SYSTEMY MONITOROWANIA KONSTRUKCJI SPRĘŻONYCH

Transkrypt

1 SYSTEMY MONITOROWANIA KONSTRUKCJI SPRĘŻONYCH Sieńko Rafał 1, Howiacki Tomasz 2 Politechnika Krakowska Bednarski Łukasz 3 Akademia Górniczo- Hutnicza AGH w Krakowie Streszczenie. Technologię sprężania wykorzystuje się przede wszystkim w elementach o dużych rozpiętościach, przenoszących znaczne obciążenia, których konsekwencje zniszczenia byłyby bardzo duże. Dlatego istotnym jest, aby proces projektowania, wznoszenia oraz późniejszej eksploatacji takich obiektów był odpowiednio kontrolowany. Procedury obliczeniowe zamieszczone w normach pozwalają na bezpieczne projektowanie, jednak nie dostarczają pełnej wiedzy na temat pracy konstrukcji w rzeczywistych warunkach użytkowania. Taką wiedzę można pozyskać interpretując wyniki pomiarów wykonanych za pomocą systemów monitorowania konstrukcji. W artykule przedstawiono przegląd sposobów monitorowania pracy elementów sprężonych na przykładzie wybranych systemów zrealizowanych na różnego typu obiektach w Polsce. Słowa kluczowe: systemy monitorowania konstrukcji, konstrukcje sprężone. 1. Wprowadzenie Według prof. Olszaka zastosowanie w inżynierii lądowej konstrukcji sprężonych znamionuje niewątpliwie wyższy stopień opanowania sił przyrody przez technikę [1]. Sprężane są przede wszystkim konstrukcje i elementy o bardzo dużych rozpiętościach, przenoszące znaczne obciążenia, których konsekwencje zniszczenia byłyby bardzo duże. Współcześnie praktycznie każda wielkogabarytowa konstrukcja o niestandardowej geometrii (mosty, stadiony, fundamenty, zadaszenia, stropy) wykorzystuje zalety sprężania. Pojęcie sprężania w pracy [2] zostało zdefiniowane jako wprowadzenie do konstrukcji wstępnego układu sił wewnętrznych, który tak przeciwdziała niebezpiecznemu układowi sił od obciążeń zewnętrznych, że łączne działanie tych układów konstrukcja przeniesie bezpiecznie. Można zatem powiedzieć, że projektowanie sprężenia to proces świadomej ingerencji projektanta w stan naprężeń występujący w konstrukcji. Najczęściej ingerencja ta odbywa się na skutek naciągu stalowych cięgien z określoną siłą, wzdłuż szczegółowo zaplanowanej trasy. Współcześnie mówiąc o konstrukcjach sprężonych, zazwyczaj mamy na myśli konstrukcje wykonane z betonu, w których trasy kablowe prowadzi się wewnątrz elementu lub poza przekrojem za pomocą dewiatorów. Jednak technika sprężania z powodzeniem stosowana jest także w konstrukcjach stalowych, drewnianych i innych. W świetle powyżej przedstawionej definicji, do konstrukcji sprężonych należy zaliczyć także różnego rodzaju układy cięgnowe, np. linowe przekrycia obiektów inżynierskich (hale sportowe, amfiteatry, inne), a także mosty podwieszane i wiszące, w których siła w wantach została odpowiednio wyregulowana. Procedury obliczeniowe przedstawione w obecnych normach, np. [3], pozwalają na bezpieczne projektowanie konstrukcji sprężonych, jednak nie dostarczają pełnej wiedzy na temat ich pracy 1 dr inż., rsienko@pk.edu.pl 2 mgr inż., howiacki.tomasz@gmail.com 3 dr inż., lukaszb@agh.edu.pl

2 w rzeczywistych warunkach użytkowania. Na etapie projektu nie jest możliwe uwzględnienie całej złożoności materii i zjawisk, które zachodzą nie tylko w trakcie naciągu kabli, ale także w czasie późniejszej eksploatacji konstrukcji. Ponadto w obliczeniach często przyjmuje się wiele uproszczeń, idealizacji i założeń, związanych m.in. z jednorodnością materiałów, brakiem imperfekcji geometrycznych, warunkami podparcia, wielkością poślizgu cięgna w zakotwieniu oraz zjawiskami reologicznymi (stała wilgotność, stałe obciążenie, itp.). Prowadzona analiza, choć poparta doświadczeniem z praktycznych realizacji, jest tylko analizą teoretyczną. Pełniejszą wiedzę na temat pracy konstrukcji sprężonych można zdobyć interpretując wyniki pomiarów prowadzonych w warunkach in situ przez długi okres czasu. Konstrukcjom sprężonym zarzucano i dalej wciąż niektórzy zarzucają, że przez podatność stali sprężającej na korozję oraz niewielkie przekroje drutów w cięgnach sprężających, są one niebezpieczne, gdyż zbyt późno informują przez zarysowania i ugięcia o swoim przeciążeniu. Dziś stosowane stale charakteryzują się znacznie lepszymi właściwościami (zależność ) oraz w procesie projektowania celowo ograniczamy dopuszczalne naprężenia w cięgnach, by uszkodzenie proporcjonalnie niewielkiej liczby splotów nie spowodowało awarii konstrukcji. Proces projektowania opiera się jednak na teorii prawdopodobieństwa, zgodnie z którą ekonomicznie nieuzasadnione jest projektowanie konstrukcji, które zabezpieczone byłyby przed wszystkimi możliwymi niepewnościami związanymi z charakterystykami materiałów, błędami projektowymi, wykonawczymi, niewłaściwą eksploatacją, czy niedoszacowanymi lub nieprzewidzianymi oddziaływaniami. Ze względów bezpieczeństwa, brak wiedzy o tych ukrytych niewiadomych, bezpośrednio związanych ze stanem technicznym konstrukcji, jest bardzo niepożądany. Dążymy zatem obecnie do poszukiwania rozwiązań, które umożliwiłyby nam w trakcie całego okresu eksploatacji obiektu (ale również w trakcie budowy), udzielanie obiektywnej odpowiedzi o stopniu bezpieczeństwa konstrukcji. 2. Systemy monitorowania konstrukcji Współcześnie dynamicznie rozwijającą się na świecie (w Polsce od kilku lat) dziedziną inżynierii lądowej są systemy monitorowania konstrukcji (ang. Structural Health Monitoring SHM). Do podstawowych zadań monitoringu inżynierskiego zaliczyć należy zwiększenie bezpieczeństwa konstrukcji poprzez ciągłe pomiary wybranych wielkości fizycznych, istotnych z punktu widzenia pracy konstrukcji oraz wdrożenie procedur ostrzegania i postępowania w przypadku przekroczenia tzw. wartości alarmowych. Należy podkreślić, że stosowanie systemów monitorowania nie umniejsza roli człowieka (eksperta) w orzekaniu o stanie technicznym obiektu, a jedynie ułatwia podjęcie decyzji poprzez dostarczenie istotnych informacji na temat pracy konstrukcji. Rysunek 1. Struktura procesu monitorowania [4]. Kolejnym zadaniem takich systemów jest gromadzenie, przetwarzanie i interpretowanie bardzo dużej liczby danych pod kątem weryfikacji poprawności założeń przyjętych na etapie projektowania. Ma to istotne znacznie dla celów naukowych, dzięki tym obserwacjom możliwe będzie korygowanie procedur obliczeniowych, wytycznych normowych, itp. Dane mogą posłużyć również projektantowi podczas stosowania tzw. obserwacyjnej metody projektowania [Eurokod 7] umożliwiając modyfikację rozwiązań na podstawie kontroli odpowiedzi konstrukcji na przykładane doń oddziaływania podczas jej wznoszenia. Mogą także być wykorzystane jako wskazówki w przypadku realizacji analogicznych obiektów w przyszłości. Objęcie monitoringiem inżynierskim konstrukcji sprężonych, ze względu na ich często skomplikowaną pracę i proces wznoszenia, a także zazwyczaj bardzo duże konsekwencje zniszczenia, jest dzisiaj zalecane. Tym bardziej, że zachowanie się takich konstrukcji istotnie zmienia się w czasie

3 ze względu m.in. na przyrost strat siły sprężającej związany z reologią betonu (pełzanie, skurcz) oraz stali (relaksacja). Podstawową wadą klasycznej diagnostyki konstrukcji sprężonych (i nie tylko), polegającej na okresowych przeglądach, jest stosunkowo długi czas pomiędzy kolejnymi kontrolami oraz konieczność dostępu do konstrukcji w celu jej wizualnego oglądu lub pobrania próbek (często dostęp do elementów konstrukcji jest technicznie utrudniony) [5]. Po zainstalowaniu czujników jako komponentów systemu monitorowania, pomiary realizowane są bezobsługowo (bez bezpośredniego udziału człowieka) oraz, co ważne, konstrukcja analizowana jest w sposób ciągły z inżynierskiego punktu widzenia (tzn. pomiary mogą być wykonywane co kilka minut lub nawet, w przypadku analiz dynamicznych, co kilka tysięcznych sekundy). Warto podkreślić, że w Polsce od 2009 roku instalowanie systemów monitorowania konstrukcji na określonych obiektach inżynierskich wynika już nie tylko z odpowiedniej świadomości uczestników procesu budowlanego, ale także z konieczności spełnienia wymogów prawa budowlanego [6]. 3. Monitorowanie sprężonych konstrukcji z betonu Kontrola betonowych konstrukcji sprężonych rozpoczyna się właściwie w momencie naciągu kabli. Istnieje kilka sposobów monitorowania tego procesu, jednak najczęściej korzysta się z pomiaru poślizgu cięgna w zakotwieniu oraz kontroli siły sprężającej poprzez pomiar ciśnienia hydraulicznego w prasie naciągowej. Gdy planowana jest długoterminowa kontrola siły, można pomiędzy czołem elementu, a zakotwieniem, zainstalować siłomierze, które będą stanowić część docelowego systemu monitorowania. Takie rozwiązanie jest oczywiście przydatne w ocenie pracy konstrukcji kablobetonowych z cięgnami bez przyczepności. Rysunek 2. Przykładowe siłomierze strunowe (po lewej) oraz zastosowanie w praktyce [7]. Rysunek 3. a) Strunowy czujnik odkształceń na powierzchni betonu; b) Strunowe czujniki odkształceń przeznaczone do zatopienia wewnątrz betonu [7]. W takcie eksploatacji konstrukcji sprężonych, ich praca może być monitorowana przy pomocy powierzchniowych czujników odkształceń, stosowanych powszechnie w różnego rodzaju konstrukcjach betonowych i żelbetowych. Ciekawym rozwiązaniem może być także pomiar odkształceń wewnątrz betonu (rys. 3b). Na rysunku nr 4 przedstawiono czujniki odkształceń wewnątrz betonu, zainstalowane w ramach systemu monitorowania konstrukcji w obrębie dwukierunkowo sprężonej płyty stropowej. Czujniki zostały zamontowane w taki sposób, aby móc analizować zarówno odkształcenia przy dolnej, jak i górnej krawędzi płyty.

4 Wnioskowanie o stanie naprężeń w przekroju na podstawie zmierzonych wartości odkształceń jest słuszne w przypadku elementów stalowych. Stal charakteryzuje się wysoką jednorodnością, a więc jej moduł sprężystości może być przyjmowany z dużą dokładnością. Ponadto jego wartość nie zmienia się istotnie w czasie. W przypadku konstrukcji betonowych, efektywny moduł sprężystości zmniejsza swoją wartość wraz z upływem czasu, przede wszystkim na skutek procesu pełzania betonu [8]. Zjawisko to jest szczególnie istotne w konstrukcjach sprężonych ze względu na występowanie dużych naprężeń ściskających związanych z wprowadzeniem siły sprężającej. Rysunek 4. Widok strunowych czujników odkształceń w dwukierunkowo sprężonej płycie przygotowanej do zabetonowania. Ponadto, na wartość efektywnego modułu sprężystości w betonowych konstrukcjach sprężonych ma wpływ wiek betonu w momencie sprężenia, wartość siły sprężającej, klasa betonu, rodzaj zastosowanego kruszywa, cementu i innych składników, kształt przekroju poprzecznego elementu, warunki eksploatacji (np. wilgotność i temperatura) oraz inne. Dlatego zasadne jest prowadzenie pomiarów naprężeń w betonie równolegle do pomiarów odkształceń. Pomiar naprężenia jest możliwy wyłącznie pośrednio, poprzez zmierzenie odkształceń stalowej rurki połączonej szeregowo z betonowym walcem o znanym przekroju poprzecznym i długości. Walec ten wyodrębniony jest z konstrukcji za pomocą porowatej rury, co zapewnia, że badany beton ma dokładnie takie same właściwości, jak pozostała część konstrukcji. Siła wyznaczona na podstawie odkształceń elementu stalowego (czujnik wykalibrowany jest jako siłomierz) podzielona przez pole powierzchni betonowego walca, daje poszukiwaną wartość naprężeń. Zasadę działania takiego czujnika przedstawiono na rysunku 5. Rysunek 5. Konstrukcja czujnika do pomiaru naprężeń w betonie. Znając zmiany wartości odkształceń oraz naprężeń w czasie, można wyznaczyć zmiany efektywnego modułu sprężystości, uwzględniającego wpływ pełzania. Badania takie są szczególnie istotne z punktu widzenia analizy zjawisk reologicznych (związanych ze stratami siły sprężającej) w przekroju elementu sprężonego. Oszacowanie zmiany modułu sprężystości betonu (a w zasadzie elementu konstrukcji złożonej z betonu i stali) w czasie, umożliwi określenie zmian w rozkładzie sił przekrojowych w konstrukcji oraz zmian jej geometrii (przemieszczenia). Systemami monitorowania obejmowane są często betonowe, sprężane zbiorniki. Na poniższych zdjęciach przedstawiono komponenty systemu monitorowania konstrukcji dla cylindrycznego

5 zbiornika na ścieki. W analizowanym obiekcie prowadzony jest pomiar odkształceń i naprężeń na kierunku równoległym do tras kablowych, odkształceń w strefie zakotwień (w obrębie pilastra), a także pomiar siły w cięgnach sprężających. W tego typu konstrukcjach istotne jest również obserwowanie zmian temperatur ścian zbiornika w celu analizy procesu generowania się naprężeń w młodym betonie oraz późniejszych wniosków dotyczących wytężenia konstrukcji. Rysunek 6. a) czujniki naprężeń i odkształceń na kierunku równoległym do trasy kablowej; b) czujniki odkształceń na kierunku równoległym do trasy kablowej. Rysunek 7. a) czujniki odkształceń w strefie zakotwień cięgien sprężających; b) siłomierze do pomiaru siły w cięgnie. 4. Monitorowanie mostów wantowych Kable (cięgna) służące kształtowaniu początkowego stanu naprężeń w konstrukcji bardzo często stosuje się współcześnie w różnego rodzaju obiektach mostowych, najczęściej w postaci want, odciągów czy lin. Warto także przypomnieć, że w Polsce, w miejscowości Ozimek, znajduje się najstarszy w Europie kontynentalnej żelazny most wiszący. Został wzniesiony w roku Jego charakterystyczną konstrukcję zaprezentowano na rysunku 8a. Brak wiedzy związanej z zachowaniem się prawie 200-letniego materiału, a także trudności w budowie modelu mostu spowodowały, że ten zabytkowy, historyczny obiekt, został objęty systemem monitorowania podczas kompleksowego remontu w 2010 r. [9]. Rysunek 8. a) widok mostu w Ozimku [ b) czujniki odkształceń na odciągach prętowych.

6 Rysunek 9. Czujnik do pomiaru odkształceń pojedynczego splotu [7]. Na nowych linach oraz odciągach prętowych zainstalowano czujniki do określania zmian sił w czasie: 16 czujników strunowych realizujących pomiar odkształceń w prętach (rys. 8b) oraz wydłużeń liny (rys. 9). Współcześnie stosowane czujniki strunowe wyposażane są zawsze w termistory [10], w celu możliwości wprowadzenia korekty termicznej do uzyskiwanych pomiarów oraz globalnej analizy konstrukcji pod wpływem obciążenia temperaturą. Na moście w Ozimku podczas jednej sesji pomiarowej wykonywany jest zatem pomiar 32 wielkości fizycznych. Jeden z największych systemów monitorowania konstrukcji w Europie zainstalowano na Moście Rędzińskim we Wrocławiu. Do analizy pracy konstrukcji wykorzystano łącznie 222 czujniki wykonujące pomiar różnych wielkości fizycznych. Część z czujników ma wbudowane termistory, dlatego w jednej chwili czasowej system monitorowania dostarcza informacji na temat zmian 318 wielkości [11]: odkształceń, naprężeń, sił oraz prędkości i kierunku wiatru. Rysunek 10. a) przekrój poprzeczny przez wantę w miejscu instalacji akcelerometru b) widok względnych przemieszczeń pomostu w trakcie próby obciążeniowej [ Do analizy stanu technicznego want wybrano pomiar zmian siły w pojedynczych splotach (80 sztuk). Informacji o sposobie odpowiedzi podwieszenia na oddziaływanie wiatru mają udzielić czujniki przyspieszeń drgań w dwóch kierunkach w płaszczyźnie prostopadłej do osi wanty (rys. 10a). Siły (a tym samym odkształcenia w wantach) mogą ulegać zmianie na skutek obciążeń eksploatacyjnych, temperatury, reologii, czy też awarii (zerwania splotu). Na rysunku 10b przedstawiono względne przemieszczenie pomostów w trakcie obciążenia próbnego, które wyniosło niespełna pół metra (dla niesymetrycznego obciążenia pomostów). Poglądowy schemat rozmieszczenia czujników siły oraz akcelerometrów na konstrukcji mostu przedstawiono poniżej.

7 Rysunek 11. Elementy składowe systemu monitorowania Mostu Rędzińskiego służące ocenie stanu technicznego want podwieszających [na podstawie 11]. Pomiar siły poprzez pomiar odkształceń dwoma czujnikami zaproponowano dla wieszaków prętowych podwieszających główne, nurtowe przęsło łukowe w moście przez rzekę Wisłę w Puławach (rys. 12). Dla want mostu podwieszonego przez rzekę Wisłę koło Kwidzynia (rys. 13) przyjęto m.in. pomiary sił w co drugiej wancie, a także pośrednio statyczny pomiar ugięć w przęśle. Rysunek 12. a) widok mostu w Puławach; b) widok czujników odkształceń i drgań w obudowie ochronnej na wybranym wieszaku mostu [12]. Rysunek 13. Schemat rozmieszczenia wybranych czujników systemu monitorowania mostu przez rz. Wisłę koło Kwidzynia (siły w cięgnach oraz przemieszczenia pionowe) [na podstawie 13].

8 Pomiar drgań want należy traktować przede wszystkim w sposób jakościowy, tzn. że zmiana przyspieszeń (amplitudy, przebiegu itp.) da informację o zmianie sposobu pracy konstrukcji, jednak trudno będzie zidentyfikować rzeczywiste przyczyny powstania tych zmian. Mogą być one wynikiem zerwania splotu, ale również np. postępującą reologią. W systemach monitorowania instalowanych na konstrukcjach mostowych na świecie obserwuje się obecnie tendencję, zgodnie z którą pomiarami obejmowane są wielkości fizyczne, których zmiany są największe przy niewielkich zmianach oddziaływań. Zmiana sił w wantach na skutek uszkodzenia pojedynczych splotów zazwyczaj będzie najbardziej widoczna w postaci zmiany przemieszczenia pomostu (prace naukowe na ten temat prowadzi obecnie Prof. Krzysztof Żółtowski). Dlatego coraz częściej systemy monitorowania konstrukcji wyposażane są w czujniki umożliwiające pomiar względnych przemieszczeń pionowych (ugięć) w wybranych punktach pomostu (liczbę punktów pomiarowych należy dobrać na podstawie analizy teoretycznej). Dzięki dokładnemu określeniu zmian geometrii w płaszczyźnie pionowej, przy wykorzystaniu numerycznego modelu konstrukcji, możliwe będzie określenie wytężenia jej poszczególnych elementów (również want). Dodatkowo czujniki te umożliwią bezpośrednią kontrolę pracy mostu podczas obciążenia próbnego. 5. Monitorowanie cięgnowych przekryć dachowych Cięgna sprężające wykorzystywane są coraz częściej do konstruowania zaawansowanych rozwiązań przekryć dachowych, np. w halach sportowo-widowiskowych. Największym tego typu obiektem w Polsce, i drugim co do wielkości w Europie, jest hala wzniesiona w krakowskich Czyżynach. Rysunek 14. Schemat monitorowania głównej hali w Kraków-Arenie. Do monitorowania stanu bezpieczeństwa zadaszenia wybrano następujące wielkości fizyczne: siły w wybranych cięgnach, przyspieszenia drgań, przemieszczenia pionowe, odkształcenia pierścienia wewnętrznego (rozety), odkształcenia wewnątrz betonu w obwodowym pierścieniu zewnętrznym oraz temperatury w wielu punktach pomiarowych. System uzupełniono o pomiary meteorologiczne, związane z oddziaływaniem wiatru i temperatury powietrza. Schemat zainstalowanych czujników w przekroju poprzecznym głównej hali przedstawiono na rysunku 14. Warto podkreślić, że tego typu konstrukcje zadaszeń pracują przestrzennie, dlatego podejście do monitorowania może mieć charakter bardziej globalny. O awarii cięgien podwieszających (np. zerwaniu splotu) można wnioskować nie tylko poprzez pomiar siły (redystrybucja obciążeń po zerwaniu splotu nie zawsze jest proporcjonalna) czy też przyspieszeń drgań (ocena jakościowa), ale przede wszystkim na podstawie przemieszczeń pionowych lub/oraz kątowych w wytypowanych miejscach zadaszenia. Należy pamiętać, że dla pracy tego typu przekryć i globalnej analizy konstrukcji duże znaczenie ma oddziaływanie temperatury, dlatego zaleca się prowadzenie jej pomiarów w wybranych punktach równomiernie rozłożonych na powierzchni zadaszenia. Ciekawą propozycją skierowaną przede wszystkim do służb ratowniczych, jest pomiar temperatury powietrza w sąsiedztwie cięgien sprężających realizowany w zakresie do 350 o C. Zadaniem tego podsystemu jest dostarczanie informacji zarządzającemu akcją ratowniczą o zmianie wytężenia cięgien sprężających na skutek wzrostu temperatury. Stal sprężająca jest szczególnie wrażliwa na wysoką temperaturę i po osiągnięciu ok. 350 o C przyjmuje się, że jej wytrzymałość spada do ok. 50% wytrzymałości określonej w temperaturze 20 o C [15]. Na poniższym schemacie przedstawiono przykładową koncepcję systemu monitorowania przekrycia cięgnowego hali sportowo-widowiskowej Podium w Gliwicach. Przekrycie to ma nietypową geometrię w postaci powierzchni siodłowej (paraboloida hiperboliczna).

9 Rysunek 15. Schemat propozycji systemu monitorowania hali Podium w Gliwicach. W Polsce systemami monitorowania obejmowane są także innego rodzaju obiekty, np. amfiteatry, w których konstrukcję zadaszenia stanowi często wiotka membrana ustabilizowana za pomocą układu cięgien. Wymienić tu można chociażby amfiteatr w Płocku lub w Pruszczu Gdańskim. W obydwu przypadkach zaproponowano odmienną koncepcję monitorowania stanu technicznego obiektów. W Płocku odbywa się to poprzez pomiar przemieszczeń pionowych i temperatury w wybranych miejscach konstrukcji, natomiast w Pruszczu Gdańskim zaproponowano pomiar przemieszczeń kątowych. Schematy systemów przedstawiono na poniższych rysunkach. Rysunek 16. Schemat systemu monitorowania cięgnowej konstrukcji zadaszenia: a) amfiteatru w Płocku; b) amfiteatru w Pruszczu Gdańskim. Analizując systemy monitorowania zainstalowane na sprężonych przykryciach cięgnowych nie sposób nie wspomnieć o stadionach piłkarskich. Do analizy stanu technicznego Stadionu Narodowego w Warszawie wybrano m.in. pomiar przemieszczeń w trzech kierunkach w 12 punktach na zewnętrznym pierścieniu ściskanym, w 10 punktach na wewnętrznym pierścieniu liniowym, w 2 punktach na iglicy oraz w 2 punktach referencyjnych na trybunach. Przemieszczenia mierzone są przy wykorzystani automatycznego tachimetru. Przyspieszenia drgań na kierunku pionowym realizowane są w wybranych punktach pierścienia wewnętrznego, natomiast drgania iglicy analizowane są w trzech kierunkach. System monitorowania konstrukcji uzupełniono o pomiary temperatury, warunków pogodowych oraz monitoring wizyjny. Wybrane komponenty systemu monitorowania cięgnowej konstrukcji zadaszenia Stadionu Narodowego przedstawiono na rys. 17. Innym bardzo ciekawym obiektem jest Stadion Śląski. Zadaszenie wykorzystujące w swej budowie ideę koła szprychowego (jedno z pierwszych zastosowań idei sprężania) składa się z dwóch

10 zewnętrznych pierścieni ściskanych (dolny i górny), promieniowych cięgien podwieszających oraz linowego pierścienia wewnętrznego. System monitorowania ma za zadanie prowadzenie bieżącej, globalnej diagnostyki konstrukcji oraz podniesienie komfortu użytkowania zadaszenia poprzez dopuszczenie ponadnormatywnego obciążenia śniegiem. Zadaszenie ze względu na swoją stosunkowo małą sztywność i nieliniowość geometryczną jest szczególnie podatne na ugięcia w zależności od różnych wariantów obciążenia śniegiem. Idea monitoringu inżynierskiego opiera się zatem na poszukiwaniu rzeczywistych rozkładów i wartości obciążeń poprzez analizę deformacji [14]. Zaproponowano wykonywanie pomiarów przemieszczeń pionowych, trójkierunkowych przyspieszeń, temperatury oraz siły w co drugim cięgnie podwieszającym. Zainstalowana zostanie także stacja pogodowa oraz monitoring wizyjny. Rysunek 17. Wybrane punkty pomiarowe systemu monitorowania konstrukcji na Stadionie Narodowym w Warszawie. Rysunek 18. Wybrane punkty pomiarowe systemu monitorowania konstrukcji na Stadionie Śląskim [na podstawie 14]. Rysunek 19. a) widok dźwigara kratowego na stadionie w Poznaniu; b) instalacja przechyłomierza.

11 Warto wspomnieć także o konstrukcji zadaszenia stadionu w Poznaniu. Jest ono nietypowe ze względu na wprowadzenie siły sprężającej do pasów dolnych stalowych dźwigarów kratowych, co nie jest powszechną praktyką w przypadku konstrukcji stalowych. System monitorowania obejmuje pomiar przemieszczeń pionowych i kątowych, odkształceń dźwigarów oraz przyspieszeń w wybranych punktach. Na rysunku 19 przedstawiono widok dźwigara oraz czujnik przechyłu. 6. Podsumowanie i wnioski końcowe Wszystkie zaprezentowane w niniejszym artykule systemy monitorowania konstrukcji sprężonych (w tym cięgnowych) w znacznym stopniu wykorzystywały punktowy pomiar różnych wielkości fizycznych czujnikami strunowymi. Czujniki te charakteryzują się dużą dokładnością i stabilnością pomiarów w czasie (rzędu kilkudziesięciu lat), niezawodnością oraz odpornością na czynniki zewnętrzne, a także możliwością przesyłania sygnału na znaczne odległości (rzędu kilku kilometrów), co jest szczególnie istotne przy obiektach wielkogabarytowych. Dlatego znalazły powszechne zastosowanie w inżynierii lądowej, począwszy od geotechniki, poprzez mosty, stadiony, wieżowce itp., na elektrowniach atomowych kończąc. Obecnie na świecie trwa bardzo intensywny rozwój różnych technik pomiarowych w celu poszukiwania rozwiązań umożliwiających budowanie coraz efektywniejszych systemów monitorowania. Duże nadzieje wiązane są ze światłowodową technologią pomiarową. W pracy [16] zaprezentowano wyniki z badań przeprowadzonych na sprężonej belce z zastosowaniem światłowodów Bragg a. Belka opomiarowana była w sposób quasi-ciągły, tzn. pomiary odkształceń wykonywane były na długości światłowodu co kilkanaście centymetrów (w kilku punktach), a analiza dotyczyła zarówno procesu dojrzewania betonu, jak i zachowania się elementu w chwili sprężenia. Uzyskano bardzo obiecujące wyniki, także w zakresie możliwości detekcji powstających zarysowań. W pracy [17] przedstawiono badania doświadczalne na kablobetonowych dźwigarach sprężonych, zarówno z cięgnami bez przyczepności, jak i z przyczepnością, wyposażonych w czujniki światłowodowe. Obserwowana była praca dźwigarów pod obciążeniem statycznym i dynamicznym, a uzyskane wyniki wykazały dużą zgodność pomiarów z innymi technikami pomiarowymi. Rysunek 20. Światłowód przyklejony do powierzchni belki żelbetowej i betonowego walca przygotowanego do próby ściskania. W Politechnice Krakowskiej trwają obecnie prace nad zastosowaniem ciągłych czujników światłowodowych realizujących pomiar odkształceń wzdłuż całej swej długości rys. 20. Pozyskiwanie danych pomiarowych jednocześnie w kilku tysiącach punktów z częstotliwością nawet 250 Hz stanowi o ogromnej zalecie tej techniki względem powszechnie stosowanych obecnie pomiarów punktowych. Być może w przyszłości będzie możliwa analiza rzeczywistego rozkładu siły sprężającej na długości cięgna sprężającego (analiza strat siły sprężającej od momentu naciągu przez kilkadziesiąt lat). Nie ulega wątpliwości, że monitorowanie konstrukcji inżynierskich, a w szczególności konstrukcji sprężonych, jest trudną sztuką. W każdym przypadku wymagane jest indywidualne podejście, poprzedzone szczegółowymi analizami oraz współpracą specjalistów m.in. z zakresu konstrukcji budowlanych, elektroniki i informatyki. Warto jednak podjąć taki wysiłek, ponieważ dobrze zaprojektowany system monitorowania konstrukcji będzie dostarczał wartościowych informacji na temat pracy konstrukcji przez co najmniej kilkadziesiąt lat. Najważniejsze, że dzięki niemu możliwe będzie podniesienie bezpieczeństwa konstrukcji i zwiększenie jej niezawodności.

12 Bibliografia [1] OLSZAK W., Teoria Konstrukcji Sprężonych, PWN, Warszawa, [2] AJDUKIEWICZ A., MAMES J., Konstrukcje z betonu sprężonego, Polski Cement, Kraków, [3] Eurocode 2: Design of Concrete Structures Part 1-1: General rules and rules for buildings. EN :2004. European Committee for Standardization., Brussels, [4] Instrukcja 443/2009, System kompleksowego zarządzania jakością w budownictwie, Bezdotykowe metody obserwacji i pomiarów obiektów budowlanych, ITB, Warszawa, [5] SIEŃKO R., Konstrukcje kablobetonowe, Wykład na XXV Ogólnopolskich Warsztatach Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk, marca [6] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 marca 2009 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U nr 56 poz. 46). [7] [8] BEDNARSKI Ł., SIEŃKO R., HOWIACKI T., Oszacowanie wartości i zmienności modułu sprężystości betonu w istniejącej konstrukcji na podstawie pomiarów in situ, Cement Wapno Beton, 6/2014. [9] BEDNARSKI Ł., SIEŃKO R., Z monitoringiem bezpieczniej, Inżynier Budownictwa, 10/2013, str [10] BEDNARSKI Ł., SIEŃKO R., Pomiary odkształceń konstrukcji czujnikami strunowymi, Inżynieria i Budownictwo, 11/2013, str [11] BARCIK W., SIEŃKO R., BILISZCZUK J., System monitorowania konstrukcji Mostu Rędzińskiego we Wrocławiu, Wrocławskie Dni Mostowe, Wrocław [12] BILISZCZUK J., BARCIK W., SIEŃKO R., System monitorowania mostu w Puławach, Mosty 4/2009, str [13] Specyfikacja Istotnych Warunków Zamówienia na Dostawę i instalację wraz z uruchomieniem oraz serwisowanie systemu monitoringu na moście przez rzekę Wisłę w okolicach Kwidzynia. [14] ŻÓŁTOWSKI K., Ekspertyza dokumentacji projektowej i stanu technicznego elementów zadaszenia Stadionu Śląskiego w Chorzowie w ramach zadania inwestycyjnego pn.: Zadaszenie widowni oraz niezbędna infrastruktura techniczna Stadionu Śląskiego w Chorzowie, Politechnika Gdańska, Gdańsk, sierpień [15] Nevil A. M.: Właściwości betonu, Polski Cement, Kraków [16] LIN Y. B., CHANG K. C., CHERN J. C., WANG L. A., The health monitoring of a prestressed concrete beam by using fiber Bragg grating sensors, Smart Materials and Structures 13 (2004), p [17] MATTHYS S., TAERWE L., Experimental Testing of post-tensioned concrete girders instrumented with optical fibre gratings, 17 th International Conference on Optical Fibre Sensors, Society of Photo Optical, May 30, STRUCTURAL HEALTH MONITORING SYSTEMS FOR PRESTRESSED STRUCTURES Abstract: Prestressing technology is primarily used for a large-span elements, carrying heavy loads, which failure consequences would be very substantial. Thus, it is essential to control adequately the process of designing, erecting and further operating of such kind of objects. Computational procedures, presented in the standards, allow for the safe design, but do not provide the full knowledge about structure s work in its real conditions of use. This knowledge could be acquired by interpreting the results of measurements made by structural health monitoring systems. This article presents an overview of the most important ways to monitor the work of prestressed elements based on selected systems implemented in different types of objects in Poland. Keywords: structural health monitoring, prestressed structures.