CC BY
102
УДК 624.21
В. П. РЕДЧЕНКО (Дншропетровський вщдш ДерждорНД1 iM. М. П. Шульпна)
МОН1ТОРИНГ ТЕХН1ЧНОГО СТАНУ МОСТ1В МЕТОДАМИ ПАСИВНО1 В1БРАЦШНО1 Д1АГНОСТИКИ
У статп представлено результати дослвджень метод1в пасивно! в1брац1йно1 д1агностики та можливостей 1х застосування для визначення та мониторингу техшчного стану моспв.
В статье представлены результаты исследований методов пассивной вибродиагностики и возможностей их использования для определения и мониторинга технического состояния мостов.
In the article the results of studies of the passive vibration test methods and the possibilities of using them for determining and monitoring of technical condition of bridges are presented.
Визначення та мошторинг техшчного стану моспв за 1х штегральними характеристиками, яю встановлюють за результатами динамiчних випробувань, займае чинне мюце серед шших методiв дiагностики та отримуе все бшьше роз-повсюдження як у свгтовш так i у вiтчизнянiй практищ [1, 2]. Знання динамiчних параметрiв конструкцiй та споруд е необхщною умовою при визначеннi 1х сейсмостшкост [3]. В наш час спостер^аеться тенденцiя до збiльшення довжини прогонових будов мостiв та широкого застосування гнучких конструкцiй, що робить 1х ще бiльш чутливими до динамiчних наван-тажень. При проектуваннi таких споруд доводиться виршувати цший ряд складних задач пов'язаних iз забезпеченням 1х динамiчноi стiйкостi при дп експлуатацiйного, вiтрового, сейсмiчного та ш. динамiчних навантажень. Перевiрка правильносп прийнятих рiшень та-кож виконуеться шляхом проведення натурних динамiчних випробувань. О^м цього, методи динамiчних випробувань все бшьше застосо-вують для визначення та мошторингу техшчно-го стану моспв i, в першу чергу, моспв великих, для яких проведення статичних випробу-вань е проблематичним завданням.
Динамiчнi випробування часто називають вiбрацiйними випробуваннями або ж вiбрацiй-ною дiагностикою. За визначенням [4]: «Ыбра-цтт випробування - це випробування об'екту при заданш вiбращi», а «Ыбрацтна д1агности-ка - це техшчна дiагностика, яка базуеться на аналiзi вiбрацiй об'екту дiагностування». За цими визначеннями вiбрацiйнi випробування -це завжди активнi випробування, оскiльки р> вень вiбрацii задаеться. Вiбрацiйна дiагностика, може бути як активною, так i пасивною, якщо вiбрацiйне (динамiчне) навантаження вщповщ-но задаеться або ж ш (при цьому пасивна вiб-рацiйна дiагностика не виключае також i про-цедури реестрацii випадкового навантаження). Найбiльш вiдпрацьованими з методолопчно!
точки зору е методи активно! вiбродiагностики (особливо методи з використанням вiбрацiйноï машини) [5]. Недолiком методiв активноï bî6-родiагностики е ïx значна вартiсть та необхщ-шсть спецiального обладнання (вiбрацiйниx машин), яке для великих споруд повинно мати значш потужносп. Саме тому методи активноï вiбродiагностики не розповсюдженi в практищ дослщження мостiв в Украш (на даний час у мостовиюв немае жодноï робочоï вiбрацiйноï машини).
Ще за чаав СРСР склалася усталена думка, що методи пасивно1' вiбродiагностики не мо-жуть дати тих результат, якi дають методи активно!' вiбродiагностики, згодом ця теза на-вiть увiйшла в деяю нормативнi документи Ро-с^ та Украши [6, 7]. Мабуть саме тому увага спещалюпв до цього виду випробувань в Укра-rni е на дуже низькому рiвнi. Якщо ж взяти св> тову практику, то в останш 20 роюв тут спосте-рiгаеться справжнш бум розвитку методiв па-сивних динамiчниx випробувань, що пов'язано, як з розвитком систем реестраци динамiчниx реакцiй, так i з розвитком методiв ïx опрацю-вання та аналiзу, а також ïx головними перевагами - це набагато менша вартють, простота практичних методик та можливють виконувати натурнi роботи без закриття руху по мосту.
Найбшьшого розповсюдження набули ди-намiчнi випробування споруд та ï^ конструкцш, якi англiйською мають назву Ambient Vibration Test [8] (до^вно <^брацшш випробування в оточуючому середовищЬ>). При цих випробу-ваннях спецiальне навантаження не застосову-еться, а використовуються випадковi збуджен-ня (вiтер, мшросейсмша, проïзд транспорту i т.п.). Теоретичною основою Ambient Vibration Test - Фоновоï Вiбрацiйноï Дiагностики (одне iз значень термiну «фон» - це тшо, оточення, середовище) е метод аналiзу динамiчниx систем, який отримав назву «Out only» - «лише вихщ» на вiдмiну вщ методу аналiзу при актив© Редченко В. П., 2010
нш вiбрацiйнiй дiагностицi, коли застосовують аналiз типу «In and Out» - «вхд i вихщ». В останш десятилiття в багатьох кра!нах св^у методам аналiзy сигналiв «Out only» було при-свячено ряд дисертацш, створено та впрова-джено запатентовав програмнi комплекси, якi формують модель споруди та в автоматичному режим^ аналiзyючи зареeстрованi коливання, визначають ii динамiчнi параметри [9]. Загаль-ноприйнятим став висновок про те, що мошто-ринг технiчного стану бyдiвельних констрyкцiй значних розмiрiв найкраще виконувати саме шляхом 1х щентифшацп через натурш динамiч-нi характеристики, наприклад норматзоваш форми власних коливань (Modal Identification). Швидкими темпами розвиваються та впрова-джуються в практику методики визначення пошкоджень бyдiвельних констрyкцiй методами динамiчних випробувань (Damage Identification).
При фонових випробуваннях реакци конс-трyкцii аналiзyються як в часовш, так i частот-нш областях методами, якi е розвитком класич-них непараметричних методiв анатзу випадко-вих сигналiв. При цьому спшьним 1х недолiком е взаемне протирiччя мiж намаганням максимально позбутися шyмiв та забезпеченням необ-хiдноi, часом високо! роздiльноi здатност по частотi.
З точки зору вказано! проблеми мости серед шших споруд займають вигiдне положення, оскшьки, при пасивнiй вiбродiагностицi завжди е можливють аналiзyвати вiльнi коливання 1х констрyкцiй, якi регулярно виникають шсля про!зду експлyатацiйного навантаження (рухо-мого транспорту). При цьому ампл^уди вшь-них коливань значно перевищують ампл^уди шyмiв, а характер коливань для лшшних систем мае вщому фyнкцiональнy залежнiсть. Це дозволяе виконувати аналiз зареестрованих си-гналiв методами, як е розвитком параметрич-них методiв спектрального аналiзy, i як дають можливiсть на порядок збшьшити 1х роздiльнy здатнiсть [10]. Саме для мостових констрyкцiй розрiзнення форм власних коливань, як мають близью частоти, е важливою проблемою. Так завдяки особливостям свое! конструкци пере-важна бiльшiсть прогонових будов автодорож-нiх мостiв мають зони згущення частот, якi утворюються близько частот власних коливань двомiрноi балково! моделi за рахунок форму-вання рiзних форм викривлення поперечного перерiзy. Подiбнi згущення частот наявнi i для нерозрiзних балкових систем з однаковими чи близькими довжинами прогошв. Частоти рiзних форм в зонах вказаних згущень iнодi вiдрiзня-ються одна вщ одно! лише на долi проценту.
Для теоретичних дослiджень та вщпрацю-вання практичних методик запропоновано модель, яку можна описати наступним виразомб
Kk (ш) = £ Klkn (ш),
(1)
n=1
де К(ю)к - передаточна функщя мiж точками 1 та к; К(ю) - передаточна функцiя мiж
точками 1 та к за п -ю власною формою (модальна передаточна функщя).
Вшьш коливання лiнiйноi стацiонарноi сис-теми розглядаються як сума ортогональних ре-акцiй за власними формами, ваговий вплив яких визначаеться модальними iмпульсними функцiями (функцiями Грiна) або ж модальними передаточними функщями та початковими умовами, яю передували вшьним коливанням: швидкiсть (тмпульсна складова) та змщення (юнематична складова). Враховуючи ортого-нальнiсть модальних функцш Грiна, кожна модальна передаточна функщя (перетворення Фур'е вiд модально].' функци Грiна) може бути визначена як для лшшного осцилятора, а ком-плексну передаточну функцiю можна отримати склавши модальнi передаточнi функци (для практичного використання достатньо декшькох перших форм). Для лiнiйних систем вираз (1), визначений через власш кутовi частоти Ж, де-кременти коливань 5 та ампл^уди власних форм А (ваговi коефщенти), в комплекснiй формi записуеться, як:
K. (ш) = ±*Л
n=1
'kn
(Sn + ^ ),
(2)
- jn/2
де
Sn =-
Sn =•
5nWn/2п + Дш- Wn)
j/2.
bnWn/2п + j (ш + Wn)
Як бачимо, для визначення передаточно' функцii необхiдно мати наступнi параметри:
— кутову частоту коливань за власною формою (Жп );
— декремент коливань дано' форми (5п ) ;
— ваговий коефщент впливу (А1кп ) .
Саме визначення цих параметрiв i мае бути метою динамiчних випробувань за даною мо-деллю. Для практичних завдань, як правило, достатньо мати 'х значення для декiлькох перших форм. Достатню кiлькiсть форм визначають шляхом анатзу розрахунково' моделi конструкцп.
e
Теоретично визначення частот та декремента власних форм коливань конструкцн можна виконати шляхом опрацювання вiброграми в> льних коливань зареестровано! лише для одше! точки (звiсно якщо вона не е вузловою для кот-ро!сь з форм). На практищ це не завжди вдаеть-ся оскшьки форми з бiльшими ампл^удами «запняють» форми з меншими амплпудами i тому визначення останнiх е ускладненим. На практицi рекомендуеться визначати параметри власних форм коливань за реакщями в точках, де щ форми мають максимальнi амплiтуди. Хо-рошi результати дае попередне планування експерименту з врахуванням аналiзу розрахун-ково! моделi та властивостей спектральних фу-нкцiй 11 реакцiй [11].
Нормалiзованi ординати власних форм ко-ливань визначаються за наступним алгоритмом:
— намiчаються точки на конструкций в яких визначатимуться ординати форми коли-вань;
— синхронно рееструються вiльнi коли-вання у вибраних точках;
— вибираеться реперна точка (як правило з максимальними амплггудами коливань) та за вщношенням спектральних функцiй реакцн в певнш точцi та в репернш точцi визначаються вiдноснi ординати форми коливань.
Не обов'язково одночасно рееструвати ко-ливання у вшх точках, особливо для великих моспв, це потребуе значно! кiлькостi облад-нання. Абсолютно рiвнозначним буде варiант почергово! реестрацп коливань для певно! гру-пи точок окремо при спшьнш для всiх груп репернш точцi (для кожно! площини коливань
повинна бути як мшмум одна реперна точка).
BaroBi коефiцieнти впливу для кожно! з форм рекомендуеться визначати в наступному порядку:
— визначаються форми власних коливань в нoрмaлiзoвaнoму видц
— для одше! чи декшькох точок визначаються масштабш кoефiцiенти, за якими вщнос-нi ординати форм коливань переводяться в абсолюты значення.
Визначення масштабних кoефiцiентiв можна також виконувати використовуючи мoделi ствoренi методом скшченних елементiв (МСЕ) та скoригoвaнi за натурними частотами та нор-матзованими формами власних коливань - та-кий пiдхiд дае достатню для шженерно! практики тoчнiсть. Bзaгaлi слiд вiдмiтити, що у свт склалася практика щентифшацл будiвельних споруд як динaмiчних систем саме через !х мо-делювання в програмних середовищах, якi реа-лiзують МСЕ.
Як один iз вaрiaнтiв практичного застосу-вання передаточно! функцн покажемо на наступному приклада Для балково! прогоново! будови за типовим проектом вип. 122-63 по-вною довжиною 22,16 м випробуванням визна-ченi частоти двох перших форм коливань 5,0 Гц (без викривлення поперечника) та 5,2 Гц (крутильш коливання), декременти коливань мають значення 0,15 та 0,18 вщповщно. Для крайньо! балки при навантаженш протилежно! смуги руху в серединi прольоту силою 10 т ва-гoвi кoефiцiенти становлять 2,15 мм та -1,8 мм. Ампттудний спектр передаточно! функцп за виразом (2) та знайденими параметрами представлено на рис. 1.
Рис.1. Графж амплггудного спектру комплексно! передаточно! функци
Дoбyтoк пepeдaтoчнoï фyнкцiï та cra^pam-фyнкцiï нaвaнтaжeння дае cпeктpaльнy фу-нкцiю peaкцiï, за якoю, витонавши звopoтнe
пepeтвopeння Фур'е, oтpимyeмo peaкцiю гаж-тpyкцiï в чacoвiй oблacтi (pиc. 2).
Pиc.2. Графк peaкцiï балки на дiю pyxoмoï отли
Для визнaчeння тexнiчнoгo cтaнy cпopyди нeoбxiднo визначити вci вiдxилeння (гошто-джeння), якi мають мicцe y пopiвняннi з вдрма-льним ïï cтaнoм. Якщo динaмiчнy cиcтeмy oпи-cyeмo мaтpицeю пepeдaтoчниx фyнкцiй [5], то функцда пoшкoджeнь cиcтeми мoжнa пpeдcтa-вити cиcтeмoю матриць, яю визначають змiни пepeдaтoчниx фyнкцiй при нaявнocтi гошто-джeння в швнш зoнi кoнcтpyкцiï. Кiлькicть матриць в такш cиcтeмi бyдe дopiвнювaти юльто-cтi зoн, на як ми poзбивaeмo cпopyдy для лoкa-лiзaцiï дeфeктy.
Мoжнa зaпpoпoнyвaти шшу мoдeль, в якiй динaмiчнa стогема oпиcyeтьcя влacними фop-мами толивань та ïx пapaмeтpaми. В цьoмy ви-падку фyнкцiю пoшкoджeнь для гажго!' зoни зpyчнo пpeдcтaвити двoмa матрицями - матри-цeю змши чacтoт влacниx фopм кoливaнь та матривдю змiни фopми влacниx толивань (в нopмaлiзoвaнoмy видi). Оcкiльки для лшшнж cиcтeм пepeдaтoчнa фyнкцiя е кoмплeкcнoю cyмoю мoдaльниx пepeдaтoчниx функцш за вciмa фopмaми влacниx толивань, тo oбидвi мoдeлi цiлкoм piвнoзнaчнi за iнфopмaтивнicтю i вiдpiзняютьcя лишe пpaктичнoю cтopoнoю ïx peaлiзaцiï. В пepшoмy випадку за peзyльтaтaми eкcпepимeнтy визнaчaeмo пepeдaтoчнi фyнкцiï та пpaцюeмo з ними, в дpyгoмy випадку визна-чaютьcя чacтoти та фopми влacниx кoливaнь, щo пoвнicтю мoжe бути зpoблeнo мeтoдaми па-crn^i' вiбpoдiaгнocтики.
Слiд вiдмiтити, щo динaмiчнi мeтoди дoзвo-ляють виявляти змши в iнтeгpaльниx пapaмeт-pax кoнcтpyкцiï, щo нe дoзвoляe викopиcтoвy-вати ïx для кoнтpoлю за лoкaльними дeфeктa-ми, як, наприклад, poзpив oднieï з coтнi зaклe-гок i т.п. Нaтoмicть вкaзaнi мeтoди дoбpe пpoявляють ceбe при виявлeннi: зaгaльнoгo то-
poзiйнoгo знoшeння, пepeвaнтaжeння гостш-ним нaвaнтaжeнням, тeкyчocтi мaтepiaлy, змiнi poзpaxyнкoвoï cxeми i т.п.
Вpaxoвyючи piвeнь дocягнeнь нaтypнoï ди-нaмiчнoï дiaгнocтики пpoпoнyeтьcя така cxeмa poбiт для мoнiтopингy тexнiчнoгo стану мocтiв:
1. Екcпepимeнтaльнe визнaчeння частот та фopм влacниx кoливaнь cпopyди. Пopiв-няння циx пapaмeтpiв з пoчaткoвими (динaмiчний пacпopт).
2. При наяв^ст! змiн динaмiчниx пapaмe-тpiв викoнaння aнaлiзy циx змiн та го-пepeднe cклaдaння вapiaнтiв функци пoшкoджeнь i визнaчeння мoжливиx д> лянoк з дeфeктaми.
3. Пpoвeдeння чacткoвoгo oбcтeжeння в зoнax мoжливиx дeфeктiв.
4. Кopигyвaння poзpaxyнкoвoï cxeми та фyнкцiï пoшкoджeнь за peзyльтaтaми oбcтeжeнь, aнaлiз дocтaтнocтi тaкиx то-ригувань при пopiвняннi з фактичними змшами динaмiчниx пapaмeтpiв. Визна-чeння тexнiчнoгo cтaнy мocтy з вpaxy-ванням виявлeниx дeфeктiв.
5. При нeдocтaтнocтi внeceниx змiн вито-нyeтьcя пoвтopeння пyнктiв 2 - 4, дo го-внoгo виявлeння вж дeфeктiв.
Зpoзyмiлo, щo нaйкpaщoю е еттуащя, кoли пpoвeдeнi випpoбyвaння ж фiкcyють змiн в чacтoтax та фopмax кoливaнь y пopiвняннi з пacпopтними даними, на ocнoвi чoгo, мoжнa зpoбити пoпepeднiй виcнoвoк npo нeзмiннicть тexнiчнoгo cтaнy cпopyди. Хoчy вiдмiтити, щo виcнoвoк бyдe caмe пoпepeднiм, i йoгo тpeбa щe пiдкpiпити oбcтeжeннями cпopyди, xoчa б за нeпoвнoю пpoгpaмoю. Paзoм з тим виcлoвлюю впeвнeнicть, щo шиpoкe впpoвaджeння в практику мeтoдiв вiбpaцiйнoï дiaгнocтики дoзвoлить
напрацювати достатню експериментальну базу та збшьшити довiру до можливостей цих ме-тодiв.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Коваль, П. М. Науковий супроввд ДерждорНД1 системи експлуатацп моспв Украши [Текст] / П. М. Коваль // Дороги i мости: зб. наук. статей / ДерждорНД1. - Вип. 7, т. 1. - К.: ДерждорНД1, 2007 - С. 237-252.
2. Challenges in experimental vibration analysis for structural identification and corresponding engineering strategies [Текст] / J. Zhang et al. // Proc. of the int'l conf. on experimental vibration analysis for civil engineering structures. -Wroclav, Poland, 2009. - P. 13-34.
3. Мониторинг будiвельних конструкцш i застосу-вання нових державних норм ДБН В .1.112:2006 Будiвництво в сейсмiчних районах Украши [Текст] / О. К. Хавшн та ш. // Будiве-льш конструкцii: зб. наук. пр. - Вип. 69. - К.: НД1БК, 2008. - С. 26-44.
4. ГОСТ 24346-80. Вибрация. Термины и определения [Текст].
5. Вибрации в технике [Текст]: справочник в 6 т. -М.: Машиностроение, 1978-1981.
6. Методические рекомендации по вибродиагностике автодорожных мостов [Текст]. - М.: Роса-втодор, 2001. - 24 с.
7. РВ.2.3-218-00018112-521:2006. Рекомендацп з динамiчних випробувань моспв та шляхопро-водiв [Текст]. - К.: Укравтодор, 2006. - 34 с.
8. Wenzel, H. Ambient Vibration Monitoring [Текст] / H. Wenzel, D. Pichler. - John Wiley & Sons, Ltd, 2005. - P. 291.
9. Andersen, P. Identification of Civil Engineering Structures using Vector ARMA Models [Текст] / P. Andersen. - Aalborg University, 1997. - P. 244.
10. Редченко, В. П. Особливосп застосування спектрального аналiзу при дослвдженш коливань будiвельних конструкцш [Текст] : монографiя /
B. П. Редченко. - Д.: Пороги, 2010. - 98 с.
11. Редченко, В. П. Визначення власних частот коливань прогонових будов моспв методом складання спекав [Текст] / В. П. Редченко // Диагностика, довговiчнiсть та реконструк^ моспв i будiвельних конструкцш: зб. наук. пр. - Вип. 11. - Львiв: Каменяр, 2009. -
C. 199-203.
Надшшла до редколегп 05.03.2010.
Прийнята до друку 12.03.2010.
