W niniejszym referacie przedstawiono nowoczesne systemy monitorowania konstrukcji budowlanych na przykładach konkretnych realizacji. W każdym przypadku zwrócono uwagę na różne cele wykonywania pomiarów, związane przede wszystkim z kwestiami bezpieczeństwa, diagnostyki czy zagadnień naukowych. W praktyce bardzo często cele te realizowane są jednocześnie. Omówiono podstawowe informacje związane z systemami monitorowania konstrukcji oraz zasadą działania czujników strunowych, które zastosowano w przytoczonych przykładach. W artykule przedstawiono pracę systemów monitorowania zainstalowanych na kablobetonowych dźwigarach w halach sportowych Uniwersytetu Jagiellońskiego, Kopcu Kościuszki w Krakowie oraz na Moście Rędzińskim we Wrocławiu.
1. Wprowadzenie
Współcześnie, mimo dynamicznego rozwoju komputerowych metod obliczeniowych oraz tworzeniu coraz dokładniejszych modeli materiałowych, wciąż najlepszą i najbardziej precyzyjną odpowiedzią na pytanie o poprawność danego rozwiązania pozostaje zbadanie go w praktyce. Rozważania teoretyczne, symulacje czy nawet bardzo dokładne modele nigdy nie są w stanie odzwierciedlić całej złożoności materii, zjawisk i procesów. „Łatwiej i lepiej poznaje się zjawiska drogą doświadczalną, niż drogą wgłębiania się w schematy teoretyczne, które przecież nigdy nie są w stanie dokładnie zjawisk odzwierciedlać” - słowa profesora Zbigniewa Wasiutyńskiego bardzo dobrze wpisują się w ideę systemów monitorowania, które dostarczają nam wiedzy o konstrukcjach na podstawie pomiarów zrealizowanych w rzeczywistych warunkach ich pracy. Odczyty wskazań czujników uwzględniają wszystkie imperfekcje, charakterystyki materiałowe, wpływ procesów reologicznych, warunki zewnętrzne, sposób użytkowania, technologię wykonania, itp. Tworzona w ten sposób ogromna baza danych stanowi podstawę do szczegółowej analizy pracy konstrukcji, weryfikacji poprawności przyjętych założeń (uproszczeń) na etapie projektowania, poprawy bezpieczeństwa, oceny stanu technicznego czy efektywnego zarządzania obiektem.
2. Systemy monitorowania konstrukcji
Systemy monitorowania (ang. Structural Health Monitoring) stanowią wypadkową wielu urządzeń technicznych (m.in. czujników, rejestratorów, komputerów) współpracujących ze sobą w celu gromadzenia, przesyłania i przetwarzania danych związanych z pracą konstrukcji [1]. Zawsze jednak należy pamiętać, że na końcu całego procesu stoi inżynier, do którego należy interpretacja wyników i podejmowanie ostatecznych decyzji.
Rys. 1. Rozwój materiałów i konstrukcji inżynierskich, w tym konstrukcji z SHM [2]
Projektowanie systemów SHM opiera się na wykorzystaniu wiedzy interdyscyplinarnej, łączącej takie dziedziny nauki jak konstrukcje budowlane i inżynierskie, mechanika (dynamika) budowli, inżynieria materiałowa, informatyka czy elektronika. Należy rozważyć wiele aspektów związanych z wyborem mierzonych wielkości fizycznych, lokalizacją miejsc pomiarowych, częstotliwością pomiarów, liczbą i dokładnością czujników oraz samą techniką pomiarową.
Do najważniejszych zalet systemów monitorowania zaliczyć należy możliwość zwiększenia bezpieczeństwa konstrukcji (a tym samym użytkowników), oceny jej stanu technicznego w sposób ciągły z inżynierskiego punktu widzenia (pomiary realizowane np. co kilkanaście minut), efektywnego zarządzania obiektem czy tworzenia bazy danych dla celów naukowych i projektowych. Należy jednak zwrócić uwagę, że niedoskonałe konstrukcje obserwujemy wciąż niedoskonałymi narzędziami. Dlatego tak ważne jest, aby do wyników podchodzić krytycznie i mieć świadomość błędów, które w trakcie całego procesu mogły zostać wygenerowane. Umiejętna interpretacja danych stanowi duże wyzwanie dla inżynierów. Obecnie trwają badania nad nowymi rozwiązaniami pomiarowymi (np. technologia światłowodowa), które dostarczać będą pełniejszych informacji i w przyszłości pozwolą na tworzenie systemów monitorowania coraz bardziej efektywnych, zarówno pod względem inżynierskim, jak i ekonomicznym.
3. Czujniki strunowe
W niniejszym artykule przedstawiono konkretne funkcjonujących systemów monitorowania, które w większości wykorzystują technologię czujników strunowych. Historia komercyjnego wykorzystania tej technologii sięga lat trzydziestych ubiegłego stulecia [3]. Zasada działania czujnika strunowego opiera się na pomiarze zmian częstotliwości drgań własnych struny pod wpływem zmian jej długości (a zatem pod wpływem odkształceń opomiarowanego elementu).
Rys. 2. Zasada działania czujnika strunowego [4]
Należy podkreślić, że czujnikami strunowymi mierzymy takie odkształcenia, które powodują powstanie w konstrukcji naprężeń. W przypadku elementów stalowych odkształcenie to jest wprost zależne od zmian częstotliwości drgań (stalowej) struny, natomiast w przypadku konstrukcji żelbetowych lub innych należy uwzględnić korektę termiczną ze względu na różne współczynniki rozszerzalności termicznej czujnika i konstrukcji (w konstrukcjach żelbetowych relacja σ-ε jest o wiele bardziej złożona ze względu na zarysowania materiału). W ogólności można zatem zapisać:
εstress = ε(f) + ε(ΔT,αc,k) (1)
gdzie εstress to odkształcenie powodujące naprężenie, ε(f) odkształcenie związane ze zmianą częstotliwości drgań struny f, a ε(ΔT,αc,k) odkształcenie korygujące zależne od współczynników rozszerzalności termicznej czujnika i elementu konstrukcji αc,k, oraz od różnicy temperatur ΔT. W celu wyznaczenia korekty termicznej każdy czujnik strunowy wyposażony jest dodatkowo w termistor. Pozwala to także na analizę pracy konstrukcji poddanej oddziaływaniu temperatury: w rzeczywistości nie istnieją bowiem elementy idealnie swobodne.
4. System monitorowania dźwigarów kablobetonowych
prefabrykowanych dźwigarach oszczędnościowych [5] typu KBO w halach sportowych Uniwersytetu Jagiellońskiego. Dźwigary te stosowano już w połowie zeszłego stulecia: z ich wykorzystaniem powstało w kraju około 850 obiektów, co łącznie przełożyło się na wprowadzenie do użytkowania ponad 10 000 dźwigarów jako elementów nośnych konstrukcji dachów [6]. Niestety, przede wszystkim ze względu na niską kulturę wykonawstwa, agresywne środowisko chlorkowe i wysoką wilgotność powietrza w halach produkcyjnych, a także korozję wżerową stali sprężającej, po kilkudziesięciu latach eksploatacji stan techniczny dźwigarów może budzić zastrzeżenia. Tym bardziej, że obecne wymogi normowe stawiane bezpieczeństwu obiektów budowlanych są bardziej rygorystyczne niż kiedyś. Wykonywane są zatem okresowe inspekcje, jednak dzięki wykorzystaniu współczesnych technik pomiarowych istnieje możliwość stałej obserwacji pracy konstrukcji. Zainstalowany w omawianej hali system monitorowania, wraz z procedurami obliczeniowymi oraz schematami postępowania w przypadku przekroczenia wartości progowych mierzonych wielkości fizycznych, pozwala na bezpieczne i efektywne użytkowanie obiektu. Na dolnych pasach dźwigarów zainstalowano po dwa strunowe czujniki odkształceń oraz termistor, natomiast na pasie górnym po jednym termistorze (Rys. 4). Pomiary wykonywane są co 15 minut, a uzyskane dane przeliczane i prezentowane on-line na platformie pomiarowej. Widok dźwigarów oraz przykładowy wykres odkształceń i temperatur przedstawiono poniżej.
Rys. 3. Widok konstrukcji zadaszenia oraz przykładowy wykres odkształceń pasa dolnego dźwigara
Głównym wyzwaniem dla inżynierów interpretujących wskazania systemu jest uwzględnienie wpływu temperatury na pracę dźwigarów. Przyjmując model płaski dźwigara jako belki wolnopodpartej, obciążenie równomierną temperaturą nie będzie generowało w nim naprężeń. W rzeczywistości należy uwzględnić współpracę dźwigarów z przekryciem (płyty żebrowe). W takim przypadku ogrzanie dźwigarów i przekrycia już o 10 [˚C] spowoduje ugięcia dźwigarów porównywalne do tych, które powstałyby pod wpływem równomiernego obciążenia śniegiem o wartości 1 [kN/m2
]. Zbudowanie przestrzennego modelu konstrukcji oraz kalibracja systemu w pierwszych miesiącach użytkowania pozwoliła na przyjęcie bezpiecznych, progowych wartości
odkształceń. Ich przekroczenie sygnalizowane jest automatycznie m.in. sygnalizacją świetlną zlokalizowaną w obiekcie, dzięki czemu w takiej sytuacji możliwa jest szybka i sprawna reakcja.
Rys. 4. Przekrój poprzeczny dźwigara oraz wizualizacja deformacji konstrukcji pod wpływem równomiernego ogrzania dźwigarów o 10 [˚C] w modelu przestrzennym oraz płaskim [SOFiSTiK]
5. System monitorowania bryły Kopca Kościuszki w Krakowie
Kopiec Kościuszki od początku podlega nieustannym deformacjom. Na taki stan rzeczy wpływa m.in. sam budulec (głównie pyły i iły), strome nachylenie zboczy oraz intensywne opady. Wykonywane naprawy i wzmocnienia nie przyniosły oczekiwanych rezultatów m.in. ze względu na fakt, że projektanci nie dysponowali pełnym rozpoznaniem podłoża gruntowego. Od 2012 roku na Kopcu funkcjonuje system monitorowania, którego cele są odmienne od celów systemu zaprezento-wanego wcześniej. W tym przypadku awaria nie rzutuje bezpośrednio na bezpieczeństwo ludzi (spękania bądź lokalne zsuwy ziemi nie stanowią zagrożenia życia, w przeciwieństwie do zniszczenia stropu). Dane pomiarowe pomogą w zrozumieniu mechanizmów pracy warstw gruntowych w całej objętości bryły, co wraz z kompleksową dokumentacją geologiczną będzie podstawą do zaprojektowania skutecznych remontów w przyszłości. Można zatem powiedzieć, że system ten pełni przede wszystkim funkcje diagnostyczne, poszerzając jednocześnie stan wiedzy w zakresie zagadnień geotechnicznych i wspomagając projektantów w podejmowaniu decyzji. Jest to przykład tzw. projektowania wspomaganego pomiarami, zalecanego współcześnie przez normy EC.
W obrębie bryły kopca mierzona jest wilgotność gleby, temperatura, ciśnienie wody w porach gruntowych, a także odkształcenia warstw: obwodowe, radialne i pionowe. Z punktu widzenia pracy pomnika najbardziej istotne wydają się być te ostatnie. Odpowiednia konstrukcja układu pomiarowego (ekstensometr pionowy), bazująca na technologii strunowej, pozwala na oszacowanie zmian grubości poszczególnych warstw gruntowych na różnych głębokościach. Do tej pory
z pomiarami geodezyjnymi, inklinometrycznymi, geologicznymi oraz meteorologicznymi, system SHM umożliwi kompleksową ocenę stanu technicznego Kopca Kościuszki oraz zjawisk zachodzących w całej jego objętości.
Rys. 5. Rozmieszczenie ekstensometrów na Kopcu Kościuszki w Krakowie
6. System monitorowania Mostu Rędzińskiego we Wrocławiu
System monitorowania konstrukcji Mostu Rędzińskiego należy do jednego z największych tego typu systemów w Europie i ma do spełnienia wiele zadań, głównie związanych z bezpieczeństwem i zarządzaniem. Mierzone są także wielkości fizyczne pozwalające na weryfikację przyjętych na etapie projektowania założeń co do właściwości i zachowania się betonu w czasie. W artykule opisano jedynie wybrany fragment systemu SHM. W każdym z narożników silnie zbrojonych „nóg” pylonu (w najniższym segmencie) zatopiono w betonie strunowe czujniki do pomiaru jego odkształceń oraz „naprężeń”. Naprężenia nie mogą być mierzone w sposób bezpośredni, dlatego w tym celu wykorzystano specjalną konstrukcję czujnika, umożliwiającą przekazanie odkształceń z określonej powierzchni betonu na stalową rurkę, w której umieszczono drgającą strunę, a następnie wyznaczenie naprężeń.
Rys. 6. Widok czujników tuż przed zabetonowaniem segmentu [7] oraz zbrojenie przekroju [8]
Pomiary wykonywane są co 15 minut, a zatem w sposób ciągły z inżynierskiego punktu widzenia. Znając przyrosty odkształceń oraz naprężeń w betonie możemy oszacować jego efektywny moduł sprężystości, a także podjąć się analizy zjawisk reologicznych (pełzanie i skurcz)
w odniesieniu do wytycznych normowych i modeli numerycznych.
Rys. 7. Rozkład naprężeń od ciężaru własnego w podstawie jednej z nóg pylonu [SOFiSTiK] oraz przykładowy wykres procentowych wartości naprężeń przenoszonych w przekroju przez stal
Ponadto, dzięki czujnikom odkształceń zainstalowanym na prętach zbrojeniowych, możliwa jest ocena współpracy betonu i stali w przekroju żelbetowym w długim okresie czasu. W związku z przyrostem odkształceń reologicznych w betonie, naprężenia stopniowo przekazywane są na pręty zbrojeniowe. Jak można przypuszczać, zjawisko to jest bardziej intensywne w miejscach, gdzie panują większe naprężenia. Potwierdzają to dane otrzymane z systemu SHM: w narożach po zewnętrznej stronie (patrz Rys. 7 – punkty G i F) procentowe naprężenia w stali przyrastają nieco szybciej (linie zielona i niebieska na wykresie) od pozostałych.
Szczegółowa analiza danych otrzymanych z systemu monitorowania Mostu Rędzińskiego pozwoli na jakościową i ilościową weryfikację założeń normowych oraz przyjętych na etapie projektowania procedur obliczeń. Ma zatem istotne znaczenie z naukowego punktu widzenia.
7. Podsumowanie
Systemy SHM stosuje się najczęściej w mostach, obiektach geotechnicznych czy innych zaawansowanych konstrukcjach inżynierskich [9]. Ich celem jest przede wszystkim zwiększenie bezpieczeństwa, ale także możliwość oceny stanu technicznego, efektywne zarządzanie obiektem czy weryfikacja założeń projektowych. W artykule przedstawiono przegląd współczesnych możliwości pomiarowych na przykładach konkretnych systemów SHM, realizujących powyższe cele. Tworzenie systemu monitorowania oraz interpretacja wyników dla potrzeb inżynierii lądowej jest znacznie trudniejsze niż w innych gałęziach przemysłu, np. w dobrze zdefiniowanych układach mechanicznych [10]. Dzieje się tak ze względu na znaczną liczbę niepewności wynikających m.in. z geometrii, materiałów czy środowiska zewnętrznego, które mogą wpływać na wyniki pomiarów nawet bardziej niż drobne uszkodzenia konstrukcji. Dlatego zasadne jest prowadzenie badań
związanych m.in. z wdrażaniem nowych technik pomiarowych (np. światłowody), aby systemy monitorowania w przyszłości jeszcze lepiej odzwierciedlały rzeczywistą pracę konstrukcji.
Literatura
[1] SIS Educational Module 5, An Introduction to Structural Health Monitoring, Departament of Civil Engineering, Queen’s University, 2004
[2] Balageas D., Fritzen C. P., Güemes A, Structural Health Monitoring, Wiley-ISTE, January 2006 [3] Baker J. F., Choice of a Strain Gauge, Geotechnical Instrumentation News, 2007
[4] Bednarski Ł., Sieńko R.: Pomiary odkształceń konstrukcji czujnikami strunowymi, Inżynieria i Budownictwo, 11/2013, s. 615-619.
[5] Zieliński Z., Prefabrykowane betonowe dźwigary sprężone, wydanie drugie poprawione, Arkady, Warszawa 1962
[6] Sieńko R.: Konstrukcje kablobetonowe, Wykład na XXV Ogólnopolskich Warsztatach Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk, 10-13 marca 2010
[7] Barcik W., Sieńko R., Biliszczuk J., System monitorowania konstrukcji mostu Rędzińskiego we Wrocławiu, Wrocławskie Dni Mostowe, Aktualne realizacje mostowe, Wrocław, 24-25.11.2011 [8] www.obwodnica-wroclawia.pl
[9] Glisic B., Inaudi D., Casanova N., SHM process – lessons learned in 350 SHM Projects, 4th International Conference on SHM of Intelligent Structure, Zurich, 2009
[10] Furtner P., Wenzel H., SHM at the Civil Infrastructure: Recent progress & Future Demands, 4th International Conference on SHM of Intelligent Structure, Zurich, 2009
AUTOMATIC STRUCTURAL HEALTH MONITORING SYSTEMS -