CC BY
143
Научно-технические разработки
УДК 699.8:620.1:624.1/.9:624.2/.8:626
М.В. Ведерников к.т.н., Г.Е. Прохорович к.т.н., М.А. Марченко (Учреждение науки ИКЦСЭКТ, ВКА им. А.Ф. Можайского, г. Санкт-Петербург)
СИСТЕМЫ ДОЛГОВРЕМЕННОГО КОНТРОЛЯ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ СТРУННЫХ ДАТЧИКОВ ДЕФОРМАЦИИ
Методические основы дистанционного мониторинга напряженно-деформированного состояния несущих конструкций потенциально опасных зданий и сооружений, пример конкретной реализации
системы долговременного контроля
Архитектура современных мегаполисов предполагает массовое строительство широкопролетных сооружений, например, таких как торговые центры, рынки, бассейны. При эксплуатации подобных сооружений, могут возникать непредвиденные ситуации, связанные с достаточно быстрым увеличением нагрузок на несущие элементы. Это может происходить, например, вследствие сочетания неблагоприятных погодных условий (выпадение «нерасчетного снега», намокание утеплителя кровли), либо вследствие перераспределения нагрузок в результате неравномерной осадки фундамента под опорами пролетов. Не исключаются и разрушения отдельных несущих элементов широкопролетных сооружений вследствие применения некачественных строительных материалов, отклонения от проекта в процессе строительства и, наконец, из-за проектных ошибок. Такие локальные разрушения обязательно будут вызывать нерасчетное перераспределение нагрузок и могут приводить к обрушениям перекрытий или зданий. Причем обрушение может произойти необязательно непосредственно в момент возникновения локальных разрушений, а значительно позже, при неблагоприятном сочетании нагрузок, в том числе и расчетных, но расчетных для неповрежденной конструкции. Как показывает практика, частота возникновения аварийных ситуаций, в том числе и с катастрофическими последствиями, не имеет тенденций к снижению.
В подавляющем большинстве случаев изменение эксплуатационных нагрузок на несущие элементы сооружений происходит достаточно медленно: от десятков минут и более — при изменении погодных условий, до суток и месяцев — при изменении сезонных условий эксплуатации зданий и до месяцев и лет — при осадке фундаментов. Медленно происходит также и деформация несущих элементов сооружений (накопление деформаций). Для зрелищных сооружения изменения эксплуатационных нагрузок на несущие конструкции балконов и сцен происходит значительно быстрее. Но и оно происходит в течение минут, что по продолжительности в сотни раз больше времени срабатывания системы долговременного контроля.
В момент достижения некоторого предельного значения деформации несущего элемента происходит его разрушение. Однако чаще всего задолго до достижения предельных нагрузок происходит разрушение силовых связей между несущими элементами.
Так как деформация одного несущего элемента под действием эксплуатационных нагрузок приводит и к деформации всех других связанных с ним несущих элементов, то имеется возможность при использовании соответствующей аппаратуры контролировать состояние всей или значительной части конструкции по поведению ее отдельных (ключевых) конструктивных элементов или связей между ними.
В настоящее время существует широкий спектр типов регистрирующих приборов и соответствующих датчиков, которые могут с высокой точностью и в текущем масштабе времени определять деформации и перемещения конструктивных элементов различных технических и строительных объектов. Известны методы расчета по принятым моделям нагружения строительных конструкций, позволяющие определять распределение нагрузок во всех элементах по результатам измерения деформаций и перемещения в ее отдельных точках. Использование указанных приборов измерения деформаций и методов расчета позволит выявить факт возникновения опасной ситуации и своевременно оповестить людей.
По статистике, очень часто происходит обрушение перекрытий зданий. Это объясняется длительным воздействием на конструкцию перекрытий не только нагрузок, но и совокупности ряда неблагоприятных факторов. В первую очередь к таким факторам следует отнести воздействие влаги и воздействие электрических полей от проложенных по конструкции силовых и осветительных кабелей. Такое сочетание факторов приводит к резкому ускорению коррозионных процессов, особенно в сварных швах.
Для оценки текущего состояния несущих конструкций перекрытий зданий требуется осуществление непрерывного или периодического, но достаточно часто проводимого приборного контроля. Условия проведения контроля этой группы несущих элементов могут быть достаточно сложными:
- колебания в широком диапазоне температуры и влажности;
- отклонения от нормы или даже полное отключение на продолжительное время энергопитания контролирующих приборов;
- необходимость оперативного изменения по командам оператора или в автоматическом режимах частоты опроса датчиков деформации.
Одним из важных требований к системе долго-
временного контроля является высокая надежность и стабильность ее работы в течение всего или практически всего срока эксплуатации сооружения после момента развертывания системы. В первую очередь это требование относится к датчикам деформаций и перемещений, что объясняется сложностью, а порой и невозможностью их замены после установки в таких труднодоступных местах как основания зданий, арматурный скелет несущих строительных конструкций, купола и шпили, и т.п.
Алгоритм обращения к датчикам деформации и съема с них сигнала должен быть простым. Это позволит с течением времени производить модернизацию регистрирующих приборов системы долговременного контроля (вторичные элементы системы) без замены самих датчиков деформаций и перемещений (первичные элементы системы).
Система долговременного контроля должна быть спроектирована таким образом, чтобы она по возможности, не требовала высокого уровня квалификации персонала, производящего установку датчиков и сборку системы в целом.
В связи с отмеченными особенностями работы системы долговременного контроля выбор приборов, из числа имеющихся на рынке и отвечающих сформулированным выше требованиям, резко сужается. Сопоставительный анализ существующих подходов к разработке и эксплуатации систем долговременного контроля и имеющейся на рынке элементной базы показывает, что для указанных целей в наибольшей степени подходят системы долговременного контроля, основанные на струнных датчиках деформации (струнных тензодатчиках).
Чувствительным элементом струнного тензодатчика является натянутая струна, собственная частота колебаний которой изменяется в зависимости от напряжений материала струны. Эти напряжения, в свою очередь, изменяются при деформационном изменении длины корпуса датчика, жестко связанного и с деформирующимся в процессе эксплуатации несущим элементом строительной конструкции, и с элементами крепления (защемления) струны внутри его корпуса. Определяя частоту собственных колебаний струны, можно определить и деформацию корпуса датчика, и деформацию элемента строительной конструкции, на которой он установлен.
Главными преимуществами струнных тензодатчи-ков являются:
- полная независимость выходного сигнала чувствительного элемента (струна) от возможных перебоев в работе электрического питания измерительных цепей, блоков управления и регистрации;
- способность некоторых типов струнных датчиков работать при любой влажности и даже под водой на глубине до 100 м;
- возможность учета влияния температуры на частоту собственных колебаний струны;
- возможность проведения индивидуальной тарировки датчика перед установкой;
- простота установки датчика на все без исклю-
чения виды строительных конструкций.
Струнные датчики применяются, начиная с первой трети прошлого века. В нашей стране они нашли широкое применение уже с конца 40-х годов. В частности, струнные датчики различных типов устанавливались в тело плотин при строительстве Каховской, Новосибирской, Бухтаринской, Братской, Усть-Илимской, Красноярской и Зейской гидроэлектростанций. В космической отрасли, в 60-70-е годы, аналогичные датчики применялись на космодроме «Байконур» при строительстве стартовых комплексов ракет космического назначения «Протон» и «Буран».
Очень важными требованиями, предъявляемым к струнным датчикам, является герметичность, отсутствие внутри и снаружи датчика каких-либо электронных элементов, минимальное напряжения (в пределах 3—5 Вольт), подаваемое на систему возбуждения колебаний струны. При выполнении последнего требования ресурс струны датчика может быть доведен до 500—700 лет (для принятой в энергетической отрасли частоте опроса датчиков — 4 цикла в сутки). В системах долговременного контроля несущих элементов перекрытий зданий частота опроса датчиков должна быть увеличена в 10—12 раз, что позволит гарантированно эксплуатировать датчик в течение не менее 50 лет. Для увеличения срока эксплуатации датчиков можно пойти на увеличение числа датчиков, устанавливаемых в каждой контролируемой точке, и на проведение их попеременного и разновременного опроса. Пропорционально увеличению числа датчиков снизится частота их опроса и соответственно возрастет ресурс каждого датчика. Это особенно важно для случаев, когда датчики заложены в бетон или установлены снаружи, но в труднодоступных местах.
Развертывание системы долговременного контроля возможно как при строительстве вновь возводимых объектов, так и при капитальном ремонте или в процессе эксплуатации уже существующих зданий и сооружений. Работоспособность струнного датчика перед монтажом на объекте легко проверяется (рис. 1).
Для снижения влияния на работу датчика погрешностей монтажа, исключения изгиба корпуса датчика в процессе деформации контролируемого объекта целесообразна его установка в кардане (рис. 2, 3).
Для повышения достоверности измерений, расширения возможностей системы она может наращиваться и малогабаритными датчиками деформации (но с меньшим сроком эксплуатации). Выбор типа таких датчиков, точек их установки определяется в ходе анализа конкретного строительного объекта.
При возведении новых зданий систему длительного контроля целесообразно разворачивать на начальном этапе строительства, что позволит в последующем учитывать полные нагрузки на несущие конструкции зданий и поведение конструкций в процессе строительства.
Подобные системы могут и должны разворачиваться не только в зданиях, но и на объектах транспортной инфраструктуры, например, на мостах, причалах и площадках разгрузки портов.
Научно-технические разработки
Научно-технические разработки
2 6 1 3 1 4 14 2
Рис. 1. а, б - струнные тензодатчики [1]: 1 - корпус; 2 - анкерные кольца; 3 - опорная пробка; 4 - магнитодержатель;
5 - опорный ниппель; 6 - гайка для натяжения струны; 7- настроечный ниппель; 8 - стопорный винт; 9 - уплотнительный винт; 10 - задняя крышка; 11 - передняя крышка; 12 - штуцер для вывода кабеля; 13 - катушка электромагнита;
14 - контактные стержни; 15 - резиновая пробка; 16 — уплотнительная гайка
Рис. 2. Общий вид стенда для тарировки струнных датчиков
БДок регист управления
Рис. 3. Карданная подвеска струнного датчика
Рис. 4. Демонстрационный макет системы долговременного контроля на выставке «Военно-космическая деятельность России — истоки, состояние, перспективы», март 2005 года, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского
Литература
1. Эткин Л.Г. Виброчастотные датчики. Теория и практика. — М.: Изд-во МВТУ им. Н.Э.Баумана, 2004.
- 408 с.: ил. ISBN 5-7038-2329-3
Научно-технические разработки
