Научная статья на тему 'Диагностика и мониторинг конструктивных систем автомобильных дорог'

Диагностика и мониторинг конструктивных систем автомобильных дорог Текст научной статьи по специальности «Безопасность. Аварийно-спасательные службы»

CC BY
205
58
Поделиться
Ключевые слова
ДИАГНОСТИКА / МОНИТОРИНГ / ДИНАМИКА СИСТЕМЫ: "ГРУНТОВОЙ МАССИВ - СООРУЖЕНИЕ" / НЕСТАЦИОНАРНЫЙ АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ / ПЕРИОД СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ / ЖЕСТКОСТЬ / ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СООРУЖЕНИЙ / SYSTEM DYNAMICS: "SOIL-MASS"

Аннотация научной статьи по общим и комплексным проблемам технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства, автор научной работы — Качанов Сергей Алексеевич, Нигметов Геннадий Максимович

Предлагается разработанная ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) система мониторинга конструктивных систем (дорожные полотна, мосты, эстакады, туннели) автомобильных дорог, позволяющая своевременно обнаруживать места возможных нарушений несущей способности данных объектов.

Похожие темы научных работ по общим и комплексным проблемам технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства , автор научной работы — Качанов Сергей Алексеевич, Нигметов Геннадий Максимович,

Diagnostics and Monitoring of Roads Construction Systems

There is described developed in FGU VNII GOChS monitoring system of road construction systems (roadbeds, bridges, overpasses, tunnels) that allows to distinguish the places of possible damages of these objects.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Диагностика и мониторинг конструктивных систем автомобильных дорог»

УДК 614.8:625.7/.8:656.1

Диагностика и мониторинг конструктивных систем автомобильных дорог

ISSN 1996-8493

© Технологии гражданской безопасности, 2009

С.А. Качанов, ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) Г.М. Нигметов, ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ)

Аннотация

Предлагается разработанная ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) система мониторинга конструктивных систем (дорожные полотна, мосты, эстакады, туннели) автомобильных дорог, позволяющая своевременно обнаруживать места возможных нарушений несущей способности данных объектов.

Ключевые слова: диагностика, мониторинг, динамика системы: «грунтовой массив — сооружение», нестационарный анализ динамических процессов, период собственных колебаний, жесткость, динамические параметры сооружений.

diagnostics and monitoring of roads construction systems

ISSN 1996-8493 © Civil Securiti Technology, 2009

S.A. Kachanov, FGU VNII GOChS G.M. Nigmetov, FGU VNII GOChS

Abstract

There is described developed in FGU VNII GOChS monitoring system of road construction systems (roadbeds, bridges, overpasses, tunnels) that allows to distinguish the places of possible damages of these objects.

Key words: diagnostics, monitoring, system dynamics: «soil-mass», construction, substandard analyses of dynamic processes, natural periods, stiffness, construction dynamic parameters.

Статистика автомобильных аварий в России показывает, что по различным причинам на дорогах погибает до 95 человек в день. Если привести эти данные к рассматриваемому периоду времени и населению страны, то расчёты дадут величину индивидуального риска более 10-4 1/год, в то время как приемлемым риском во всем мире, включая и РФ, является значение менее 10-6 1/год. Такое положение дел является недопустимым и, следовательно, необходимо разработать комплекс мер по уменьшению числа погибающих в результате дорожно-транспортных происшествий (ДТП). По статистике более 12% автомобильных катастроф происходит из-за плохого состояния дорог.

Основными факторами, влияющими на состояние дорог являются:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

снижение сцепления колёс автомобилей с покрытием дорог;

повреждение дорожного полотна; нарушение работы систем жизнеобеспечения и безопасности искусственных сооружений (мосты, туннели) автомобильных дорог; геологические опасности; техногенные опасности; природные пожары;

опасности обрушения конструктивных систем автомобильных дорог.

Например, скользкая дорога может привести к потери управляемости автомобиля, так же, как и при попадании колеса автомобиля в воронку или выбоину на дорожном полотне.

К катастрофам массового характера могут привести факторы, связанные с потерей несущей способности грунтового полотна из-за геологических опасностей (суффозии, карсты, землетрясения, разжижение грунтов). Геологические опасности могут возникнуть, как вторичные из-за техногенных причин, например, аварий на коммунально-энергетических сетях. Кроме того, могут быть аварии, связанные с потерей устойчивости конструктивных систем мостов, туннелей, эстакад. Потеря устойчивости конструктивных систем может наступить от интенсивного старения материалов конструкций, из-за токсичного воздействия выхлопных газов в сочетании с воздействием вибрации от динамического воздействия автомобильных колёс. В ФГУ ВНИИГОЧС (ФЦ) уже более 10 лет проводятся работы по созданию технологий диагностики и мониторинга зданий и сооружений, включая грунтовый массив. Разработанная технология нашла успешное применение, как в России, так и за рубежом. Данная технология позволяет получить в реальном времени данные о динамических, геометрических и прочностных параметрах конструктивных систем автомобильных дорог, включая грунтовый массив. К конструктивным системам автомобильных дорог можно отнести: дорожные полотна, мосты, эстакады, туннели.

В качестве динамических воздействий на конструктивные системы автомобильных дорог, необходимых

для анализа их состояния, можно использовать нагрузки от проезда автомобилей, которые существенно усиливаются при наезде на неровности поверхности дорог. Динамические нагрузки на дороги образуют сейсмические волны, которые при прохождении через конструкции и грунтовый массив обеспечивают прозвучивание (томографию) сред и несут полезную диагностическую информацию. Поэтому, применение для диагностики конструктивных систем автомобильных дорог специальных геофизических и динамических комплексов обеспечивает возможность изучения их жесткости, прочности и надёжности.

Динамика системы «грунтовый массив-сооружение» это очень сложный нестационарный процесс.

В настоящее время не существует эффективных моделей и программных продуктов для прямого нестационарного анализа динамических процессов, поэтому применяют пакеты программ, в которых нестационарные процессы представляют через сумму стационарных процессов путём разложения в ряды Фурье. Получаются динамические стационарные параметры периодов колебаний, которые позволяют оценить состояние жесткости конструктивной системы сооружения.

Известно, что основной динамический параметр — период собственных колебаний конструктивной системы связан с её жесткостью EJ. Поэтому результаты динамических испытаний по увеличению периода собственных колебаний Т сооружения дают величину снижения его интегральной жесткости. Математически зависимость периода собственных колебаний от жесткости можно выразить формулой:

где к — коэффициет, учитывающий тип конструктивной схемы и размеры;

т — масса конструктивной системы в кг;

Е — модуль упругости в Н/м2;

J — момент инерции в м4.

В целом, для любой конструктивной системы период собственных колебаний Т характеризует жесткость системы. При выполнении анализа, предполагая, что масса конструктивной системы (т) относительно проектного значения не изменилась или, известно, на сколько изменилась, можно увидеть, как влияет снижение жесткости на период собственных колебаний. Тогда, интегральное снижение момента инерции, показывает наличие возможных дефектов в сечениях конструктивных элементов сооружения. Снижение модуля упругости показывает, что происходит интегральное уменьшение прочности конструктивных элементов.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Для определения динамических параметров сооружения и выявления мест скрытых дефектов в конструкциях дорог предлагается применять диагностический комплекс «Струна» (рис.1), включающий:

Рис. 1. Диагностический комплекс «Струна»

нагружающее устройство; трёхкомпонентные сейсмовибрацион-ные датчики;

соединительные кабели; многоканальный аналого-цифровой преобразователь;

компьютер с пакетом программ для анализа сейсмовибрационных сигналов.

Приведём один из примеров применения диагностического комплекса «Струна» для диагностики автомобильных путепроводов (рисю 2). Динамические испытания проводились с целью

Рис. 2. Спектр собственных колебаний путепровода по оси Z, пролёты 2-3

определения динамических характеристик путепровода и оценки его несущей способности, выявления возможных скрытых дефектов. Испытания проводились в серии двух типов опытов. Первый тип опытов выполнялся для определения скорости прохождения ударного импульса по конструктивным элементам путепровода. По величине скорости импульса определялась интегральная прочность конструктивного элемента. Вторая серия испытаний проводилась для получения периодов собственных колебаний моста и оценки его жесткости. Датчики расставлялись как на отдельных конструктивных элементах путепровода, так и в целом на всех его пролётах. Полученные результаты в виде спектров колебаний путепровода по осям Х, У и Z и в виде диаграмм прохождения сейсмических импульсов по конструктивным элементам путепровода представлены на рисунках 2 и 3.

Анализ, обнаруженных по результатам визуального контроля дефектов сооружения, позволил его отнести к 2-3 степени повреждения с износом от 20 до 40%.

По результатам расчётов нормативные значения периодов собственных колебаний сооружения по оси Х и У соответственно имели следующие значения:

Т1х,норм.=0,316 с;

Т1у,норм.ср=0,224 с;

Т1у,норм.кр=0,323 с (где по оси У вдоль моста рассматриваются средние (ср) и крайние пролёты (кр)).

Результаты испытаний путепровода в целом показали, что периоды собственных колебаний сооружения соответственно равны:

Т1х=0,25 с;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Т1у,ср=0,25 с; Т1у,кр=0,25 с.

Результаты сравнения нормативных величин периодов собственных колебаний сооружения с реально полученными данными показали снижение жесткости в средних пролётах путепровода по оси У на 11,6 %.

На основании полученных данных и в соответствии с «Методикой оценки и сертификации зданий, сооружений», прошедшей аттестацию на Правительственной комиссии РФ по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций и обеспечению пожарной безопасности (Протокол №1 от 25.02.2003 г.) путепровод был отнесён ко 2 категории состояния «удовлетворительное».

Для оценки прочности конструктивных элементов путепровода были выполнены их динамические испытания путём оценки скорости прохождения сейсмических импульсов на заданных участках. Пример полученной диаграммы прохождения импульсов по конструктивным элементам путепровода представлен на рисунке 3. При нестационарных прямых измерениях ускорения удаётся получить реальный портрет динамики усилий в глобальной системе координат по всему объёму системы грунт-сооружение от места приложения основной нагрузки. Путём одинарного и двойного интегрирования ускорения получаются параметры скорости и перемещения. Зная требуемые величины возможных деформаций и

прочности (по скорости волны в материалах конструкций) возможно выполнение мониторинга деформаций и прочности конструктивной системы.

По времени пробегания ударного импульса от места удара до мест расположения датчиков определяются скорости пробегания импульсов, как частное от деления расстояния между датчиками на время.

Выполненный анализ величин скоростей ударных импульсов показывал, что скорость прохождения импульса по ригелям 1-5 была примерно одинаковой и составила 4000 -4800 м/с, что соответствует прочности бетона не менее 27 МПа. Для железобетонных конструкций прочность бетона должна быть не меньше 15 МПа.

Таким образом, прочность и жёсткость путепровода соответствовала нормативным показателям, то есть путепровод был определён как работоспособный. Однако для определения возможных тенденций по изменению жёсткости путепровода в процессе эксплуатации рекомендовалось повторить динамические испытания не позже чем через 6 месяцев, то есть нами было предложено выполнять периодическую диагностику или прерывный мониторинг путепровода.

Целью предлагаемой системы мониторинга конструктивных систем автомобильных дорог является своевременное обнаружение мест возможных нарушений несущей способности конструктивной системы.

Предлагается выполнять мониторинг полного комплекса локальных и интегральных физико-механических параметров к которым относятся:

наклоны контролируемых поверхностей конструкций;

деформации контролируемых точек; перемещения контролируемых точек; ускорения и скорости в контролируемых точках; периоды собственных колебаний конструктивных систем и грунтовых массивов;

времена и скорости пробегания импульсов от источника до контролируемой точки.

Перечисленные параметры с взаимным перекрытием обеспечивают контроль прочности материалов, их жесткости, наличия и места скрытых дефектов и геометрическое соответствие конструктивных систем проекту, а также величину инженерного риска обрушения. Для точной интерпретации и анализа мониторинговых параметров необходимо с высокой точностью знать пространственные координаты точек, где установлены датчики. Мониторинг системы грунт — сооружение производится в локальных и глобальных системах координат. Локальные системы координат назначаются в геометрических центрах датчиков в местах их установки, математически локальные системы координат должны быть связаны с глобальной системой координат. Все оси датчиков должны быть установлены строго параллельно. При установке и привязке датчиков необходимо использовать высокоточные геодезические тахеометры и двухчастотные высокоточные GPS при-

Рис. 3. Прохождение ударного импульса по ригелю 5 путепровода

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ёмники. То есть, должна быть выполнена высокоточная фиксация мест установки датчиков с определением их трехмерных координат в принятой глобальной системе координат. База данных координат датчиков заносится в мониторинговую модель сооружения. Предлагается для сооружения выполнять два вида мониторинга: непрерывный и периодический. Эти виды мониторинга должны обеспечивать долгосрочный, среднесрочный и краткосрочный прогноз безопасности конструктивной системы сооружения.

Долгосрочный прогноз выдаётся на несколько лет вперёд. Как известно, сооружения, в среднем, рассчитываются на 50-100 лет. В течение первых нескольких лет в сооружении происходят максимальные деформа-

ции, связанные с усадкой грунтов, бетона, узлов и т.д. под действием нагрузок от проезда автомобилей, от веса конструктивной системы, снега, ветра, вибрации, температурных воздействий, геологических процессов и др.

Выполняя периодические измерения прочности, геометрии и динамики выполняется долгосрочный прогноз безопасности системы грунт-сооружение. Как правило, это делается 1 раз в 5 лет.

Увеличивая периодичность мониторинговых наблюдений до 1 раза в 3 месяца можно выполнять среднесрочный прогноз безопасности системы грунт-сооружение с выдачей прогнозов 1 раз в год.

Таким образом, периодический мониторинг может выполняться в интересах долгосрочного и средне-

срочного прогнозов, а также при выполнении дополнительных измерений для уточнения динамических, прочностных и геометрических параметров системы грунт-сооружение, при получении «красного» сигнала от системы мониторинга сооружения.

Краткосрочный прогноз должен выполняться с периодичностью не реже 1 раза в неделю, при этом мониторинговые наблюдения должны вестись не реже, чем одно наблюдение в 3 часа. Данные прогнозов должны протоколироваться и сохраняться.

В зависимости от способа измерений мониторинг по месту может выполняться локально и интегрально.

При локальных измерениях производится измерение и оценка параметра в контролируемой точке. При интегральных измерениях данные измерений в точке распространяются на всю систему в целом (рис. 4).

Рис. 4. Диагностика дорожного полотна после землетрясения

Как было отмечено выше, различают два основных вида мониторинговых измерений во времени — это периодические статические и непрерывные динамические измерения.

При периодических измерениях, которые привязы-

ваются к дате (день, месяц, год) фиксировано определяются основные статические параметры системы грунт-здание, которые могут повлиять на его безопасность:

места расположения и размеры трещин; прогибы конструктивных элементов; крены и просадки здания;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

прочность строительных конструкций и грунтов.

Наиболее интегральными и представительными данными для принятия решения о безопасности сооружения являются непрерывные динамические мониторинговые данные.

Таким образом, выполненный анализ по возможностям диагностики и мониторинга опасности разрушения конструктивных систем дорог и рассмотренные примеры позволяют надеяться на скорейшее внедрение в практику современных мониторинговых технологий для своевременного обнаружения повреждений конструктивных систем дорог и снижения индивидуального риска на дорогах.

Литература_

1. Синицын А.П. Расчет конструкций на основе теории риска, — М.: Стройиздат, 1985 г

2. Нигметов Г.М. Предложения по проектированию систем мониторинга инженерных конструкций высотных зданий. Технологии гражданской безопасности, 2008, 1-2 (15-16).

Сведения об авторах_

Сергей Алексеевич Качанов: заместитель начальника ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) по научной работе, д. т. н. Геннадий Максимович Нигметов: ведущий научный

сотрудник ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), к.т.н. 131352, Москва, ул. Давыдковсковская, д. 7.