Мониторинг деформационного состояния ответственных и технически сложных объектов

ВВЕДЕНИЕ                      Установка систем мониторинга гарантирует

В результате создания любого крупного объекта на этой территории происходит эволюция природно-технической системы, что связано с необходимостью соответствующего мониторинга (режимных наблюдений) на территории самого объекта и в некоторой его окрестности. Как правило, прежде всего возникает необходимость контролировать стабильность положения основных сооружений объекта и их оснований [1]. Для данных целей традиционно применяется повторная геодезическая съемка на объекте. К сожалению, только одних, как правило, редких геодезических измерений недостаточно для надежного мониторинга, и возникает необходимость комплексировать их с другими непрерывными измерениями [2]. Для контроля линейных деформаций и деформаций сдвига конструкций используются деформометры сжатия-растяжения и наклономеры для контроля углов наклона [3]. В этом случае принципиально возможно предупреждение аварийных ситуаций, которые могут возникнуть при превышении допустимых деформаций для данного сооружения, определяемых при проектировании объекта [4].

За последние десятилетия резко увеличилась вероятность возникновения техногенных аварий и катастроф, связанных с разрушением зданий или инженерных сооружений. В 2008 г. правительством Москвы было вынесено постановление № 375 ПП о том, что системами мониторинга должны быть оборудованы все технически сложные объекты (речные порты, аэропорты, мосты и тоннели, метрополитены, крупные промышленные объекты с численностью занятых более 10 тысяч человек), а также высотные и уникальные объекты, объекты с массовым пребыванием людей [5].

снижение риска утраты несущей конструкцией свойств, определяющих ее надежность, благодаря своевременному обнаружению на ранней стадии негативного изменения состояния (напряженно-деформированного состояния) несущих конструкций. Соответственно предотвращает разрушения и переход сооружения в ограниченно работоспособное, аварийное состояние.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗРАБОТАННОЙ СИСТЕМЫ "СМНК-СТРАЖ"

На основании разработанной в ИФЗ РАН в 90-х годах XX в. под руководством проф. Е.И. Попова технологии изготовления стабильных малогабаритных наклономеров и короткобазисных дефор-мометров из кварцевого стекла за последние десять лет были созданы различные датчики, имеющие применение в гидроэнергетике, горной промышленности и в гражданском строительстве [6, 7]. Применение указанной технологии обеспечивает долговременную стабильность основных параметров первичных датчиков при относительной простоте их изготовления, что является главной целью при разработке аппаратуры для долговременных наблюдений. Создание кооперации с малыми предприятиями позволило организовать изготовление первичных датчиков из кварцевого стекла методом сварки и быстро перейти на современную элементную базу в части электроники, используемой для преобразования малых механических перемещений чувствительного элемента в цифровой электрический сигнал.

Система мониторинга несущих конструкций строительных сооружений "СМНК-СТРАЖ" предназначена для непрерывного или периодиче- ского контроля состояния инженерных конструкций и оснований зданий и сооружений. Внесена в реестр средств измерений № 64409-16. Система представляет собой комплекс оборудования и пакет программного обеспечения, реализующий поддержание рабочих режимов и управляющих воздействий в заданных пределах.

Система обеспечивает предупреждение возникновения и развития аварийных, чрезвычайных ситуаций на контролируемых объектах, а также снижение потерь, размеров ущерба в случае их возникновения. Благодаря возможности удаленного доступа к контролируемым объектам система позволяет своевременно информировать соответствующие дежурно-диспетчерские, оперативно-диспетчерские, аварийно-спасательные, пожарные, надзорные и другие службы, отправляя внеочередной отчет о нарушении работоспособности критически важных для безопасности инженерных систем объектов. На объектах, оборудованных данной системой, в несколько раз сокращаются временн е затраты на реагирование. Обеспечивается гарантированная устойчивость функционирования объектов мониторинга.

Комплекс технических средств, входящих в "СМНК-СТРАЖ", позволяет создавать следующие подсистемы мониторинга, отличающиеся по функциональному назначению.

• •    Подсистема мониторинга напряженно-деформированного состояния.

• •    Подсистема измерений угловых перемещений несущих конструкций строительных сооружений.

• •    Подсистема мониторинга вибрационных воздействий.

ПОДСИСТЕМА МОНИТОРИНГА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ "СМНК-СТРАЖ"

Подсистема обеспечивает контроль напряжений в строительных конструкциях, в частности измерение раскрытия трещин, измерение деформаций металла с помощью накладных или привариваемых датчиков, измерение деформации бетона с помощью накладных и закладных деформо-метров. В качестве измерительного оборудования используются: устройства сбора данных USD-A8, двухосновные тензодатчики ТД120, тензометрические щелемеры ТЩ120, накладные кварцевые де-формометры ДК200, закладные композитные датчики деформаций КД120.

Композитный датчик деформации КД120 (рис. 1) закладывается в тело бетона при бетонировании конструкции и применяется для измерения деформаций как в процессе твердения бетона, так и в течение жизненного цикла конструкции. В отличие от аналогов создает в несколько раз

Рис. 1. Композитный датчик деформации КД120

Рис. 2. Накладные кварцевые деформометры ДК200

меньшие концентрации напряжений. Датчик деформации представляет собой стержень композитной арматуры, оборудованный тензорезистивным делителем напряжения и кабелем. Используется совместно с устройством сбора данных USD-A8-1.

Для измерения микродеформаций используются накладные кварцевые деформометры ДК200 (рис. 2). Деформометры предназначены для режимных наблюдений микродеформаций ответственных сооружений. Имеется двойная гальваническая развязка — по питанию и по интерфейсу.

Технические характеристики кварцевого деформометра

Диапазон измерений перемещений ± 0.2 мм Разрешающая способность         0.1–0.01 мкм

Габаритные размеры           292×120×72 мм

ПОДСИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЙ УГЛОВЫХ

ПЕРЕМЕЩЕНИЙ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ

"СМНК-СТРАЖ"

Подсистема осуществляет непрерывный мониторинг углов наклона при долговременном мони-

Рис. 3. Угломер ИН120

Рис. 4. Акселерометр трехосевой АК002

и форм колебаний строительных сооружений, а также для выполнения комплекса работ по разделению вибраций. Акселерометр трехосевой АК002 соответствует требованиям ГОСТ 53963.12010 [8] в части регистрации вибраций строительных сооружений. Акселерометр имеет коэффициент гармонических искажений менее 1 %. Линейный рабочий диапазон на опорной частоте 16 Гц не менее 80 дБ, предельное значение уровня нечувствительности по входу — 0.05 мм/с.

торинге строительных сооружений, горных выработок, оползневых склонов и др., и состоит из угломеров ИН120 (рис. 3). Чувствительная часть прибора изготовлена из плавленого кварцевого стекла. Интерфейс цифровой RS485. Для подключения используется кабель "витая пара", через который также подается питание. Имеется двойная гальваническая развязка — по питанию и по интерфейсу.

Характеристики ИН120

Измерительный диапазон –10800"…+10800" Разрешение 0.1" Габариты: диаметр, высота 90, 130 мм

ПОДСИСТЕМА МОНИТОРИНГА ВИБРАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Состоит из акселерометра трехосевого АК002 (рис. 4). Подсистема предназначена для регистрации механических колебаний строительных сооружений. Имеет синхронизацию относительно опорной шкалы времени нескольких устройств, подключенных к одному контроллеру, что необходимо для идентификации собственных частот

АВТОНОМНЫЙ ПУНКТ СБОРА ДАННЫХ

В качестве устройств регистрации, управления и передачи данных используются адаптеры ОИС024, ОИС024м, ОИС015, контроллер MS4812.

Контроллер MS4812

Предназначен для автономной регистрации углов наклона, вибраций и деформаций строительных сооружений. Осуществляет подачу питания на измерительные устройства "СМНК-СТРАЖ", их опрос и сохранение результатов на карту памяти микро SD (рис. 5).

Характеристики MS4812

Максимальное время непрерывной работы от аккумулятора 7 А/ч, 12 В более 365 суток Длина кабеля "витая пара"            до 2000 м

Количество опрашиваемых устройств                        от 1 до 32 шт

Емкость карты микро SD       от 4 до 32 Гбайт

Рис. 5. Автономный пункт сбора данных

Устройство сбора данных USD-A8

Позволяет собирать данные с 8 тензометрических датчиков, включенных по схеме полумостов.

Адаптеры ОИС024, ОИС024м

Позволяют подключать измерительные устройства "СМНК-СТРАЖ" к компьютеру через интерфейс USB.

Адаптер ОИС015

Предназначен для гальванической развязки и согласования линии передачи данных, в частности, когда требуется передавать данные на длину более 2000 м.

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ

Общие сведения

Все устройства системы "СМНК-СТРАЖ" рассчитаны на круглосуточную эксплуатацию и прошли многолетние испытания на объектах гидроэнергетики, горнодобывающих предприятиях и других гражданских объектах.

Устройства поставляются с необходимым программным обеспечением (драйверами), разработанным для конкретных измерительных задач, и осуществляют измерительные функции, функции индикации и передачи измерительной информации.

Наклоны напорной грани на отм.16.7м и 23 м, у гл.с

Рис. 6. Загорская ГАЭС-филиал.

Свободные колебания воды (сейши) в ВБ и вызываемые ими наклоны напорной грани водоприемника. Все гидроагрегаты отключены

В случае фиксации системами предельных (критических) отклонений конструкции, выдается внеочередное сообщение (внеплановый отчет), содержащее сведения об отклонениях и необходимые рекомендации для предотвращения опасной ситуации. Сообщение незамедлительно отправляется "Заказчику", а также в другие адреса по его требованию.

Применение наклономерно-деформометрического комплекса

Наклономерно-деформометрический комплекс применялся:

• •    при изучении короткопериодных угловых и линейных деформаций сооружений, вызываемых суточными вариациями нагрузок и колебаниями объема воды в водохранилищах в случае ГАЭС и ГЭС (рис. 6);

• •    при изучении долговременных изменений

прочности горных выработок и железобетонных конструкций сооружений;

• •    при контроле сдвиговых процессов по имеющимся в конструкциях трещинам;

• •    для отслеживания динамики раскрытия трещин и холодных швов;

• •    при комплексном компьютерном моделировании сооружений, используя прецизионные данные о наклонах и деформациях конструкций;

• •    при мониторинге Государственного исторического музея, гостиниц "Москва", "Националь", "Метрополь"; в 2004–2008 гг. в контроле ТРК и подземного паркинга на Манежной площади и площади Революции г. Москвы;

• •    при мониторинге водоприемника Загорской гидроаккумулирующей электростанции;

• •    в горнодобывающей промышленности в службе прогноза и предупреждения горных ударов (СПГУ) на Кировском руднике ОАО "Апатит" Мурманской области.

  

  Рис. 7. Данные по геофизическому полигону Юкспорского крыла ОКР ОАО "Апатит" в июле–ноябре 2010 г.

  
  

Таким образом, оснащение объектов системами "СМНК-СТРАЖ" позволяет предупредить возникновение и развитие аварийных, чрезвычайных ситуаций; своевременно информировать соответствующие дежурно-диспетчерские, оперативнодиспетчерские, аварийно-спасательные, пожарные, надзорные и другие службы; обеспечить гарантированную устойчивость функционирования объектов мониторинга.

Пример предвестника техногенного землетрясения магнитудой 3.5 был зафиксирован наклоно-мерно-деформометрическим комплексом разработанным ИФЗ РАН и смонтированным сотрудниками Горного института Кольского научного центра на руднике "Кировский" объединения "Апатит" в 2010 г. (рис. 7) [9].