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

Областная специализированная детско-юношеская школа  олимпийского резерва (гимнастический комплекс "Буртасы") г.Пенза

Система мониторинга предполагает установку различных датчиков на элементах конструкций зданий и сооружений с целью определения влияния физического (влажность и температура окружающей среды) 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 влияния на конструкции, что в итоге 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.

В большинстве случаев, известных из мировой практики, системы мониторинга наиболее широко используются для контроля поведения длинных мостов. Калифорнийский департамент транспорта (США) использует результаты измерений не только для тестирования проектных решений, но и также при устранении повреждений сразу же после больших землетрясений (Hipley 2001). 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).

Наблюдаемые, в последнее время, разрушения зданий и сооружений на территории РФ вынуждают использовать подобные технологии с целью исключения аварийных ситуаций. Наиболее часто для этой цели применяются проводные и беспроводные системы мониторинга.

Система мониторинга должна обеспечивать передачу данных с контролируемых конструкций без визуального их осмотра. Данные измерений с датчиков могут передаваться к пользователю различным путем, например, по радиочастоте в 850 – 2500Гц или по проводам в цифровом виде. В первом случае используются беспроводные системы мониторинга, а во втором проводные системы мониторинга.

При использовании беспроводной системы мониторинга несколько датчиков объединяются в сеть, подключаясь к сенсорным узлам,которые имеют свой автономный источник питания (2,5 – 6 В) и могут передавать самостоятельно сигналы на небольшие расстояния, как правило не более 100 м. 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, а в случае наступления критической ситуации выдается сообщение в виде сигнала тревоги. Центральное устройство выполняет также калибровку датчиков иобеспечивает перепрограммирование узлов датчиков сохраняя в целомсистему гибкой. Центральное устройство включаеткомпьютер с постоянным источником питания исоответствующими программами. Схематическая диаграмма работы беспроводной системы мониторинга показана на рис. 1.

Рис. 1. Схематическая диаграмма беспроводной системы мониторинга

При использовании проводной системы мониторинга датчики подключаются к модулям, которые преобразовывают аналоговые сигналы с датчиков в цифровой вид и передают далее по проводам на центральный сервер. Применяемая веерная архитектура («втулка-спица») проводной системы мониторинга конструкций включает удаленные датчики, связанные проводами с центральной системой сбора данных (рис. 2) и компьютером.

Рис. 2. Централизованная проводная система мониторинга строительных конструкций

Достоинством беспроводной системы мониторинга является их быстрая установка на конструкции зданий или сооружения, так как не требуется монтаж проводов. Основным недостатком подобных систем мониторинга является необходимость регулярной замены источников питания батарей или аккумуляторов. Как правило, продолжительность работы источника питания не превышаетнескольких дней. В последнее время начали применяться специальные алгоритмы, для снижения электропотребления, но эта проблема пока удовлетворительно еще не решена. Поэтому заменять батареи питания сенсорного узла, находящегося например, на металлической ферме в центре ее пролета достаточно проблематично. Вторым недостатком беспроводных систем является возможность потери части информации при ее передаче по радиочастоте из-за влияния помех в окружающей среде. Дальность передачи информации известных коммерческих систем(Microstrain.Inc., Crosbow Inc.) не превышает 30 – 70 м, что также ограничивает применение данных систем.

В связи с этим более простой и надежной является до сих пор система мониторинга с использованием беспроводной связи. Часто утверждают

(Lynch, 2006), что стоимость проводов существенным образом увеличивает затраты на установку проводной системы мониторинга, и поэтому беспроводная система дешевле. Однако это не совсем так. В табл. 1приведено сравнение двух рассматриваемых систем. Из табл. 1 видно, что основные затраты приходятся на устройства для сбора сигналов с датчиков и передаче их по радиочастоте (сенсорные узлы). Стоимость проводов на расстояние передачи информации в 100 м (подобно беспроводной связи) составляет2,6 %, от общей стоимости проводной системы мониторинга (см. табл. 2). При использовании проводной связи к каждому сенсорному узлу прокладываются всего четыре провода в одном кабеле. Два провода от источника питания и два провода для передачи информации на центральный сервер. Причем, следует иметь в виду, что при последовательном расположении сенсорных узлов (например, на металлической ферме) используются те же 100 м провода.

Табл. 1. Затраты на беспроводную систему мониторинга на один сенсорный узел из 1 измерительного канала, в дол. США

№ п.п. Наименование изделий и компонент Microstrain Inc. ООО «НПП Геотек»
1 Два устройства для сбора сигналов с датчиков и передачи их на частоте 2,4 ГГц, USB станция, программное обеспечение 1995,0 1250,0
2 Устройство сбора данных с одного датчика деформации и передачи на частоте 2,4 ГГц 495,0 150,0
3 Влагопыленепроницаемый корпус 245,0 -
4 Антенна MD-ANT-2400-UNI-14 dBi 75,0 -
5 Источник питания,6V 4,5 4,5

Итого: 2814,5 1404,5

Стоимость изделий компании Микрострейн(Microstrain Inc.) приведена в табл. 1 без стоимости пересылки, выходной и входной таможенной пошлины, что может добавить дополнительно 10-15%. Цены получены из компании

Microstrain Inc.( www.microstrain.com).

Табл. 2. Затраты на проводную систему мониторинга с подключением к ней 8 измерительных каналов

п.п. Наименование изделий и компонент Марка Един.измер. Кол-во Стоим.един., рубл. Общая стоим.рубл.
1 8-канальное устройство сбора аналоговых сигналов с датчиков деформации, температуры, перемещения и передачи их в цифровом виде ЭПА штук 1 31500,00 31500,00
2 Кабель КСПЭВГ2х2х0,2 м.п. 100 9,02 902,00
3 Блок питания ТР-50С штук 1 3450,0 3450,0

Всего



35852,00(1378$)

Из сравнения табл. 1 и табл. 2 видно, что стоимость беспроводной системы, например, компании Микрострейн равна 2814,5 дол. на один измерительный канал, а проводной системы составляет 1378 дол. на 8 измерительных каналов.

В тоже время стоимость проводной системы мониторинга будет больше из-за большей стоимости затрат на монтажные работы. 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, стоимостьпроводной системы мониторинга резко возрастает.

2. Описание объекта

Предлагаемая система мониторинга предназначена дляоценки текущего технического состояния несущих конструкций покрытия из трехшарнирных металлодеревянных арок пролетом 48 м (первая очередь) и 36 м (вторая очередь) и несущих железобетонных колонн под арки.

3. Описание системы мониторинга

3.1 Назначение и функции системы

Система предназначена для оценки текущего состояния несущих конструкций здания в процессе его эксплуатации.

Система обеспечивает выполнение следующих функций:

  1. Периодический контроль напряженно-деформированного состояния металлодеревянных арок и железобетонных колонн под арки покрытия, выдача информации о месте приближения измеренных значений кпроектным значениям прочности и деформации.

  2. При превышенииизмеренных значений напряжений и деформаций проектных значений система выполняет постоянный контроль напряженно-деформированного состояния несущих конструкций; формирует сигналы опасности; выдает информации о месте превышения проектных значений прочности и деформации.

  3. Автоматическая регистрация событий в оперативной памяти системы, выдача отчетов о событиях в соответствии с запросом, а при наступлении событий по п.2 автоматически.

  4. Оповещение о эвакуации людей при недопустимых значениях напряжений и деформаций в элементах металлодеревянных арок и железобетонных колонн под арки покрытия.

3.2 Состав системы мониторинга

Основным компонентом системы мониторинга являются 8 канальные устройства (ГТ 6.03) сбора аналоговых сигналов с датчиков деформации, температуры, перемещения, наклона и передачи их в цифровом виде на компьютер с использованием интерфейса RS-232. Датчики размещаются в наиболее нагруженных элементах конструкций и подключаются к ГТ.

Система в целом работает следующим образом.

Этап 1. Сигналы с датчиков считываются устройством сбора в аналоговом виде, затем преобразовываются в цифровой вид и по кабелю передаются в базу данных компьютера. Управление работой сети датчиков выполняется компьютером с использованием программы GEOTEK-SHM. B компьютере используя градуировочные зависимости цифровые сигналы превращаются в физические величины: напряжения, кПа; усилия, кН; перемещения, мм; угол наклона, град.

Этап 2. Используя программу ANSYSвыполняется статический расчет конструктивной схемы здания, включающая колонны и арки покрытия. Результаты расчетов заносятся в базу данныхкомпьютера.

Этап 3. Измеренные значения напряжений и деформаций (этап 1) сравниваются с расчетными значениями (этап 2). В случае превышения прочности материала тяжей или деформации материала клеедеревянных арок нормативных значений выдается тревожное сообщение.

Места размещения датчиков приведены в табл. 3.

Табл. 3. Типы датчиков и места их размещения

Тип датчика Места размещения Кол-во Примечание
Деформации 1. На 4 тяжах каждой арки 240
Перемещения 1. На нижнем и верхнем поясе арок 180 покрытия РёР· трехшарнирных металлодеревянных арок пролетом 48 Рј (первая очередь) Рё 36 Рј (вторая очередь) Рё несущих железобетонных колонн РїРѕРґ арки.

3. Описание системы мониторинга

3.1 Назначение и функции системы

Система предназначена для оценки текущего состояния несущих конструкций здания в процессе его эксплуатации.

Система обеспечивает выполнение следующих функций:

  1. Периодический контроль напряженно-деформированного состояния металлодеревянных арок и железобетонных колонн под арки покрытия, выдача информации о месте приближения измеренных значений кпроектным значениям прочности и деформации.

  2. При превышенииизмеренных значений напряжений и деформаций проектных значений система выполняет постоянный контроль напряженно-деформированного состояния несущих конструкций; формирует сигналы опасности; выдает информации о месте превышения проектных значений прочности и деформации.

  3. Автоматическая регистрация событий в оперативной памяти системы, выдача отчетов о событиях в соответствии с запросом, а при наступлении событий по п.2 автоматически.

  4. Оповещение о эвакуации людей при недопустимых значениях напряжений и деформаций в элементах металлодеревянных арок и железобетонных колонн под арки покрытия.

3.2 Состав системы мониторинга

Основным компонентом системы мониторинга являются 8 канальные устройства (ГТ 6.03) сбора аналоговых сигналов с датчиков деформации, температуры, перемещения, наклона и передачи их в цифровом виде на компьютер с использованием интерфейса RS-232. Датчики размещаются в наиболее нагруженных элементах конструкций и подключаются к ГТ.

Система в целом работает следующим образом.

Этап 1. Сигналы с датчиков считываются устройством сбора в аналоговом виде, затем преобразовываются в цифровой вид и по кабелю передаются в базу данных компьютера. Управление работой сети датчиков выполняется компьютером с использованием программы GEOTEK-SHM. B компьютере используя градуировочные зависимости цифровые сигналы превращаются в физические величины: напряжения, кПа; усилия, кН; перемещения, мм; угол наклона, град.

Этап 2. Р