МОНИТОРИНГ ДЕФОРМАЦИЙ И ТРЕЩИН В КОНСТРУКЦИЯХ ЗДАНИЙ

  Долговечность железобетонных конструкций городских инженерных сооружений напрямую зависит от силовых воздействий и влияния среды во время эксплуатации. Отличительной особенностью силового сопротивления железобетона является его анизотропия и необратимость, а также режимно-наследственная специфика нелинейного неравновесного деформирования. Наметившаяся в настоящее время доминантная составляющая направлена на увеличение объемов реконструкции и реновации инженерных сооружений городской инфраструктуры. В их число входят: транспортные и пешеходные развязки надземного и подземного заложения; подпорные стены каналов, набережных; сооружения для сохранения стабильности рельефа; многочисленный спектр инженерных сооружений. Очевидно, что стабильное и безаварийное развитие городских агломераций невозможно без налаженной системы по мониторингу за существующей и вновь возводимой инженерной инфраструктурой города. Одним из составляющих системы мониторинга может служить анализ деформаций и трещин конструкций и сооружений.
  Современный мониторинг деформаций может проводиться с использованием оптоволоконной системы. Принцип работы этой системы заключается в следующем: световой луч проникает через оптоволокно, имеющее резкий перегиб. Часть светового луча теряется, проходя через стенку волокна, в то время как другая его часть отражается обратно в сторону источника света. Этот перегиб получается переплетением трех волокон специальным способом, чтобы образовать кабель. Перегибы вдоль кабеля, называемые «области микроизгибов», натягиваются, так как волокна напряжены в результате отражения большего количества света.
  В любой момент времени можно определить отклонение оптоволоконного датчика от первоначального положения по разнице интенсивности излученного и отраженного пучка света.
  Точность датчиков, измеряющих перемещения в конструктивных элементах, составляет +/– 0,02 мм для датчиков длиной от 2 до 5см. По истечении 6–8 месяцев точность системы уменьшается до +/–0,1 мм, считая от первоначального значения. Погрешность оптоволоконных датчиков при измерении деформации составляет 3%. Конструкция системы позволяет регулировать чувствительность и область исследуемых деформаций. Рассмотренная система дает возможность наблюдать за поведением как одиночных трещин, так и ряда трещин в пределах исследуемой зоны. Определение местоположения трещин происходит двухступенчато. Сначала по методу затухания света сенсор устанавливает полное изменение длины датчика с одного конца до другого, и будет работать как предупреждающие системы, сигнализируя, что что-то произошло с исследуемым элементом. Когда будет установлен факт, что имело место какое-либо перемещение, датчик опрашивается временным оптическим отражателем. Он представляет собой прибор, устанавливающий распределение деформации внутри сенсора, что позволяет область максимальных деформаций внутри сенсора определить внутри промежуточных узловых точек, к которым сенсор прикреплен на конструкции.
  Выходные данные получаются как непосредственно на инженерном сооружении, так и с удаленной точки.
Мониторинг деформаций и трещин также может быть проведен с использованием приборов, выбранных по рекомендациям инспекционных специалистов, выполняющих обследование сооружения или исходя из опыта.
  Среди приборов, наиболее подходящих для этой цели, могут быть использованы механические датчики. В них рычажная или роликовая связь увеличивает значение раскрытия трещин. Увеличенное значение перемещения измеряется чувствительными дисковыми датчиками, оптическим уровнем или другими точными измерительными приборами.

  Механические датчики могут быть закреплены на исследуемой поверхности или быть разборными и производить измерение перемещения между опорами, жестко зафиксированными на поверхности бетона. Деформация между соседними измерениями может быть вычислена как разница показаний датчика или пересчетом по сварной рейке.
  Длины механических датчиков колеблются от 112 до 2000 мм, разрешающая способность увеличивается с длиной датчика. Эти датчики дают высокую точность измерения, но для их установки необходим доступ к измеряемым точкам, и результаты измерений должны обрабатываться индивидуально для каждого прибора.
  Электрические датчики сопротивления представляют собой плоскую проволочную сетку или протравленную медно-никелевую фольгу, которая прикрепляется на тонкий пластиковый лист, приклеиваемый к исследуемой поверхности. Определение деформаций происходит путем измерения изменения электрического сопротивления, вызванного растяжением или сжатием датчика. Вследствие высокой чувствительности к условиям окружающей среды эти датчики не подходят для постоянного мониторинга. Для определения вибрационной составляющей нагрузки используют вибродатчики. Этот тип датчиков представляет собой проволоку, натянутую между двумя точками. Деформации бетона приведут к изменению натяжения проволоки, которое отразится на колебаниях резонансной частоты. Проволока возбуждается электромагнитом, расположенным по середине длины проволоки. Электромагнит также может быть использован для обнаружения и передачи вибрации к прибору частотных измерений. Длины датчиков для данного типа приборов находятся в диапазоне 12–200 мм. В существующей конструкции датчики должны быть жестко закреплены на поверхности. Описанный тип датчиков предназначен для удаленного мониторинга. Датчики могут прикрепляться к краям мостового полотна или другого инженерного сооружения для мониторинга перемещения стыков.
  Влажность бетона и железобетона не может быть определена с использованием инструмента, имеющего только контактный пробник.
  Существуют три метола измерения влажности в конструкциях городских инженерных сооружений, дающие наилучший результат.
• Химический – опирается на те свойства, что определенные химические вещества поглощают влагу из воздуха в просверленном отверстии. Содержание влажности вычисляется в зависимости от изменения цвета шкалы.
• Емкостной – основывается на измерении изменения электрической емкости, вызванного содержанием влаги в воздухе в просверленном отверстии.
• Точка росы – базируется на принципе затуманивания круглого охлажденного зеркала с использованием электронно-регулируемого светового луча.
Все описанные методы требуют предварительной подготовки, заключающейся в просверливании отверстий, которые могут быть заглушены по поверхности для облегчения проведения последующих измерений.
Постоянный мониторинг температуры помогает анализу поведения конструкции при обслуживании. Эффекты, производимые температурными колебаниями в течение года, могут в 10 и более раз превышать напряжения, вызванные реальными (весовыми) нагрузками. Поэтому температура и деформации должны измеряться одновременно.
  Существуют два основных типа приборов для измерения температуры.
• Термопара. В термопарах два материала с различными ЭДС-температурными характеристиками присоединены одним концом к измерительному прибору, регистрирующему температуру. Точка соединения двух различных материалов называется «измерительный спай», а концы, подсоединенные к измерительному прибору, реперной точкой. По мере изменения температуры у измерительного спая электрический сигнал термопары будет изменяться. Это изменение сигнала будет регистрироваться реперной точкой. Если у реперной точки сохраняется постоянная температура, температура измерительного спая может быть определена по тарировочным таблицам. Диапазоны измерения температур с помощью термопар колеблются от -250 до 2000 "С. Недостатком термопар является относительно слабый выходной сигнал.
• Терморезисторы. Сопротивление прохождению тока электропроводников связано с их температурой. Если эти соотношения предсказуемы и стабильны, то можно производить температурные измерения. Эти приборы имеют выход для подсоединения к персональному компьютеру.
  Приборы акустической эмиссии могут быть использованы на бетонных или стальных городских сооружениях с целью мониторинга трещинообразования. В преднапряженных бетонных конструкциях возможно зафиксировать разрушение арматурных пучков.
  При лазерном мониторинге используется допплеровская технология для измерения относительной скорости между двумя крайними положениями на сооружении или конструктивном элементе. Измеряемый блок может быть, например, мостовой колонной. Этот метод доступен для измерения деформаций при дорожном движении или при регулируемой нагрузке.
  Для определения силовых воздействий используются акселерометры. Они осуществляют мониторинг реакции элементов конструкции на неустойчивую нагрузку, такую как нормальное или неординарное дорожное движение. Акселерометр может быть подключен к любой системе постоянного мониторинга.
Анализ остаточных напряжений в стальной арматуре, ударные воздействия на сооружения, работоспособность систем водоотвода также являются весьма важными вопросами.
Системы, измеряющие ударное воздействие на транспортные конструкции сооружений, используют трехосевые акселерометры, связанные с измеряющим блоком и закрепленные на мосту. Выходной сигнал системы может приниматься и контролироваться из помещения. Ложный сигнал, вызванный электро- или радиопомехами, может быть отбракован.
  Для мониторинга работоспособности систем водоотвода следует применять комбинированный датчик атмосферной влажности/температуры, установленный в таких зонах сооружения, в которых при нормальном состоянии гидроизоляции и систем водоотвода повышенная влажность не должна сохраняться в течение длительного времени.
Основой мониторинга транспортного состояния сооружения может являться комплекс видеокамера – модем, позволяющий фиксировать изображение в режиме реального времени и передавать его на неограниченное расстояние со скоростью до 115 кБод в черно-белом или цветном варианте. Как правило, модем может работать с 4–8 видеокамерами одновременно, что вполне достаточно для наблюдения за одним сооружением среднего класса.
Попытки осуществить тщательный осмотр городского сооружения дистанционно требуют, как правило, перемещающихся камер или большого их количества. Использование такого оборудования приводит к многократному удорожанию системы и рекомендуется лишь в исключительных случаях.
При постоянном мониторинге городского сооружения информация может быть получена тремя путями:
• постоянной передачей к диспетчерскому центру по специальной кабельной или выделенной телефонной линии, а также по городской либо сотовой телефонной сети, с использованием специальных модемов;
• периодическим снятием показаний с установленных датчиков вручную, путем подключения компьютера к заранее скоммутированной измерительной сети;
• периодическим снятием информации со специальных накопительных устройств, установленных на мостовом сооружении совместно с измерительной сетью и осуществляющих периодический опрос датчиков в автоматическом режиме, с накоплением данных в собственной памяти.
  Использование рассматриваемой системы в практике мониторинга и предложения по инструментальному оснащению позволяют прогнозировать процессы ослабления несущей способности инженерных конструкций и давать адекватные конструктивные и инженерные предложения по их усилению.
  Оптимальное решение должно подбираться для каждого отдельного случая с учетом особенностей измерительного оборудования и конкретных задач мониторинга.
  Одной из проблем постоянного мониторинга является значительный объем получаемой информации, который не всегда возможно своевременно обработать. Поэтому особое внимание надо уделять планированию эксперимента, четкой постановке задач с обязательной увязкой всех применяемых методов компьютерной обработки данных.