Systemy ciągłego monitoringu technicznego konstrukcji innowacyjne technologie w budownictwie

Materiały szkoleniowe (POIIB 23 maja 2012) Systemy ciągłego monitoringu technicznego konstrukcji innowacyjne technologie w budownictwie Krzysztof Wilde Politechnika Gdańska Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska Katedra Mechaniki Budowli i Mostów ul. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk 1. Wstęp W Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 12.03.2009 zmieniającego rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie dodano powinność monitorowania budynków w których może przebywać znaczna liczba osób. W 204 dodano ust. 7 w brzmieniu: Budynki użyteczności publicznej z pomieszczeniami przeznaczonymi do przebywania znacznej liczby osób, takie jak: hale widowiskowe, sportowe, wystawowe, targowe, handlowe, dworcowe powinny być wyposażone, w zależności od potrzeb, w urządzenia do stałej kontroli parametrów istotnych dla bezpieczeństwa konstrukcji, takich jak: przemieszczenia, odkształcenia i naprężenia w konstrukcji. Celem monitoringu jest identyfikacja, śledzenie, analiza i oddziaływanie, które umożliwiają organizację i sterowanie wybranego procesu. Powszechnie stosowane są techniki monitoringowe w zwalczaniu terroryzmu czy zarządzaniu zdrowiem publicznym. W zagadnieniach związanych z infrastrukturą budowlaną najlepiej rozwinięte są systemy monitoringu stosowane w transporcie lotniczym i samochodowym. Standardowe rozwiązania bazują na systemie kamer, dedykowanym oprogramowaniu identyfikacji obrazu oraz innych wyspecjalizowanych systemach pomiarowych. Infrastruktura budowlana we wszystkich krajach, składa się z dużej liczby starych budynków, wież, mostów, tuneli, zapór lub innych obiektów, które wymagają regularnych inspekcji technicznych w celu określenia bezpieczeństwa ich użytkowania. Oględziny wizualne, inspekcje wykonywane przez doświadczonych inżynierów mogą być wspierane okresowymi lub ciągłymi badaniami diagnostycznymi. W przypadku obiektów o szczególnym znaczeniu wskazane jest ciągłe, zautomatyzowane diagnozowanie stanu wytężenia newralgicznych elementów konstrukcyjnych. Wczesne i precyzyjne wykrycie uszkodzeń, powstających w trakcie użytkowania, pozwala na prewencyjne działania naprawcze oraz utrzymanie nieprzerwanej eksportacji obiektu. Instalacja systemu ciągłego monitoringu stanu technicznego pozwala na wydłużenie okresu eksportacji obiektu. Systemy monitoringu technicznego konstrukcji (System MTK, ang. Structural Health Monitoring SHM) mają za zadanie długotrwałą obserwację, analizę danych i wnioskowanie o utrzymaniu konstrukcji. Systemy MTK dynamicznie rozwijają się w Azji, w szczególności w Chinach, Japonii i Singapurze, a także w Europie (Belgia, Wielka Brytania, Niemcy itp.) jak również w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie. Jedne z pierwszych praktycznych zastosowań

systemów MT w infrastrukturalnych obiektach budowlanych dotyczyły mostów i budowli wysokich. Aktualnie systemy MTK stosuje się w zaporach, systemach zabezpieczeń portów, wieżach chłodniczych, tunelach i elektrowniach. Przykładem zastosowania systemów MTK w Polsce jest zautomatyzowany system akwizycji danych zainstalowany na zaporze we Włocławku, rozbudowany system MTK zainstalowany przez KGHM Polska Miedź S.A. w składowisku Żelazny Most, czy system MTK OLIVIA 2 pracujący na konstrukcji Hali Sportowo-Widowiskowej OLIVIA w Gdańsku. W system MTK wyposażona jest także hala Ergo Arena jak i stadion piłkarski PGE Arena. Celem szkolenia jest omówienie systemów MTK Hali Olivia, składowiska Żelazny Most, PGE Arena Gdańsk i Ergo Arena mostu Tsing Ma w Hong Kongu oraz mostu Infante D. Henrique w Porto (Portugalia) z przedstawieniem zalet i wad przyjętych rozwiązań. W drugiej część szkolenia przedstawione zostaną najnowsze innowacje technologie stosowane w systemach monitoringu technicznego konstrukcji. 2. Opis przykładowego systemu MTK OLIVIA-2 2.1. Schemat systemu SMT OLIVIA-2 Budowę system MTK przedstawiono na przykładzie systemu OLIVIA-2. System został zaprojektowany i zbudowany, tak aby ostrzegał o możliwości awarii w wyniku dwóch przewidywanych scenariuszy katastrofy: w wyniku utraty stateczności słupków dźwigarów stalowych lub z powodu utraty siły sprężającej w cięgnach dźwigarów. Rys. 1. Przekrój poprzeczny przez Halę Olivia z zaznaczeniem punktów pomiarowych. Budynek główny Hali Sportowo-Widowiskowej Olivia" składa się z żelbetowej konstrukcji trybun i stalowej konstrukcji dachu (Rys.1). System MT prowadzi ciągły pomiar przemieszczeń dźwigarów dachu względem płyty lodowiska (4 punkty pomiarowe), przemieszczeń pasa górnego dźwigara względem pasa dolnego (12 punktów pomiarowych) oraz odkształceń i temperatur na pasach dolnym, górnym i słupkach dźwigarów (26 punktów pomiarowych). Dodatkowo system wyposażony jest w 4 kamery obserwujące powierzchnię dachu hali i 2 kamery rejestrujące obrazy z wnętrza hali.

System MTK OLIVIA-2 składa się z dwu podsystemów: obserwacyjnego i ostrzegawczego (Rys. 2). Podsystem obserwacyjny (Moduł pomiarowy) umożliwia pozyskiwanie informacji o potencjalnym zagrożeniu konstrukcji. Podsystem ostrzegawczy (Moduł analiz, System ekspercki, Moduł powiadamiania) wyposażony jest w możliwość analizy obserwacji, porównania jej z modelem numerycznym i odniesienia do stanów alarmowych (poziomów zagrożenia), a następnie przekazywania informacji o wystąpieniu stanów alarmowych do terminala komunikacyjnego, pod ustalone adresy poczty elektronicznej (e-mail) oraz przesyła je wiadomością SMS. Zainstalowany system monitorowania MTK OLIVIA-2 jest systemem zautomatyzowanym i nadzorowanym zdalnie. Umożliwia on ciągłą obserwację wszystkich mierzonych danych oraz wyników obliczeń numerycznych z dowolnego miejsca przez sieć Internet (Rys.2). Główną częścią systemu jest centralna jednostka zarządzający całym systemem. Zarządza on różnymi systemami pomiarowymi, danymi w relacyjnej bazie danych, w sposób ciągły prowadzi obliczenia konstrukcji dachu oraz ocenia stan konstrukcji w trzy stopniowej skali: konstrukcja bezpieczna, stan ostrzegawczy i awaria. W przypadku zidentyfikowania stanu jako ostrzegawczy lub awaria, centralna jednostka włącza moduł powiadamiania uruchamiając dźwiękowy sygnał ostrzegawczy, komunikat na terminalu sygnalizacyjnym oraz wysyła SMS i emaile do wskazanej listy osób. Rys. 2. Schemat systemu monitoringu na przykładzie MTK OLIVIA-2.

Rys. 3. Dane pomiarowe w dniach od 12.03.2009 do 26.02.2010; a) pomierzone ugięcia pionowe skrajnego dźwigara od strony Gdańska; b) pomierzone zmiany temperatur na spodzie poszycia dachu; 2.2. Przykładowe wyniki pomiarowe Przykładowe wyniki pomiarów wykonanych w dniach od 12.03.2009 do 26.02.2010 pokazane są na Rys. 3. Przemieszczenia pionowe dźwigara skrajnego od strony Gdańska pokazane są na Rys. 3a, a zmiany temperatury pod poszyciem dachu w pobliżu środka dźwigara skrajnego przedstawia Rys 3b. W okresie wiosennym, gdy nasłonecznienie powoduje znaczne zmiany temperatury poszycia dachu hali Olivia widoczne są znaczne zmiany ugięć dźwigara sięgające 40 mm. Przyrosty ugięcia dźwigara spowodowane są także opadami śniegu. W dniu 25.03.2009 roku po obfitych opadach śniegu ugięcie wyniosło 17 mm (względem wartości początkowej pomiarów), zaś wyniki obliczeń z modułu numerycznego (Moduł analiz) określiły równoważną grubość śniegu powodującą te ugięcie na 6,6 cm. Wizualne oględziny na dachu potwierdziły zgodność obliczeniowej warstwy śniegu z grubością faktycznie zalegającego śniegu. W dniach od 28 do 30 stycznia 2010 oraz w dniu 12.02.2010 wystąpiły silne opady śniegu. W obu przypadkach ugięcia dźwigara zwiększyły się o 20 milimetrów sięgając całkowitego ugięcia 60 mm. Amplituda ugięć konstrukcji dachu w badanym okresie wyniosła od -40 mm do +60 mm.

Rys. 4. Dane pomiarowe odkształceń na pasie dolnym i górnym dźwigara skrajnego w dniach od 26.10.2010 do 26.02.2010 Pomiary odkształceń na pasie dolnym i górnym dźwigara skrajnego (od strony Gdańska) pokazane są na Rys. 4. W dniach silnych opadów śniegu (28.01.2010 oraz 12.02.2010) widoczne są wzrosty naprężeń rozciągających w pasie dolnym oraz naprężeń ściskających w pasie górnym dźwigara. Wzrost odkształceń w pasie dolnym jest większy (przyrost o 110 względem poziomu z dnia 26.10.2009) niż przyrost odkształceń w pasie górnym (o -30 ). Moduł pomiarowy systemu monitoringu technicznego może być uzupełniony o inne układy pomiarowe. Przykładowo możliwe jest zastosowanie systemów bazujących na propagacji fal sprężystych, systemów bazujących na drganiach konstrukcji (pomiar przyspieszeń), systemów światłowodowych (Rys. 5), systemach bazujących na prądach wirowych, systemów sklerometrycznych itp. Ciągła obserwacja: system ultradźwiękowy Moduł pomiarowy system wibracyjny inne systemy oględziny wizualne przemieszczenia kąty obrotu odkształcenia temperatura system światłowodowy System akwizycji danych Rys. 5. Innowacyjne systemy pomiarowe w systemach monitoringu technicznego

3. Diagnostyczne moduły ultradźwiękowe 3.1. Koncepcja diagnostycznego systemu ultradźwiękowego Diagnostyka ultradźwiękowa umożliwia nieniszczące badanie stanu materiału konstrukcyjnego. Najprostszy system do oceny jednorodności materiału składa się z jednej głowicy ultradźwiękowej pozwalającej na wzbudzenie impulsu, który z prędkością ultradźwiękową przemieszcza się w materiale. Po napotkaniu uszkodzenia, pustki lub obszaru o znacząco innych właściwościach materiałowych powstaje fala odbita lub spowolnienie propagacji fali. Pomiar prędkości rozchodzenia się fal ultradźwiękowych, fal odbitych lub pomiar pola przyspieszeń na wybranym fragmencie konstrukcji umożliwia określenie wystąpienia uszkodzeń lub niejednorodności materiałowych. Systemu ultradźwiękowe mogą być stosowane okresowo, a także mogą być zainstalowane na stałe umożliwiając śledzenie degradacji na przykład betonu w konstrukcji zapory (Rys. 5). Rys. 6. Koncepcja systemu ultradźwiękowego W niniejszej pracy wyniki badań zostaną ograniczone do numerycznej symulacji propagacji fal sprężystych w blachach węzłowych układów kratownicowych oraz w wybranym fragmencie zapory betonowej. Symulacje numeryczne propagacji fal sprężystych w konstrukcjach o relatywnie dużych rozmiarach wymagają zastosowania specjalnego rozwiązania, Metody Elementów Spektralnych. Metoda ta umożliwia znaczne skrócenie czasu obliczeń numerycznych propagacji fal sprężystych przy zachowaniu niezbędnej dokładności. 3.2. Diagnostyka uszkodzeń w płaskim połączeniu stalowym w kształcie litery T Analizowana jest połączenie przedstawione na rys. 7. Założono: stałą grubość konstrukcji równą 5 mm, moduł Younga E 196.58 GPa, gęstość masy ρ 7976 kg/m 3 i współczynnik Poissona v 0.27. Rozpatrzono przypadek panelu bez i z defektem w postaci otworu kwadratowego wymiarach 40 na 40 mm, położonego w odległości 0.44 m od lewego dolnego narożnika panelu.

Rys. 7. Geometria panelu i położenie defektu Rys. 8. Siatka MES zadania Rys. 9. Wymuszenie: funkcja w dziedzinie czasu i częstotliwości

Rys. 10. Propagacja fali wzdłużnej w przypadku (a) panelu bez uszkodzenia, (b) panelu z uszkodzeniem Siatkę MES zadania przedstawia Rys. 8. Siatka składa się ze 175 kwadratowych elementów rozmiaru 0.04 m na 0.04 m, pojedynczy element ma 121 = 11 x 11 węzłów. Krok całkowania 7 przyjęto jako t 10 s. Wymuszeniem była fala sinusoidalna o częstotliwości 120 khz modulowana oknem Hanninga (rys. 9). Poniżej przedstawiono dyskusję rozwiązania w przypadku obciążenia równomiernie rozłożonego na całej krawędzi lewego ramienia konstrukcji, prostopadle do tej krawędzi Propagację przyspieszenia fali w kierunku x przedstawia Rys. 10. Wygenerowane czoło fali zachowuje swój kształt po przejściu przez narożnik (t = 0.12 ms). W chwili t = 0.12 ms widoczne jest odbicie fali od defektu i powrót czoła fali odbitej do miejsca generacji fali. Dla t = 0.15 ms odbite czoło fali ma nadal kształt prostej linii jak wygenerowane na początku symulacji. Fala odbita od uszkodzenia powraca do lewej krawędzi konstrukcji w czasie 0.176 ms. Znając prędkość propagacji fali podłużnej (4990 m/s) możliwe jest określenie miejsca odbicia, czyli miejsca, w którym znajduje, się uszkodzenie na 0.44 m. Gdy możliwe jest precyzyjne zmierzenie czasu propagacji fali od uszkodzenia, możliwe jest także określenie lokalizacji defektu. 3.3. Diagnostyka ultradźwiękowa w zaporze betonowej Z powodu bardzo czasochłonnych obliczeń propagacji fal sprężystych w masywnej konstrukcji zapory betonowej, mimo zastosowania metody Elementów Spektralnych, wyniki analiz zostały ograniczone do kwadratowej kostki betonowej (rys. 11). Rozpatrywana kostka betonowa o wymiarach 1 x 1 x 1m, wykonana została z betonu o module E = 32 GPa, gęstości = 2400 kg/m3 i module Poissona = 0.16. Siatka MES kostki, wymodelowana została z 10x10x10 elementów, każdy element posiada 11x11x11 węzłów GLL.

Jako wzbudzenie przyjęto paczkę falową o częstotliwości 40 khz zawierającą 4 okresy sinusoidy zmodulowanej oknem Hanninga. Rys. 11. Wybór fragmentu konstrukcji zapory do analizy przebiegu fal sprężystych wzbudzonych paczką falową. a) b) c) d) Rys. 12. Wyniki propagacji fal sprężystych w fragmencie konstrukcji betonowej.

Wyniki propagacji fal sprężystych w kostce betonowej pokazane są na rys.12. Wartości przyspieszeń oznaczone są odcieniami szarości. Kolor czarny oznacza duże amplitudy przyspieszeń poszczególnych punktów na powierzchni kostki. Działanie wzbudzenia widoczne jest na rys 12a na frontowej ścianie kostki (t = 0.15 ms). Czoło fali, w kształcie wycinka kuli, przemieszcza się wzdłuż boków kostki (t = 0.30 ms, rys. 12b. W czasie t = 0.50 ms i t = 0.65 ms następują liczne odbicia fali sprężystej od ścianek kostki. Pokazane wyniki stanowią wstępne badania rozchodzenia się fal sprężystych w masywnych elementach betonowych. Kolejnym etapem badań są analizy numeryczne uszkodzonych elementów konstrukcyjnych oraz badania doświadczalne. 4. Moduły diagnostyczne bazujące na drganiach własnych konstrukcji Uszkodzenie konstrukcji, jak na przykład rysa w elemencie stalowym, powoduje zmianę sztywności elementu. Zmiana sztywności powoduje zmianę parametrów dynamicznych konstrukcji takich jak częstości własne i postacie drgań własnych. Śledzenie zmian parametrów dynamiczny umożliwia monitorowanie stanu technicznego konstrukcji. System diagnostyczny na bazie drgań wymaga urządzeń mierzących drgania konstrukcji, najczęściej stosuje się pomiar przyspieszeń za pomocą akcelerometrów, oraz modułu analizy sygnału do ekstrakcji informacji o stanie konstrukcji. Rys. 13. Stanowisko do badań eksperymentalnych utwierdzonej płyty stalowej.

Rys. 14. Eksperymentalna i numeryczna 1, 2 i 3 postać drgań własnych płyty stalowej. Przykładowe zastosowanie metody poszukiwania uszkodzenia na bazie drgań przedstawione jest na płyci stalowej sztywno zamocowanej na wszystkich swoich krawędziach. Płyta ma wymiary: długość L = 560 mm, szerokość B = 480 mm i grubość H = 2 mm. Parametry materiałowe zostały wyznaczone eksperymentalnie: moduł Young a E = 192 GPa, współczynnik Poisson a = 0.25 oraz gęstość = 7430 kg/m 3. Płyta (rys. 13) posiada prostokątne uszkodzenie, wykonane piłą o wysokiej precyzji, o wymiarach L r = 80 mm, B r = 80 mm i głębokości a = 0.5 mm. Odległości od lewego dolnego narożnika uszkodzenia do lewego dolnego narożnik płyty w kierunku poziomym i pionowym wynoszą: L 1 = 200 mm i B 1 = 200 mm. Pole powierzchni uszkodzenia wynosi 2,4% całego pola płyty, zaś głębokość uszkodzenia stanowi 25% grubości płyty. Drgania wymuszone były młotkiem modalnym PCB 086C03 w 143 punktach płyty. Pomiar przyspieszeń wykonany był w jednym punkcie na spodniej stronie płyty. Do pomiarów wykorzystano system akwizycji danych Pulse 3650C. Każdy pomiar powtórzony był 5 razy. Wyniki zostały uśrednione w domenie częstotliwości. Obliczanie eksperymentalnych postaci drgań wykonane zostały estymatorem H ( ) 2. Dla porównania, wykonane zostały obliczenia numeryczne postaci drgań przy pomocy komercyjnego kodu MES, SOFiSTiK z użyciem elementów skończonych o rozmiarach 40 40 mm. Pierwsze trzy częstotliwości drgań własnych płyty obliczone modelem MES wynoszą f 1 = 65.100 Hz, f 2 = 120.00.100 Hz, f 3 = 207.09.100 Hz, zaś częstości wyznaczone eksperymentalnie wynoszą f 1 = 64.875 Hz, f 2 = 114.875 Hz, f 3 = 195.25 Hz. Numeryczne i eksperymentalne postacie drgań własnych przedstawione są na rys. 14. Czarne punkty oznaczają wartości eksperymentalne, a czarne linie przedstawiają postacie obliczeniowe. Wyniki poszukiwania lokalizacji uszkodzenia za pomocą transformacji falkowej (rbio5.5) eksperymentalnych postaci drgań, zostały przedstawione na Rys. 16. Jako parametr wskazujący miejsce uszkodzenia wybrano moduł Mf ( u, v, s ) obliczony z poziomego i pionowego skład-

nika dwuwymiarowej transformaty Falkowej. Maksymalna wartość modułu transformaty falkowej, która sugeruje możliwe położenie uszkodzenia, znajduje się w odległości x = 240 mm i y = 243 mm od lewego dolnego narożnika płyty. Rzeczywiste położenie uszkodzenia to x = 240 mm i y = 240 mm. Zastosowana metoda pozwoliła precyzyjnie określić miejsce zniszczenia oraz pozwala oszacować jego prawdopodobny kształt. widok 3D widok z góry miejsce uszkodzenia x = 240 mm y = 243 mm Rys. 15. Moduł współczynników transformaty falkowej obliczony na bazie eksperymentalnych postaci drgań własnych. 5. Moduły diagnostyczne bazujące na czujnikach światłowodowych Zastosowanie własności światła jako nośnika informacji i narzędzia diagnostycznego jest stosowane do celów telekomunikacyjnych i medycznych. Rozwój urządzeń pomiarowych takich jak reflektometry optyczne i pogłębienie wiedzy o interakcji propagującego światła w światłowodach daje coraz szersze możliwości do zastosowania tych rozwiązań w takich dziedzinach techniki jak inżynieria lądowa i wodna. W obiektach budowlanych stosowane są czujniki optoelektroniczne do monitorowania odkształceń i temperatur konstrukcji. Komercyjnie dostępne systemu pomiarowe bazujące na czujnikach Bragg a i Farby-Perot a. Prowadzone są badania nad zastosowaniem ciągłych czujników wykorzystujących wymuszone rozpraszanie Brillouin a. Zaletą zastosowania reflektometru BOTDR (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer) jest możliwość pomiaru na pojedynczym światłowodzie (wymagany jest także światłowód referencyjny) do długości sięgającej 120 km. Taki system umożliwia obserwację w sposób ciągły konstrukcji o bardzo dużych wymiarach. Przykładowe zastosowanie systemu pomiarowego BOTDR do monitoringu wałów przeciwpowodziowych pokazane jest na rys. 16. Światłowody umieszczone są w korpusie zapory ziemnej. Przemieszczenia poziome zapory powodują zwiększenie odkształceń w światłowodzie, które możliwe jest do pomierzenia przez reflektometr BOTDR. Jedno urządzenie pomiarowe może obsłużyć wały o długości przekraczającej 100 km. Dokładność pomiaru odkształceń BOTDR zbadana eksperymentalnie wynosi 1 10-5.

Rys. 16. Zastosowanie sytemu pomiarowego BOTDR do monitoringu wałów przeciwpowodziowych. Rys. 17. Zastosowanie sytemu światłowodowego BOTDR do monitoringu zespołu zbiorników na paliwa płyne. Przykład systemu monitoringu zespołu zbiorników na paliwa płynne pokazany jest na rys. 17. Jeden reflektometr (BOTDR) umożliwia pomiar deformacji płaszcza i dna zbiorników stalowych. Zaletą zastosowania czujników światłowodowych jest ich trwałość, odporność na działanie czynników zewnętrznych, niewrażliwość na zakłócenia elektryczne. Czujniki światłowodowe, w przeciwieństwie do inny sensorów (np. elektrooporowych) nie stwarzają zagrożenia pożarowego, gdyż nośnikiem informacji jest światło w przewodzie światłowodowym. 6. Uwagi końcowe Zaawansowane metody projektowania konstrukcji z wykorzystaniem komputerów i precyzyjnych modeli numerycznych pozwalają na bardzo wnikliwą znajomość pracy konstrukcji

i procesów zachodzących w trakcie jej użytkowania. Szybki rozwój technologii pomiarowych i teleinformatycznych, a także postęp w cyfrowej analizie sygnału umożliwiają tworzenie systemów ciągłej obserwacji konstrukcji. Najnowsze rozwiązania jak systemy światłowodowe czy moduły ultradźwiękowe pozwalają na dokładne i wnikliwe podglądanie stanu technicznego konstrukcji. Ciągły pomiar i podgląd online prze siec Internet takich parametrów jak przemieszczenia, odkształcenia, temperatury, ciśnienia wody, kąty obrotu, przemieszczenia warstw gruntu, przyspieszenia itp., jest stosunkowo łatwy do wykonania zarówno na małym moście jak i na bardzo rozległym obiekcie budowlanym. W przypadku obiektów o szczególnym znaczeniu zastosowanie systemów monitoringu technicznego z rozsądnie wybranymi modułami pomiarowymi może być rozwiązaniem zwiększającym bezpieczeństwo użytkowania obiektu budowlanego, zaś koszty takiego systemu mogą być rekompensowane przez wydłużenie czasu użytkowania obiektu.