XXVI Konferencja awarie budowlane 2013 Naukowo-Techniczna KRZYSZTOF WILDE, krzysztof.wilde@pg.gda.pl JACEK CHRÓŚCIELEWSKI, jacek.chroscielewski@pg.gda.pl MIKOŁAJ MIŚKIEWICZ, mikołaj.miskiewicz@pg.gda.pl MAGDALENA RUCKA, magdalena.rucka@pg.gda.pl Katedra Mechaniki Budowli i Mostów, Politechnika Gdańska DIAGNOSTYKA I MONITORING NOWEGO PRZEKRYCIA OPERY LEŚNEJ W SOPOCIE DIAGNOSTICS AND MONITORING OF NEW TEXTILE ROOF OF THE FOREST OPERA IN SOPOT Streszczenie W artykule przedstawiono badania stanu wytężenia membrany nowego przekrycia Opery Leśnej w Sopocie. Diagnostykę membrany wykonano w celu sprawdzenia stanu wytężenia paneli z tkanin technicznych. Obliczenia rzeczywistych sił naciągu tkaniny w kierunku wątku i osnowy wykonano poprzez iteracyjne rozwiązanie problemu odwrotnego bazującego na modelu MES paneli i pomiarach deformacji membrany wykonanej przy pomocy laserów skanujących. W diagnostyce przekrycia Opery wykorzystano system monitoringu konstrukcji zainstalowany na obiekcie w celu wspierania procedur utrzymania obiektu. Abstract The paper presents the method for experimental estimation of tensile forces in the membrane of new roof of the Forest Opera in Sopot. The estimation of forces is obtained by iterative FEM simulations based on measurements done by three dimensional laser scanning. The diagnostics of the Forest Opera is supported by the structural health monitoring system. 1. Wstęp Nowe przekrycie Opery Leśnej w Sopocie zostało oddane do użytku w czerwcu 2012 r. Zadaszenie Opery jest unikalną konstrukcją, o rozpiętości przekraczającej 100 m, wykonaną z tkaniny technicznej o grubości nie przekraczającej 1 mm. Elementy linowe i membranowe zadaszenia wykonywała firma Tayio. W trakcie montażu zadaszenia uległ awarii jeden z napinanych membranowych elementów zadaszenia. Mając na uwadze przyśpieszony proces napinania elementów z tkanin technicznych postanowiono wykonać badania mające na celu określenie wytężenia elementów membranowych [1]. Podstawowym parametrem określającym stan membrany jest aktualna siła naciągu w kierunku wątku i osnowy. Ze względu na nietypową geometrię przekrycia Opery Leśnej zdecydowano się zainstalować na obiekcie zautomatyzowany system monitoringu konstrukcji. Wątpliwości użytkowania obiektu dotyczyły wymogu odśnieżania połaci zadaszenia i możliwości długotrwałego zalegania śniegu mogących przyspieszać proces pełzania. Celem stałego monitoringu przemieszczeń i przyspieszeń wybranych punktów konstrukcji było także sprawdzenie rzeczywistej wrażliwości dynamicznej konstrukcji i wpływu obciążenia wiatrem.
292 Wilde K. i in.: Diagnostyka i monitoring nowego przekrycia Opery Leśnej w Sopocie 2. Ogólny opis konstrukcji Budowa Opery Leśnej została rozpoczęta wiosną 1909 r. z inicjatywy Paula Walthera Schäffera, ówczesnego kapelana Teatru Miejskiego w Gdańsku. Obiekt był gotowy już po czterech miesiącach od rozpoczęcia budowy i w dniu 11 sierpnia odbyło się pierwsze przedstawienie Obóz nocny w Grenadzie Conradina Kreutzera. W roku 1964 sceneria leśna otoczenia Opery została poddana znaczącej przebudowie, której efektem było pokrycie tekstylnym dachem całości widowni i sceny (rys. 1). W tym też roku na sopockiej scenie wystawiono Halkę Moniuszki. W roku 2012 zakończono kolejną przebudowę Opery Leśnej w Spocie nadając jej nowy, współczesny charakter (rys. 1). Otwarcie Opery Leśnej uświetnione zostało multimedialnym przedstawieniem podkreślającym urodę obiektu i jego lokalizacji za pomocą takich technik jak video mapping, augmented reality i kinetiks. Rys. 1. Widok na scenę starej i przebudowanej Opery Leśnej w Sopocie W roku 2005 do realizacji został wybrany projekt przebudowy Opery. Zawierał on m.in. koncepcję przebudowy dachu, widowni oraz pomieszczeń dla artystów. Zmiana konstrukcji pokrycia była konieczna ze względu na to, iż stary dach był nieszczelny oraz wymagał zdejmowania na okres zimowy. Przyjęta koncepcja dachu przypominająca liść miała podkreślić leśny charakter miejsca, a jednocześnie dynamiczny i nowoczesny wizerunek miasta Sopot. Konstrukcja zadaszenia została zaprojektowana z tkaniny technicznej rozpiętej na dwóch stalowych łukach (rys. 1). Ze względu na warunki terenowe rozpiętości łuków różnią się i wynoszą odpowiednio 102,96 m oraz 93,20 m. Łuki nośne zaprojektowane zostały jako rury o średnicy 1300 mm i grubości ścianki 70 mm, nachylone do poziomu pod katem 51 stopni i połączone kratownicą. Każdy segment membrany rozpięty jest na linach nośnych oraz łuku podporowym. Dodatkowo krawędzie zakończone są linami krawędziowymi zaczepionymi na słupach. Liny nośne rozpięte są pomiędzy łukami, a słupami stalowymi. Maksymalna rozpiętość zadaszenia to 104 m, zaś jego całkowita długość 85 m. Przybliżona powierzchnia każdej części pokrycia to 1800 m 2. Maksymalna wysokość liczona od poziomu porównawczego wynosi 27,935 m. Membrana jest wykonana z tkaniny technicznej Sheerfill I o grubości nie przekraczającej 1 mm, wykonanej z włókien szklanych zatopionych w matrycy policzterofluoroetylenowej powszechnie zwanej Teflonem. 3. Badania wytężenia membrany przekrycia Opery Leśnej Przedmiotem badań było określenie stanu wytężenia tkaniny technicznej membrany Opery Leśnej. Badanymi elementami były środkowe panele połaci tkaniny napięte pomiędzy linami nośnymi, pokazane na szkicu konstrukcji (rys. 2) i oznaczone numerami od 1 6.
Diagnostyka w ocenie bezpieczeństwa konstrukcji 293 Rys. 2. Położenie i numeracja badanych paneli w opracowaniu [1] Zakres prac badawczo-pomiarowych obejmował: 1. etap wstępny weryfikacyjny pomiar ugięć membrany od zakładanych obciążeń za pomocą systemu monitoringu technicznego Opery Leśnej; 2. pomiar aktualnej geometrii wszystkich paneli z tkaniny technicznej; 3. pomiar geometrii 6 środkowych paneli (pomiary były wykonywane przez dwa niezależne zespoły badawczo-pomiarowe) dla przypadków obciążenia przyłożonego w 18 pozycjach na zewnętrznej powierzchni membrany dla dwóch poziomów obciążenia (poziom obciążenia a oraz b); 4. pomiar drgań swobodnych 6 środkowych paneli membrany. Stanowisko do obciążeń membrany zostało zbudowane z materiałowych pojemników na wodę, płachty ochronnej z tkaniny technicznej oraz systemu mocowania pojemników i ich napełniania. Przewidywane wstępne poziomy obciążenia wynosiły 100 kg i 200 kg. Ze względu na ograniczony dostęp do Opery Leśnej wynikający z harmonogramu imprez odbywających się na obiekcie zdecydowano się na wykonanie obciążania membrany przez jedną i dwie osoby statycznie obciążające zewnętrzną powierzchnię tkaniny technicznej. Poziom a obciążenia uzyskano przez ustawienia jednej osoby ze stopami rozstawionym na odległość około 50 cm, zaś poziom b obciążenia uzyskano przez ustawienie dwóch osób, tak aby stopy znajdowały się w narożnikach kwadratu o bokach około 50 cm. Obciążenie poziom a wynosiło 73,5 kg i było przykładane na wszystkich 6 badanych panelach. Obciążenie poziom b wynosiło 73,5 kg + 85,3 kg, łącznie 158,8 kg. Pomiar masy obciążenia wykonany był w trakcie prac
294 Wilde K. i in.: Diagnostyka i monitoring nowego przekrycia Opery Leśnej w Sopocie pomiarowych i uwzględniał on ciężar osoby, całego ekwipunku, a także zawilgoceń spowodowanych opadami deszczu w dniu pomiarów. Rysunek 3 pokazuje obciążenie membrany dla poziomu obciążenia b (dwoma osobami). Każdy panel został obciążony dwoma poziomami w 3 miejscach: na środku panelu, w jego górnej oraz dolnej części (łącznie wykonano 36 pomiarów zdeformowanych paneli). Rys. 3. Obciążenie powierzchni membrany za pomocą dwóch osób oraz stanowiska pomiarowe dwóch laserów skanujących Pomiary geometrii panelu zostały wykonane za pomocą dwóch niezależnych urządzeń przez dwa zespoły badawcze wykorzystujące skaner laserowy C10 firmy Leica i urządzenie ScanStation firmy Leica. Skaner C10 pozwala na rejestrację 50 000 punktów na sekundę, rejestrując ich współrzędne w kierunkach x, y i z. Identyfikacji matematycznej zmiany geometrii membrany wynikającej z przyłożonego obciążenia dokonano w oprogramowaniu dedykowanym do przetwarzania wielkich zbiorów punktów napisanym na potrzeby pomiarów membrany Opery Leśnej. Przykładowe obrazy chmury punktów obrazujące aktualną geometrię przekrycia pokazano na rys. 4. Rys. 4. Modele przekrycia Opery Leśnej widok z boku i z góry Siły naciągu tkaniny technicznej w poszczególnych punktach paneli wyznaczono rozwiązując zagadnienie odwrotne dla modeli matematycznych pojedynczych paneli zbudowanych w formalizmie metody elementów skończonych. Modele MES bazowały na membranowych elementach skończonych z odpowiednimi warunkami brzegowymi uwzględniającymi rzeczywistą pracę każdego z paneli. Symulacje wykonano autorskim programem OPER rozwiązującym nieliniowy układ równań metody elementów skończonych metodą iteracyjno-przyrostową typu Newtona-Raphsona. Założono, na podstawie wstępnych pomiarów pod obciążeniem, że dodatkowe obciążenie nie powoduje deformacji lin koszowych, obwodowych i dźwigarów głównych. Parametry materiałowe zostały przyjęte na podstawie badań doświadczalnych [2]. Problem odwrotny był rozwiązywany iteracyjnie poprzez poszukiwanie sił naciągu membrany w kierunku wątku i osnowy, które minimalizują różnicę przemieszczeń
Diagnostyka w ocenie bezpieczeństwa konstrukcji 295 obliczeniowych i pomiarowych dla wszystkich serii pomiarowych wykonanych dla danego panelu. Przykładowe wyniki pomiarowe i obliczeniowe dla poprzecznego przekroju przez panel 4 pokazane są na rys. 5. Obciążenie panelu dwoma osobami, powoduje lokalne ugięcie membrany wynoszące około 10 cm. Obliczone średnie wartości sił naciągu dla panelu 4 wyniosły 10,0 kn/m dla osnowy i 7,8 kn/m dla wątku. Wartości te nie przekraczają założonych sił naciągu w dokumentacji projektowej [3] i są bliskie wartościom sił naciągu deklarowanym przez firmę Tayio Europe [4]. Rys. 5. Pomiarowe i numeryczne deformacje panelu 4 w trakcie obciążania części środkowej 4. Monitoring konstrukcji na potrzeby wspierania procedur utrzymania obiektu System monitoringu Opery Leśnej został wykorzystany w pracach przygotowawczych do badań związanych z oceną stanu wytężenia membrany. Podstawowym celem instalacji i użytkowania zautomatyzowanych systemów monitoringu konstrukcji (SMK) jest podniesienie bezpieczeństwa użytkowania obiektu budowlanego [5]. Systemy tego typu są relatywnie złożone i niejednokrotnie instalowane są w obiektach mogących znajdować się w stanie przedawaryjnym np. [5]. Ich najważniejszym zadaniem jest dostarczenie informacji służącej podjęciu decyzji o ewakuacji użytkowników obiektu. Drugim typem systemów SMK stosowanym w budownictwie są systemy służące przede wszystkim do wspierania procedur utrzymania obiektu [6]. Jedną z ważnych funkcji takiego systemu jest informowanie o konieczności wykonania odśnieżania. System monitoringu konstrukcji Opery Leśnej zbudowany jest analogicznie do SMK zainstalowanego w Hali Ergo Arena usytuowanej na granicy miasta Gdańska i Sopotu. System składa się z 3 modułów: modułu pomiarowego, modułu eksperckiego i moduł powiadamiania. Głównym elementem modułu pomiarowego jest tachimetr automatyczny wykonujący pomiary położenia 32 pryzmatów umieszczonych na czterech panelach z tkaniny technicznej, linach nośnych oraz fundamentach pod łuki stalowe (rys. 6, 7). Istotnym elementem służącym do oceny stanu technicznego obiektu jest pomiar przemieszczeń punktów położonych na tkaninie technicznej w celu oceny pracy membrany, a w szczególności relaksacji w początkowej fazie użytkowania obiektu i procesów pełzania wynikających z długotrwałych obciążeń na przykład zalegającym śniegiem. System dokonuje także pomiarów drgań i temperatury konstrukcji w czterech punktach oraz wykonuje pomiary podstawowych danych meteorologicznych takich jak temperatura powietrza, wilgotność, prędkość i kierunek wiatru.
296 Wilde K. i in.: Diagnostyka i monitoring nowego przekrycia Opery Leśnej w Sopocie Rys. 6. Modele przekrycia Opery Leśnej widok z boku i z góry Rys. 7. Stanowisko pomiarowe tachimetru automatycznego i pryzmaty zamocowane na membranie System SMK, w sposób ciągły śledzi przemieszczenia 28 punktów kontrolowanych, zaś 4 punkty pomiarowe umieszczone na blokach fundamentowych stanowią punkty referencyjne. Ponieważ stanowisko tachimetru umiejscowione jest na konstrukcji stalowej (rys. 7), system SMK wyposażony został w funkcję korekty położenia stanowiska tachimetru opracowanej na bazie zaawansowanego rachunku wyrównawczego. System SMK wyposażony jest także w autorską funkcję adaptacyjnego poszukiwania i identyfikacji pryzmatów bazującą na filtrze o nieskończonej odpowiedzi impulsowej (NOI). Funkcja ta okazała się niezbędna ze względu na relatywnie duże przemieszczenia pionowe pryzmatów, które w trakcie deformacji membrany powodują zbliżanie się do siebie pryzmatów w polu widzenia tachimetru. System SMK wyposażono także w funkcję wykonywania zdjęć i automatycznego przesyłania ich na
Diagnostyka w ocenie bezpieczeństwa konstrukcji 297 stronę internetową zarządzania systemem, w przypadku, jeżeli tachimetr nie może odnaleźć wybranego punktu pomiarowego. Funkcja ta pozwala wizyjnie zidentyfikować problem, wynikający na przykład z zainstalowania tymczasowych elementów scenografii, które zasłaniają pryzmat. Panel informacyjny systemu monitoringu konstrukcji Opery Leśnej pokazany jest na rys. 8. Na szkicu konstrukcji widoczne są aktualne przemieszczenia punktów mierzonych za pomocą tachimetru oraz przyspieszenia i temperatury. Zielone strzałki pokazują aktualny kierunek i siłę wiatru, a kamery poglądu połaci membrany przedstawiają zalegający na membranie śnieg. Wyniki pomiarów dla 30 dni, od 30 grudnia 2012 do 29 stycznia 2013, pokazane są na rys. 9. Rys. 8. Panel informacyjny systemu monitoringu konstrukcji Opery Leśnej w Sopocie Rys. 9. Wyniki pomiarów przemieszczeń punktu 26 położonego na panelu 4 membrany przekrycia Analiza danych z systemu SMK pokazała, że śnieg zalega na całej połaci dachowej i jego pokrywa zwiększa się równomiernie przy nowych opadach śniegu. W przypadku ocieplenia
298 Wilde K. i in.: Diagnostyka i monitoring nowego przekrycia Opery Leśnej w Sopocie zalegający śnieg powoli zsuwa się po membranie (rys. 8) w pierwszej kolejności z paneli trójkątnych. Zsuwający się śnieg na najdłuższych prostokątnych panelach (panel nr 1 i 4) zatrzymuje się na końcu panelu dodatkowo go dociążając. Maksymalne ugięcie membrany sięga 60 cm i jest to ugięcie dopuszczalne według dokumentacji technicznej obiektu. 5. Uwagi końcowe W artykule przedstawiono prace badawcze wykonane na przekryciu Opery Leśnej w Sopocie ukierunkowane na diagnostykę i monitoring konstrukcji. Diagnostykę membrany wykonano w celu sprawdzenia stanu wytężenia paneli z tkanin technicznych po wystąpieniu awarii jednego z napinanych membranowych elementów zadaszenia. Zakres prac diagnostycznych obejmował pomiary deformacji membrany wykonane przy pomocy laserów skanujących oraz obliczenia rzeczywistych sił naciągu tkaniny w kierunku wątku i osnowy wykonano poprzez iteracyjne rozwiązanie problemu odwrotnego bazującego ma modelu MES paneli. Zainstalowany monitoring konstrukcji przekrycia umożliwia ciągły pomiar przemieszczeń, przyspieszeń i temperatury konstrukcji, a także pomiar temperatury i wilgotności powietrza oraz prędkości i kierunku wiatru. System monitoringu Opery Leśnej został zaprojektowany w celu wspierania procedur utrzymania obiektu. Jedną z jego ważniejszych funkcji jest informowanie o konieczności wykonywania odśnieżania. Literatura 1. Wilde K., Chróścielewski J., i inni.: Ekspertyza techniczna dotycząca oceny wytężenia membrany tkaniny technicznej przekrycia Opery Leśnej w Sopocie, Politechnika Gdańska 2012. 2. Kłosowski P., Ambroziak A.: Ekspertyza techniczna dotycząca konstrukcji membranyprzekrycia Opery Leśnej w Sopocie, Politechnika Gdańska, sierpień 2012. 3. Projekt wykonawczy zamienny. Opera Leśna Sopot. Konstrukcja stalowa dachu i konstrukcja przekrycia membrany, Archi-CAD Jacek Szczęsny, 2010. 4. Powykonawcze badania stanu odkształcenia tkaniny membrany, Tayio Europe, maj 2012. 5. Wilde K., Rucka M., Chróścielewski J., Jasina M., Malinowski M., Miśkiewicz M., Wilde M., System ciągłej obserwacji stanu technicznego hali Olivia w Gdańsku, Inżynieria i Budownictwo, 10/2009, 552 556. 6. Wilde K.: Zautomatyzowane systemy monitoringu technicznego dachów stalowych, Wydaw. Politech. Świętokrzyskiej, 56 Konferencja Naukowa Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN oraz Komitetu Nauki PZITB, Kielce-Krynica, 2010, 729 736. Podziękowania Autorzy artykułu pragną serdecznie podziękować prof. Pawłowi Kłosowskiemu, prof. Waldemarowi Kamińskiemu, dr. Jakubowi Szulwicowi, dr. Arturowi Janowskiemu, mgr. Michałowi Wilde, dr. Łukaszowi Pyrzowskiemu, dr. Krzysztofowi Bojarowskiemu, dr. Krzysztofowi Mroczkowskiemu, Tomaszowi Rutkowskiemu, Michałowi Grothowi, inż. Karolinie Makowskiej, Jakubowi Jarosikowi i Maciejowi Wiśniewskiemu za nieoceniony wkład w realizację przedstawionych prac.