+7 (8412) 999-189
8 800 200 1605
(звонок по России бесплатный)

Состояние вопроса

Общие положения

Обширный обзор литературы, касающейся методов мониторинга состояния конструкций приведен в работах Doebling (1996, 1998), Hemez(2001), Farrar C.R. (2001), Chang P.C.(2003).

Система мониторинга конструкций предполагает установку различных датчиков на элементах конструкций зданий и сооружений с целью определения влияния физического (влажность, температура) и силового (статическая и динамические нагрузки) воздействия на их прочность и деформируемость. Первые системы были созданы для наблюдения за конструкциями при землетрясении. Это традиционное их применение способствовало более глубокому пониманию природы землетрясений, их влияние на конструкции, что в итого привело к разработке более надежных проектов сооружений, в зонах с высокой сейсмической активностью (Shakai 2001). Первые системы мониторинга устанавливались на крупномасштабные конструкции, такие как госпитали, дамбы и протяженные мосты.

Использование следящих систем за техническим состоянием конструкций в процессе их строительства и эксплуатации не является новым направлением в области строительной индустрии. Для примера, управлением департамента транспорта штата Калифорния, в 1977 году была установлена система мониторинга на 61 пролете мостов для оценки их поведения при сейсмических воздействиях, с использованием более 900 постоянно действующих датчиков (Hipley 2001). Калифорнийский департамент транспорта использует результаты измерений не только для тестирования проектных решений, но и также при устранении повреждений сразу же после больших землетрясений. В Европе применяют оптоволоконные датчики деформации для управления нагрузками на конструкции и определении прогибов железобетонных мостов (Inaudi and Vurpillot 1999). В Азии многие большие мосты были подвергнуты инструментальным наблюдениям в течении их строительства (Tamura 2001).

В России системы наблюдения за развитием деформаций и напряжений были установлены ранее на ряде ответственных сооружениях ЦНИИСК им В.А. Кучеренко. Пример можно найти в работе /2/.В настоящее время группа сотрудников МГСУ развивает волоконно-оптические системы мониторинга /3/.

Имеющие место разрушения зданий и сооружений, в последнее время, вынуждают использовать новые технологии с целью исключения подобных ситуаций. Наиболее часто для этой цели применяются проводные системы мониторинга. Однако, подобные системы мониторинга используют стандартные датчики и системы сбора и передачи информации, которые не только сложны к установке на конструкциях, но и дорогие.Для примера, один акселерометр с преобразователем может стоить несколько сотен долларов, а система сбора в целом информации и соединительные кабели для каждого датчика от 1000 до 2000 Евро /1/. Это означает, что стандартные системы мониторинга, включающие большое количество датчиков являются дорогостоящими и поэтому устанавливаются, как правило на ответственных сооружениях, подобные железнодорожным или автомобильным мостам.

Рис. 1. Диаграмма беспроводной диагностики большепролетных конструкций с использованием радиочастотной техники передачи

Однако в последнее время были разработаны новые технологии, которые оказываются существенно дешевле при их использовании для мониторинга конструкций. Одной из подобных технологий является беспроводные системы передачи информации с датчиков, которые размещаются на определенных, наиболее опасных, элементах конструкций зданий или сооружений. Беспроводные датчики дешевле в несколько раз и стоят обычно от 100 до 400 Евро каждый.

Рис. 2. Схематическая диаграмма беспроводной системы мониторинга (Singer at all, 2006)

Беспроводная система мониторинга включает несколько различных компонент, которые представлены на рис. 2. Система мониторинга должна обеспечивать передачу данных с контролируемых конструкций без визуального их осмотра. Данные измерений с датчиков могут передаваться к пользователю различным путем, например, через интернет. Несколько датчиков объединяются в сеть образуя «узлы», которые имеют источник питания и могут передавать самостоятельно сигналы только на небольшие расстояния. Поэтому на объекте устанавливается центральное устройство, которое собирает и хранит информацию в базе данных для анализа с различных узлов. Эти данные, используются для оценки текущего состояния конструкций и в случае наступления критической ситуации выдается сообщение в виде сигнала тревоги. Центральное устройство должно выполнять также калибровку датчиков иобеспечивать перепрограммирование узлов датчиков сохраняя в целом систему гибкой. Центральное устройство должно имеет, как правило персональный компьютер с постоянным источником питания и соответствующими программами.

Динамика развития аппаратных средств, входящих в состав систем мониторинга приведена в табл.1, а изменение их объема на рис. 3.

Табл.1. Динамика развития средств беспроводной связи (Hipley 2001)

Показатели Вчера (1980-1990 ) Сегодня (2000-2003) Завтра (2010)
Производитель Пользователи TRSS Сrossbow Technology Inc., Sensoria Corp., Ember Corp., Microstrain Inc. Dust Inc. и ряд новых
Размер Большая коробка Небольшая коробка Размер «частицы»
Вес Килограммы Десятки грамм Граммы
Архитектура узла Раздельное узлы, обработка и передача данных Интегрированные узлы, обработка и передача данных Интегрированные узлы, обработка и передача данных
Топология От точки к точке, звездочная Клиент сервер, от узла к узлу от узла к узлу
Питание Большие батареи, часы, дни и более Литеевые батареи, от дней до недель Солнечные батареи, от месяцев до лет

Рис.3. Эволюция систем мониторинга за период 1980 – 2007 гг.

Рис. 4. Развитие сенсорных узлов для мониторинга конструкций (Lynch, 2004)

Тенденция развития заключается в уменьшении объема, увеличения срока службы от одного источника питания и росте вычислительной мощности сенсорных узлов.

1. Архитектура системы

Применяемая веерная архитектура («втулка-спица») системы мониторинга конструкций включает удаленные датчики, связанные проводами с центральной системой сбора данных, как показано на рис. 5. Как правило, подобные системы,включающие сотни датчиков являются дорогостоящими.

Рис. 5. Централизованная проводная система мониторинга строительных конструкций

2. Стоимость систем мониторинга

Сегодня, стоимость установки систем мониторинга на строительные конструкции является высокой. Например, стоимость установки системы мониторинга на подвесной Tsing Ma мост составляет 27000 долларов на измерительный канал (Farrar 2001). Подобным образом, в Европе оптоволокновая система мониторинга изменяется от 20 до 100 тыс.дол. для железобетонных мостов с пролетом 200 м (Bergmaister 2000). Мосты обследуются визуально ежегодно с целью выявления возможных дефектов или разрушений. Стоимость этих визуальных обследований может изменяться от 0,05 до 0,1% полной стоимости моста. В случае обнаружения повреждений, стоимость ремонта может составлять от 4% полной стоимости конструкции. При инструментальных наблюдениях с использованием систем мониторинга стоимость затрат на проведение наблюдений резко сокращается при этом повреждения обнаруживаются на ранних стадиях, вследствие чего стоимость ремонта также уменьшается (Bergmeister, 2000).

Высокая стоимость проводных систем мониторинга является прямым результатом высокой стоимости затрат на монтажные работы и содержание системы. Затраты на монтажные работы могут составлять до 25% полной стоимости системы, при этом 75% затрат времени приходится на монтаж проводов системы (Straser 1998). При установке систем мониторинга на открытых объектах, таких как мосты, башни, дамбы и т.п., где проявляется значительное отрицательное воздействие окружающей среды, в результате чего приходится применять влагостойкие кабели и иные защитные мероприятия, стоимость проводной системы мониторинга резко возрастает.

В табл. 2приведена стоимость системы мониторинга, которая может быть изготовлена и смонтирована на конструкциях. Фирма “Microstrain.com” является производителем беспроводных сенсорных узлов и необходимого программного обеспечения (приложение1 ).

Табл. 2 . Стимость, комплектующих системы мониторинга в дол. США

Наименование изделий и компонент Microstrain.com
1 SG-Link-1CH-2400-SK (два устройства для сбора сигналов с датчиков и передачи их на частоте 2,4 ГГц, USB станция, программное обеспечение) 1995,0
2 SG-Link-1CH-2400-M (устройство сбора данных с одного датчика деформации и передачи на частоте 2,4 ГГц) 495,0
3 SG-Link-HBridge (полумостовой датчик деформации) 95,0
4 MD-ANT-2400-OMNI (антена для 2,4 ГГц и 5,5 dBi) 19,0
Итого: 2604,0

Примечание: 1. Стоимость в табл. 2приведена на один датчик. Для системы мониторинга,включающей n – датчиков, необходимо поз. 2 – 4 увеличить в n раз.

3. Недостатки существующих систем мониторинга

Из-за высокой стоимости затрат на установку и содержание, применение технологий мониторинга конструкций не находит широкого применения на практике. До сих пор, только конструкции, относящиеся к критическим подвергаются мониторингу. Сегодня, имеет место тенденция более широкого использования систем мониторинга вследствие возникновения новых технологий, снижающие затраты на их установку и последующую эксплуатацию. В частности, разработаны вычислительные алгоритмы, которые могут быть применены для определения существующих повреждений в конструкциях (Doebling et al. 1996). Выражение «система мониторинга здоровья конструкций» заменила традиционное определение «системы мониторинга конструкций» и устанавливаются для сбора данных измерений при воздействии на них окружающей среды и нагрузок (сейсмическая и ветровая) совместно с компьютером, который используется для анализа данных измерений, выявления и определения места повреждений.

Большинство вычислительных алгоритмов, которые разработаны для определения повреждений с использованием систем мониторинга являются излишне большими. Современные системы мониторинга имеют излишне высокую централизацию при сборе и анализе данных измерений. Алгоритмы обнаружения повреждений, которые управляют процессом измерений находятся в системах мониторинга в центральном сервере. Так как количество сенсорных узлов в системах мониторинга постоянно возрастает, использование централизованного сервера данных будет приводить к увеличению потока данных измерений и будет способствовать перегрузке в процессе сбора данных с целью обнаружения повреждений.

4. Сенсорные узлы и их питание

Сенсорные узлы являются главной компонентой беспроводной системы мониторинга. Сенсорные узлы могут выполнять различные задачи: собирать аналоговые сигналы и превращать их в цифровой код с различных датчиков; хранить данные с датчиков; анализировать данные в виде простых алгоритмов; посылать и получать данные с различных узлов, также как и на центральный устройство и работать определенное время без внешнего источника питания. Поэтому сенсорные узлы включают CPU или DSP с достаточной памятью, низкочастотный передатчик, аналого-цифровой преобразователь (ADC), источник питания, один или несколько датчиков.

Рис. 6. Схематическая диаграмма и прототип узла (Smartmote)

Система мониторинга предназначена работать непрерывно длительный период времени от нескольких месяцев до нескольких лет. В настоящее время плановое обследование состояния конструкций зданий, согласно ВСН 57-88 /2/ рекомендуется выполнять следующим образом: «…..

3.1. Инструментальный контроль технического состояния конструкций и инженерного оборудования необходимо проводить систематически в течение всего срока эксплуатации здания во время плановых и внеочередных осмотров. При осмотрах выявляются неисправности и причины их появления, уточняются объемы работ по текущему ремонту и дается общая оценка технического состояния здания.

3.2. Плановые общие осмотры следует проводить два раза в год - весной и осенью. При общем осмотре обследуются все конструкции здания, инженерное оборудование, отделка и внешнее благоустройство.

При внеочередном осмотре обследуются элементы инженерного оборудования или отдельные конструктивные элементы здания.

Внеочередные осмотры следует проводить при возникновении повреждений или нарушении работы строительных конструкций и ин="top" class="tablebody"> SG-Link-1CH-2400-M (устройство СЃР±РѕСЂР° данных СЃ РѕРґРЅРѕРіРѕ датчика деформации Рё передачи РЅР° частоте 2,4 ГГц) 495,0 3 SG-Link-HBridge (полумостовой датчик деформации) 95,0 4 MD-ANT-2400-OMNI (антена для 2,4 ГГц Рё 5,5 dBi) 19,0 Р