CC BY
183
УДК 624.13
СИСТЕМА МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ТРЕЩИН ЗДАНИЙ
© 2011 г. М.П. Крахмальная
Южно-Российский государственный South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Выполнен обзор и анализ существующих приборов и систем измерения ширины раскрытия трещин зданий и сооружений, а также приводится описание разработанной автором системы мониторинга состояния трещин зданий и сооружений, позволяющей в реальном масштабе времени проводить измерения и автоматизировать процесс передачи данных посредством беспроводной связи.
Ключевые слова: мониторинг раскрытия трещин; беспроводная передача данных; датчик перемещений; индикатор часового типа ИЧ-10; автоматизация измерений.
In article the review and the analysis of existing devices and systems of measurement of width of disclosing of cracks of buildings and constructions is executed, and also the description of the system of monitoring of a condition of cracks of buildings developed by author and the constructions is resulted, allowing in real time to spend measurements and to automate process of data transmission by means of a wireless communication.
Keywords: monitoring of disclosing of cracks; wireless data transmission; the gage of movings; the indicator of hour type; automation of measurements.
Объем проводимых работ по обследованию строительных объектов увеличивается с каждым годом, что является следствием ряда объективных факторов. К сожалению, в последнее время растет число разрушений конструкций зданий и сооружений. Увеличение количества аварийных обрушений зданий и сооружений можно связать с несколькими основными причинами. Наряду с устаревшим жилищным фондом, нуждающимся в переоснащении, это и бурные темпы строительства, не всегда профессиональное проектирование.
В настоящее время контроль технического состояния жилых зданий осуществляется жилищной инспекцией не реже чем раз в 5 лет. Практика показывает, что существует немало примеров неожиданных обрушений зданий и сооружений, вследствие которых погибают люди. Одним из таких примеров является неожиданное обрушение аквапарка «Трансвааль» в Москве в 2004 г.
В целях реализации комплексной безопасности строительных объектов необходимо рассматривать мониторинг технического состояния зданий и сооружений как элемент единой функциональной системы управления зданием (сооружением). Концепция «интеллектуального здания» подразумевает создание единого центра управления интеллектуальными системами здания (сооружения), в связи, с чем необходимо рассматривать систему мониторинга состояния их параметров как дистанционно управляемую с целью развертывания таких систем в эксплутационных службах распределенных объектов [1].
Особенно важно проведение обследований с последующим мониторингом после различных техногенных и природных воздействий, при реконструкции старых зданий и сооружений, что часто связано с изменением действующих нагрузок, функционального назначения зданий и необходимостью учета современных норм проектирования. Ввиду того что деформационные воздействия на конструкции сооружений в результате изменения состояния свойств основания
носят в основном длительный характер, на сегодняшний день наиболее эффективным способом прогнозирования и предупреждения аварийных ситуаций является мониторинг их технического состояния, проводящийся в периодическом режиме. Во время проведения мониторинга зданий и сооружений существует вероятность появления проблемы, связанной с труд-нодоступностью объекта для эксперта. В ряде случаев для непосредственного доступа к наблюдаемой конструкции, обязательным является наличие у человека специальной физической подготовки, например навыков альпинизма [2].
При обследовании строительных конструкций наиболее ответственным этапом является изучение трещин, выявление причин их возникновения и динамики развития. При наличии трещин на несущих конструкциях зданий и сооружений необходимо организовать систематическое наблюдение за их состоянием и возможным развитием с тем, чтобы выяснить характер деформаций конструкций и степень их опасности для дальнейшей эксплуатации [3, 4].
В большинстве случаев динамику раскрытия трещин определяют визуально, с устройством гипсовых и стеклянных маячков или пластинчатых щелемеров различных конструкций [5]. Критерием развития трещины в данном случае служит разрыв маяка или смещение пластинок по отношению друг к другу. Однако недостатком данных устройств является большая трудоемкость при эксплуатации и невозможность автоматизации измерений. Особенно трудоемко и затруднительно использовать данные устройства в том случае, если контролируемая трещина находится в трудно доступном месте или на большой высоте.
Известен способ мониторинга трещин в строительных конструкциях [6], включающий жесткую установку с помощью монтажного шаблона опор инвентарной измерительной базы на поверхности строительной конструкции на разных берегах трещины, измерение датчиком в виде индикатора часового типа расстояния между опорами с определением прираще-
ний параметров трещины, причем измерение расстояния между опорами проводят в ортогональных направлениях.
Однако данное устройство затруднительно использовать при необходимости контролировать большое количество трещин в здании или сооружении
Для мониторинга состояния трещин известны датчики перемещения LVDT [7], которые через интерфейс подключаются к компьютеру или микропроцессору, что позволяет проводить непрерывные наблюдения за процессом раскрытия трещин в реальном масштабе времени.
Подобная измерительная система включает в себя следующие устройства:
- датчик перемещения на основе эффекта Холла. Диапазон измерения:
± 3 мм с точностью 0,01 мм;
- блок усиления сигналов и преобразования их в цифровой вид;
- кабельная сеть;
- компьютер с программой «Geotek-SHM».
Недостатком указанной измерительной системы
является небольшой диапазон измерений контролируемых параметров. Кроме того, технология снятия измерений с указанных датчиков исключает возможность беспроводной передачи данных на компьютер, что значительно сокращает область её применения.
Нужно сказать, что в настоящее время довольно широко рассмотрен круг вопросов, касающихся методов и средств обследования зданий и сооружений. Но в то же время развитие технической мысли продолжается. И спектр средств обследования продолжает расширяться, при этом старые уходят в прошлое. Сегодня появляются возможности создания совершенно новых методик обследования на базе имеющихся технологий. Достаточно лишь разумно их использовать и умело связать [8].
Автором разработана система мониторинга состояния трещин зданий и сооружений [9], позволяющая в реальном масштабе времени проводить измерения и автоматизировать процесс передачи данных посредством беспроводной связи.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в обеспечении возможности автоматизации измерений ширины раскрытия большого
количества трещин и стыков, что особенно актуально в тех случаях, если контролируемые трещины находятся в труднодоступных местах.
Система мониторинга состоит из одного или нескольких датчиков перемещения и регистрирующего прибора, в качестве которого может быть использован компьютер или переносной ноутбук.
В датчики перемещений введены реохорд и токосъемник, аналогоцифровой преобразователь, микроконтроллер, передающий радиомодуль, с поддержкой протокола Zigbee, химический источник питающего напряжения, модуль «часы-будильник» (рис. 1).
Датчики устанавливаются на соответствующие точки контроля, которые могут находиться в разных частях здания или сооружения. При этом принимающий радиомодуль, подключенный к устройству регистрации, связан по радиоканалу с каждым передающим радиомодулем, которые входят в состав датчиков (рис. 2).
Датчик работает следующим образом. При расширении контролируемой трещины увеличивается расстояние между датчиком и упором выдвижного штока. В результате выдвижной шток индикатора часового типа двигается вслед за упором, а индикатор часового типа показывает перемещение. Движение обусловлено тем, что в индикаторе часового типа содержится пружина. В устройстве может использоваться стандартный индикатор часового типа, например, ИЧ-10 (-25, -50).
Токосъемник реохорда механически связан с подвижным штоком индикатора часового типа, он получает сигнал, пропорциональный перемещению выдвижного штока. С токосъемника сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь, который преобразует входной аналоговый сигнал в цифровой код. С выхода аналогоцифрового преобразователя цифровой код поступает на вход микроконтроллера. Затем микроконтроллер через радиомодуль передает значение перемещения на принимающий радиомодуль и регистрирующий прибор. Благодаря этому нет необходимости прокладывать проводные линии связи.
Питающее напряжение для всех модулей в датчике создается автономным химическим источником питающего напряжения, благодаря этому нет необходимости проводить к датчику провода питающего напряжения.
Рис. 1. Схема устройства датчика перемещений: 1 - индикатор часового типа, 2 - реохорд, 3 - подвижный токосъемник реохорда, 4 - выдвижной шток индикатора, 5 - аналогово-цифровой преобразователь, 6 - микроконтроллер, 7 - передающий радиомодуль, 8 - химический источник тока, 9 - часы-будильник, 10 - опоры датчика, 11 - упор выдвижного штока,
12 - принимающий радиомодуль, 13 - регистрирующий прибор
12
13
Датчик п
Рис. 2. Система мониторинга зданий и сооружений
Модуль «часы-будильник» настроен таким образом, что сигнал будильника поступает на микроконтроллер периодически, например 1 раз в сутки. Только после поступления сигнала будильника от модуля «часы-будильник» на микроконтроллер все модули датчика переходит в режим «работа». Весь измерительный цикл проделывается один раз, после чего датчик снова переходит в режим «сон». Время, в течение которого происходит весь измерительный цикл, составляет не более 1 с. Таким образом, достигается существенная экономии электроэнергии, химического источника питающего напряжения хватает на длительное время, исчисляемое годами.
Технические параметры датчика: точность измерений - до 0,01 мм; диапазон измерений - зависит от индикатора часового типа - 10, 25 и 50 мм; дальность передачи данных - до 100 м. При необходимости контролировать несколько трещин в различных частях здания или сооружения следует использовать несколько датчиков, по числу контролируемых точек. При этом принимающий радиомодуль поочередно связывается с передающими радиомодулями, входящими в состав каждого датчика. Каждый из них имеет свой номер и передает информацию по радиоканалу на регистрирующий прибор.
Перед установкой датчика на контролируемую трещину необходимо выполнить тарировку прибора. Для этого в корпус датчика специально вмонтирован индикатор часового типа ИЧ-10. При переключении микроконтроллера в режим «тарировка», датчик постоянно находится в рабочем состоянии и показания снимаются не раз в сутки, а по каждому требованию устройства регистрации. При задании перемещения выдвижного штока, индикатор с точностью до 0,01 мм определяет это перемещение, и пользователь визуально снимает показания по индикатору и по устройству регистрации. Тарировка выполняется во всем интервале перемещения выдвижного штока, и по показаниям датчика строится тарировочный график, на котором отражено, какому показанию микроконтроллера соответствует расширение трещины. Данный график необходим впоследствии для расшифровки получаемых показаний с датчика. Кроме этого, по индикатору
Поступила в редакцию
часового типа пользователь может периодически визуально контролировать показания датчика и определять его исправность.
Данные, полученные на объекте, автоматически заносятся в базу для последующего анализа. Таким образом, достигается технический результат, который заключается в обеспечении возможности автоматизации измерений ширины раскрытия большого количества трещин и стыков.
Данная система мониторинга прекрасно вписывается в систему «интеллектуального здания», так как персональный компьютер, на который поступают все результаты измерений, контролирует ширину раскрытия каждой трещины и заблаговременно оповещает пользователя при интенсивной динамике раскрытия какой-либо трещины. Данная система мониторинга позволяет определить причину возникновения дефектов и предотвратить аварийное разрушение здания.
Литература
1. Шахраманьян А.М. Модели и алгоритмы проектирования и функционирования систем дистанционного мониторинга технического состояния зданий и сооружений : дис. ... канд. техн. наук . М, 2005. 22 с.
2. Технологии обеспечения безопасности гидротехнических сооружений / В.А. Волосухин [и др.] / Институт безопасности ГТС - Новочеркасск, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) 2010. 555 с.
3. Безопасность гидротехнических сооружений: нормативно -методические документы: в 10 т. / В.А. Волосухин [и др.]. Новочеркасск.
4. Калинин В.М., Сокова С.Д., Топилин А.Н. Обследование и испытание конструкций зданий и сооружений. М., 2005. 336 с.
5. Обследование строительных конструкций зданий (Электронный ресурс): Методы и средства наблюдения за трещинами. URL: http://www.constructiontest.ru/default. aspx.textpage=14 (дата обращения 20.03.2010).
6. Способ мониторинга трещин в строительных конструкциях: пат. 2178049 Рос. Федерация : E04G23/00, G01B5/30 / Л.Н. Репников; А.И. Мороз; В.С. Жашков; А.А Аникин. -2000108269/03 заявл. 06.04.2000; опубл. 10.01.2002.
7. Мониторинг раскрытия трещин. URL: http://www.npp-geotek.ru/publications/monitiring/mon_treshin.pdf
8. Жадан М.П., Евтушенко С.И., Архипов Д.Н. Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений // материалы VI Междунар. науч.-практ. конф./ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск, 2006. Ч. 2. С. 57 - 59.
9. Система мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений: пат.на полезную модель 102035 Рос. Федерация : E04G 23/00 (2006.01) / М.П. Крахмальная, Т.А. Крахмальный, С.И. Евтушенко. / заявка 2010140258, заявл. 01.10.2010; опубл. 10.02.2011. Бюл. №4.
31 января 2011 г.
Крахмальная Марина Петровна - аспирант, кафедра «Сопротивление материалов, строительная и прикладная механика», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (86352) 26-48-00. E-mail: marischka_86@mail.ru
Krahmalnaja Marina Petrovna - post-graduate student, department «Resistance of Materials, the Building and Applied Mechanics», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86352) 26-48-
00.
E-mail: marischka_86@mail.ru
