтовой стенки в условиях вечной мерзлоты является сложной задачей, поскольку прибрежные грунты нестабильны и испытывают не только большие давления при перевалке морских грузов, но и геоэкологическую нагрузку.
В последние несколько лет задачи автоматизации мониторинга планового положения конструкций опасных и особо опасных сооружений стали систематизироваться на уровне сводов правил [1] и стандартов [2]. Поскольку все более важным становится вопрос об экологических ограничениях при эксплуатации [3] и экстремальных явлениях, таких как волновое воздействие, грузовое воздействие или навал судна.
Общие перемещения элементов, такие как деформации причальной стенки или ее движения, влияют на стабильность всей конструкции. Локальные деформации влияют на структурную стабильность всей конструкции и могут привести к полному разрушению или снижению грузоподъемности. Таким образом, контроль целостности существующих шпунтовых конструкций является абсолютно необходимым в виде мониторинга планового положения.
В настоящее время структурная технология мониторинга технического состояния строительных конструкций активно развивается в виде непрерывного
геодезического мониторинга [4]. Существующие устройства контроля углов наклона имеют ряд недостатков, основными из которых являются высокая стоимость и закрытость технологий обмена и обработки данных [5]. Кроме того, большинство измерительных систем не позволяют определить пространственную структуру отдельных ситуационных элементов как части целого комплекса сооружения, поскольку они не имеют «сшитую» структуру сети для обработки и анализа данных об изменении геометрических параметров во времени.
Metzger, Hutchinson и Kwiatkowski в работе [6] предложили систему измерения набора параметров для контроля геометрии причала при воздействии морского судна. Это наиболее полная и совершенная система, но она требует специальной связи с судном, т. е. установки на него дополнительного оборудования. Авторы в работе [7] рассмотрели влияние уровня воды на вибрационные характеристики гравитационных портовых сооружений путем анализа модальных параметров. Van der Linden, Emami-Naeini и др. в работе [8] описали методы анализа для определения оптимального размещения инклинометров для измерений деформаций и их оценки, приводятся результаты модельных испытаний, но окончательные выводы относительно оптимальной структуры сенсорной сети не могут применяться для произвольной конструкции. Ichii, Kitade и др. в работе [9] приводят результаты исследований состояния различных портовых сооружений, при этом в качестве схемы мониторинга технического состояния используется оценка обратной засыпки шпунтовой причальной стенки, которая является основным компонентом конструкции. Было установлено, что в результате коррозии замков шпунтовых свай происходит вымывание мелких частиц засыпки, что является серьезной проблемой, которую необходимо учитывать для поддержания безопасности причальной стенки. По результатам численного моделирования с использованием метода конечных элементов (МКЭ) в динамической постановке были рассчитаны деформационные изменения в пирсе. Результаты анализа были сопоставлены с результатами прямых измерений в естественных условиях.
Методика и аппаратура
В данном исследовании мы предлагаем новый метод для оценки технического состояния конструкции причальной стены за счет постоянного измерения локальных деформаций (углов наклона) на линии кордона причала. Для достижения цели был реализованы следующие подходы и модели. На первом этапе была разработана упрощенная модель шпунтовой стенки, имеющая условную кинематическую степень свободы в выбранных направлениях, для которых строятся все измерения отклонений от планового положения в виде сетевой структуры, которая, в свою очередь, соответствует набору установленных измерительных датчиков.
На втором этапе используется алгоритм, основанный на идентификации измеренных углов наклона элементов шпунтовой стенки. Это позволяет сфор-
мулировать более точную модель с помощью дополнительного анализа упругих свойств и структурной жесткости причальной стенки. На третьем этапе выполняется прогноз технического состояния шпунтовой конструкции с уточнением параметров деформации и сравнением с результатами натурных измерений. На каждом этапе возможен учет дополнительных параметров, которые определяют условия эксплуатации причала, например размещение груза.
Реализация такой чувствительной сети позволяет на постоянной основе следить за техническим состоянием сооружения в автоматическом режиме и снизить затраты на инженерно-технический персонал, что важно для арктических портовых сооружений в рамках длительного зимнего периода, когда натурная геодезическая съемка затруднена из-за суровых климатических условий. Также, с использованием разработанной системы, мониторинг планового положения осуществляется в режиме реального времени с выводом на монитор диспетчера основных сведений.
Измерительной основой системы мониторинга является разработанный датчик, аппаратно-структурная схема которого представлена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема цифрового инклинометра для измерения угла отклонения контролируемых элементов причальной стенки
Предлагаемый датчик выполнен в герметичном корпусе из немагнитного материала (литой алюминиевый сплав), внутри которого расположены трехосный микромеханический акселерометр, гироскоп и магнитометр (компас). Каждая из чувствительных осей акселерометра коллинеарна оси магнитометра и оси гироскопа. Дополнительно в устройстве установлены датчик температуры, влажности и барометрического давления. Это позволяет выполнять коррекцию измерений в зависимости от метеорологических условий. Подробная схема устройства показана на рис. 1, поскольку датчик основан на применении «open
source» компонентов, то раскрыта спецификация всех компонентов. Разработанный датчик имеет стандартный сетевой интерфейс и может быть подключен через маршрутизатор к сети интернет для следующей передачи данных на сервер. Технические характеристики сервера для приема и сбора данных минимальны, возможно использование как локального, так и удаленного сервера. Фото разработанного датчика представлено на рис. 2.
rj
Рис. 2. Фотография цифрового инклинометра (измерительный датчик) в составе автоматизированной системы мониторинга технического состояния
Разработанная автоматизированная система регистрирует опасные угловые перемещения шпунтовой стенки в режиме реального времени и хранит все данные о деформациях на специальном сервере, что является важной информацией для дальнейших расчетов и оценки условий безопасной эксплуатации причала. Разработанное оборудование (см. рис. 1) включает в себя микроконтроллер ЛУЯ ATmega328 и измерительные датчики, которые способны обнаружить угловое смещение в месте установки. Каждый измерительный модуль содержит микромеханический акселерометр (МРЦ-6050), магнитный компас (ИМС-5883Ь), датчик температуры (ВИТ-22), влажности и атмосферного давления (ВМР-085). Вместе они обеспечивают регистрацию объективной информации о большинстве явлений, которые влияют на безопасность морского причала.
Основные задачи системы мониторинга планового положения
Большинство нормативно-правовых документов предполагают, что морские портовые сооружения [2] потенциально опасны как строительные конструкции. Тогда для сооружений высокого класса опасности рекомендуется ис-
пользовать автоматизированную систему мониторинга [1] независимо от глубины у причальной стенки. Для арктических условий вахтовый метод работы и длительный период отсутствия персонала на объекте делают практически невозможным выполнение требований [2] по проведению периодических проверок технического состояния. Аналогичные задачи соответствуют стационарным и гравитационным платформам на арктическом шельфе.
Научная методология организации системы непрерывного автоматизированного мониторинга технического состояния гидротехнических сооружений водного транспорта была предложена в работах [10-12] и представляет собой ряд разработанных структурных схем для автоматизации измерений. Суть предлагаемой детерминированной модели для оценки технического состояния портовых сооружений представляется нами в следующем виде: «автоматизированный мониторинг технического состояния» - «комплексная модель оценки технического состояния» - «прогнозные модели».
Новая разработанная модель позволяет обеспечить безопасность эксплуатации гидротехнических сооружений уже на другом практическом уровне и дает качественный прогноз на заданный период времени, т. е. реализует концепцию анализа жизненного цикла. Методы совместных инклинометрических и динамических наблюдений являются частью комплексного подхода, который позволяет дать надежную и обоснованную информацию о техническом состоянии причальных стенок.
Рис. 3. Расчетная деформация шпунтовой стенки
Расчетная модель
Модельные плановые перемещения и деформации причальных стенок можно рассчитать с достаточной точностью с использованием специализированного программного обеспечения (например, GeoWall (http://geo-soft.ru/) или другого) -рис. 3. Кроме того, расчетным методом возможно определить параметры критических деформаций как предельные отклонения в плоскости геометрических размеров или угла стенки от вертикального. Таким образом, расчетное смещение и деформации в математической модели могут быть определены для точных значений напряженно-деформированного состояния конструкции. Затем все измерения, полученные с использованием разработанного оборудования (см. рис. 1, 2) в результате мониторинга можно интерпретировать как нестационарные нагрузки на строительную конструкцию причальной стенки. Такой «реинжиниринг» оправдан, поскольку натурные данные по отклонению линии кордона являются субъективными. Линия изгиба вертикального профиля (см. рис. 3) шпунтовой стенки для большинства видов нагрузки соответствует квадратичной параболе с нулевым углом поворота в заделке (грунте). Поэтому можно установить достаточную взаимосвязь деформаций при отклонении от планового положения причальной стенки и различных нагрузок, в том числе факторов внешней среды. Это особенно важно при строительстве арктических портовых сооружений, когда невозможны периодические геодезические проверки из-за неблагоприятных погодных условий и отсутствия специального технического персонала.
Сеть измерительных датчиков, установленных на верхней части оголовка причальной стенки выполняет полный контроль перемещений и поворотов по предлагаемой на рис. 4 схеме. Перемещение в Х-У плоскости (плановая позиция) соответствует наклону верхней части шпунта - рис. 4, а, а деформация в виде вращения в У-7 плоскости - рис. 4, б.
X-Y plane displacement Z-Y angle rotation
а) б)
Рис. 4. Предлагаемая схема измерений для локального планового положения
шпунтовой стенки: а) деформации в виде изгиба участка шпунтовой панели сооружения в горизонтальной плоскости; б) деформации в виде поворота или изгиба шпунтовой панели в вертикальной плоскости
Для измерения отклонений от планового положения по схеме, предложенной на рис. 4, анализируются поступающие данные от акселерометров и датчиков магнитного поля, используемых в автоматизированной системе мониторинга технического состояния. С целью определения условий безопасной эксплуатации и контроля нагрузки в разработанном программном обеспечении анализируются входящие данные от сети датчиков. Обновление данных осуществляется каждую минуту, что вполне достаточно для непрерывного мониторинга. Сигнальная система реализуется в зависимости от угла деформации, например: 0-1° - нормальное состояние, 1-2° - предупреждение, 2-3° - опасность. Такой контроль позволяет оценить фактор нагрузки более точно при эксплуатации причала, в том числе процессов выгрузки грузов в различных зонах пирса, при необходимости выполнить перемещение грузов.
Обсуждение результатов
Непрерывный геодезический мониторинг планового положения элементов причальных сооружений является непременным условием для их безопасной эксплуатации, он относится также к арктическим портам с тяжелыми климатическими условиями и минимальным персоналом в зимний период. В перспективе разработанная автоматическая система мониторинга позволит решить задачи, связанные с определением текущего технического состояния арктической причальных стенок. Прикладной алгоритм обнаруживает малейшие отклонения положения в пределах 0,15 угловых градусов, что достаточно для обнаружения существенных отклонений от планового положения причальной стенки. Кроме того, мощность морских судов, которые самостоятельно маневрируют в акватории порта, постоянно увеличивается, что является причиной разрушения берегозащитных сооружений. Для того, чтобы оценить эффекты с помощью эмпирических методов и периодических проверок, в работе [13] предложено несколько способов автоматической идентификации процессов деградации бере-гоукрепления, тем не менее, эти методы основаны на измерении параметров скоростей движения воды под винтом и ограничены, поскольку не имеют обратной связи с конструкцией сооружения. Разработанная система автоматизированного мониторинга может применяться совместно с другими системами контроля, например с описанной в работе [14], где представлена методика для контроля и регулирования натяжения в якорных и швартовых устройствах. Достаточный математический аппарат для подобных расчетов представлен в работах [15, 16], что может быть подтверждено данными непосредственно из сети датчиков, установленных на причальной стенке. В работе [17] предложена технология эффективного нагрева внутреннего участка шпунтовой стенки, что позволяет значительно снизить нагрузку льда на конструкции причала и удалять скопления льда. Недостатком этой технологии является высокое потребление электроэнергии. Совместное использование нашей системы мониторинга и системы отопления может обеспечить плавное потребление энергии за счет
регулирования его потребления только в нужный момент, когда имеется значительное силовое влияние на анкерные тяги в причальной стенке.
В следующей статье мы более подробно расскажем о деталях использования разработанной системы мониторинга технического состояния причальных сооружений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. СП 126.13330.2012 Геодезические работы в строительстве. Актуализированная редакция СНиП 3.01.03-84.
2. ГОСТ Р 54523-2011 Портовые гидротехнические сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния.
3. Каленицкий А. И., Ким Э. Л. О необходимости комплексного применения гравиметрии и геодезических методов при мониторинге природной и техногенной геодинамики на месторождениях углеводородов // Вестник СГУГиТ. - 2015. - Вып. 1 (20). -С. 15-23.
4. Басманов А. В. Геодезический мониторинг байкальского геодинамического полигона Росреестра // Вестник СГУГиТ - 2015. - Вып. 2 (30). - С. 48-54.
5. Кроненброк Джоел Ван. Применение технологий ГНСС для деформационного мониторинга сооружений // Вестник СГУГиТ. - 2012. - Вып. 17 (1). - С. 29-40.
6. Metzger A. T., Hutchinson J. and Kwiatkowski J. (2014). «Measurement of marine vessel berthing parameters» Marine Structures, 39, 350-372.
7. Lee S. Y. and Kim J. T. (2015). «Effects of foundation damage and water-level change on vibration modal parameters of gravity-type caisson structure» Science China Technological Sciences, 58(2), 316-329. (doi:10.1007/s11431-014-5748-1).
8. Van der Linden G. W., Emami-Naeini A., Kosut R. L., Sedarat H. and Lynch J. P. (2011). «Optimal sensor placement for health monitoring of civil structures» Proceedings of the 2011 American Control Conference. (doi:10.1109/acc.2011.5991121).
9. Ichii K., Kitade K., Kawano M. and Taguchi I. (2014). «Surface Wave-Based Health Monitoring Method for a Sheet Pile Quay Wall» International Journal of Structural Stability and Dynamics, 14(05), 1440009. (doi:10.1142/s0219455414400094).
10. Гарибин П. А., Ольховик Е. О., Шабанов С. В. Методология организации непрерывного мониторинга технического состояния ГТС водного транспорта // Изв. вузов. Строительство. - 2015. - № 2 (674). - С. 58-72.
11. Олейник А. Ю., Макшанов А. В., Марлей В. Е. Разработка системы мониторинга деформаций гидротехнических сооружений на основе интернет-технологий и микроконтроллеров // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. - 2015. - № 1 (29). - С. 215-222.
12. Разработка автоматизированной системы для непрерывного контроля технического состояния гидротехнических сооружений / П. А. Гарибин, В. Е. Марлей, Е. О. Ольховик, С. В. Шабанов // Гидротехника XXI век. - № 2 (14). - 2013. - С. 50-53.
13. Abramowicz-Gerigk T. (2014). «Identification of Degradation Processes of Seabed Protection in Ports» Safety and Reliability: Methodology and Applications, CRC Press, 889-894. (doi: 10.1201/b17399-126).
14. Ruggeri P., Segato D. and Scarpelli G. (2013). «Sheet Pile Quay Wall Safety: Investigation of Posttensioned Anchor Failures» Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 139(9), 1567-1574. (doi: 10.1061/(asce)gt.1943-5606.0000886).
15. Liu P., Wang H. and Chao Z. (2015). «Numerical Simulation Analysis of Collision Between Ship and Steel Sheet Pile Quay-Wall» Applied Mechanics and Materials, 744-746, 1175-1179. (doi: 10.4028/www.scientific.net/amm.744-746.1175).
16. Sato M. and Tabata K. (2009). «Shaking Table Test of a Large-Size Model on Failure Mechanism of Sheet-Pile Quay Wall and Pile Foundation Due to Lateral Spreading» Jiban Kogaku Janaru (Japanese Geotechnical Journal), 4(4), 259-271. (doi: 10.3208/jgs.4.259).
17. Sharapov D., Shkhinek K. and Delvalls T. A. (2015). «An Estimation of the Amount of the Thermal Energy for the Moorage Wall Heating in the Arctic Harbors to Avoid Ice Accumulation» Ocean Engineering, 100, 90-96. (doi: 10.1016/j.oceaneng.2015.03.016).
Получено 10.05.2016
© П. А. Гарибин, Е. О. Ольховик, 2016
