с 01.01.2019 по настоящее время
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова (Общеинженерные дисциплины, профессор)
с 01.01.1980 по 01.01.2019
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Московский государственный строительный университет (Кафедра «Информационные системы, технология и автоматизация строительства»)
Новочеркасск, Ростовская область, Россия
В статье приводятся анализ методик и приборов, используемых при мониторинге и оценке параметров напряженно-деформированного состояния несущих конструкций зданий и сооружений. Описан прототип и принцип действия преобразователей для измерения линейных перемещений при динамических нагрузках. Приведено описание новой инновационного линейного датчика разработанного на основе «элекро-химического преобразователя». В конце статьи приведены задачи и направления дальнейших исследований.
системы мониторинга инженерных конструкций, магнитный датчик, датчик линейных перемещений, трещины, мосты
Важным вопросом технического состояния строительных конструкций являются дефекты, возникающие в результате агрессивных техногенных и природных воздействий, эксплуатационных нагрузок и климатических явлений [1-8]. Эти негативные факторы приводят к изменению эксплуатационных характеристик конструкций и снижению их эксплуатационных свойств, в том числе несущей способности, а также снижению их остаточного ресурса [9]. В связи с этим точная и своевременная оценка различных дестабилизирующих факторов, безусловно, может способствовать безопасности и снижению экономических рисков. Для этих целей в инженерной практике используются системы мониторинга инженерных конструкций (СМИК) [10-14]. Однако такие системы далеко не всегда используются при строительстве и эксплуатации объектов гражданской инфраструктуры.
В работе [15] обратили внимание, что основным ограничением практики мониторинга мостов является отсутствие подробной информации о поврежденных участках. Существующие методы обследования, по-видимому, не совсем адекватны для точного отражения истинного состояния конструктивных элементов моста [16], а информация о состоянии, полученная в результате проверок, часто не имеет прямого отношения к общему состоянию всей конструкции [17]. Авторы работы [18] сообщают, что исследований по мониторингу и раннему предупреждению рисков при реконструкции существующих мостов мало, а точных методов оценки и прогнозирования состояния строительства все еще нет. Эта ситуация, вероятно, связана с необходимостью сбора относительно большого количества данных при мониторинге конструкций, чтобы правильно судить о техническом состоянии и повреждениях моста.
Несвоевременная работа по выявлению и устранению дефектов гидротехнических сооружений может привести к выходу из строя как конструктивного элемента, так и самого сооружения. Гидротехнические сооружения требуют особого внимания и соответствующего управления, что не всегда возможно при использовании устаревших стратегий мониторинга. [19]
Исходя из вышеизложенного, большинство методов обследования и оценки технического состояния объектов гражданской инфраструктуры до сих пор используют относительно простую инструментальную базу с ограниченными функциональными возможностями [20]. Обладая высокой достоверностью, эти методы контроля могут выполняться только в период планового осмотра, ремонта или реконструкции. Кроме того, процесс мониторинга может быть очень трудоемким и, следовательно, неэффективным при выполнении задач на технически сложных объектах.
Среди ряда аспектов мониторинга состояния конструкций в рамках данной работы авторы акцентируют внимание на измерении линейных перемещений потенциально отрицательного характера: выявление трещин и деформационных швов, изменение геометрического положения конструкций в стыках. Одним из решений существующих проблем могут стать современные разработки в области электромагнетизма. Большое количество исследований посвящено новым усовершенствованным датчикам положения [21], перемещений [22] и контроля трещин [23] на основе магнитных эффектов. Однако использование магнитных датчиков часто связывают со сферой машиностроения и автомобилестроения.
В качестве метода измерения линейных перемещений был выбран магнитный, как наиболее предпочтительный, поскольку он превосходит электрические (LVTD-датчики, потенциометры) и оптические (оптические энкодеры) по всем ключевым показателям: простота, стоимость, надежность. Как и LVDT, магнитные датчики обеспечивают бесконтактное измерение, которое решает проблему трения и требования к износу. Кроме того, высокая линейность и стойкость к вибрациям, создаваемым другими рабочими органами, делают магнитные датчики более предпочтительными [24].
Функциональная схема прототипа линейного датчика (см. рис. 1) предполагает наличие двух отдельных конструктивных элементов: измерительной части с датчиком Холла и электронной платы управления в герметичном корпусе. Измерительная часть формирует выходной сигнал при возникновении в системе входного воздействия и передает его на аналоговый вход электронной платы управления. Далее производится операционная обработка аналогового сигнала, содержащего информацию о линейном перемещении, результатом которой является передача данных по беспроводному каналу связи.
Рис. 1. Функциональная схема прототипа линейного датчика
Следует отметить, что в описываемой измерительной системе предусмотрена техническая возможность использования сразу двух аналоговых датчиков (датчика Холла или другого), что позволяет увеличить количество регистрируемых параметров, а также общую эффективность и надежность работы.
Измерительная часть состоит из двух линейно перемещающихся друг относительно друга рельсов с пазами, на одном из которых установлен датчик Холла, а на другом с воздушным зазором менее 1 мм расположен магнит прямо под датчиком. Соединение выполнено шарнирным, что позволяет рельсам менять свое пространственное положение сразу в двух плоскостях, параллельных поверхности объекта.
Вторым конструктивным элементом датчика является корпус, устанавливаемый в непосредственной близости с необходимым набором разъемов и гермовводов, в котором размещена электронная палат управления, соединенная с датчиком Холла проводным интерфейсом.
Электронная плата управления прототипа линейного датчика представляет собой диэлектрическую печатную плату, включающую в себя ряд электронных компонентов и измерительный блок, соединенные электронной измерительной схемой. Основная функция платы заключается в приеме, обработке и передаче сигнала, формируемого преобразователем (датчиком Холла), с информацией о линейном перемещении исследуемого объекта. Основные электронные компоненты платы:
- ПОУ (программируемый операционный усилитель) со встроенным аналого-цифровым преобразователем сигналов;
- микроконтроллер;
- блок питания: аккумулятор;
- GSM-модуль
- датчик температуры и влажности;
- набор резисторов, конденсаторов, диодов.
Результаты проектирования измерительной части прототипа линейного датчика для его дальнейшего изготовления методом FDM-печати (3D-печать полимером PETG) представлены на рис. 2 и 3.
Рис. 2. Модель МП датчика (нулевое положение)
Рис. 3. Модель МП датчика (крайние положения)
Дальнейшее развитие работы может быть связано с многоосевым измерением перемещений, что возможно благодаря наличию магнитных датчиков, способных решить такую задачу. В данном случае речь идет о реализации конструкции измерительной части датчика с несколькими степенями свободы и разработке развитой математической логики аппаратуры определения пространственного положения.
Также стоит отметить, что обработка, сокращение и хранение данных являются принципиальными проблемами СМИК, в частности наличием большого количества датчиков, установленных на контролируемой конструкции. Доступность процедур, способных уменьшить объем передаваемых данных, является ключевым аспектом надежности и устойчивости систем. Предложенное решение, в котором датчик выполняет еще и функции регистратора данных, объединяет сразу две подсистемы СМИК – собирающую и передающую данные. Это может снизить необходимую мощность системы для анализа данных, затраты на развертывание и повысить надежность и оптимизацию ресурсов, что имеет решающее значение для современных систем мониторинга [25], а также продолжает ранее выполненные работы [26-29].
1. Крахмальный Т.А., Евтушенко С.И. Дефекты и повреждения грунтовых оснований промышленных зданий // Строительство и архитектура (2019). Том 7. Выпуск 3 (24) 2019. - С.45-49. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2019-7-3-45-49
2. Крахмальный Т.А., Евтушенко С.И. Дефекты и повреждения столбчатых фундаментов производственных зданий // Строительство и архитектура (2019). Том 7. Выпуск 4 (25) 2019. - С.36-40. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2019-7-4-36-40
3. Крахмальный Т.А., Евтушенко С.И. Дефекты и повреждения железобетонных колонн производственных зданий // Строительство и архитектура (2020). Том 8. Выпуск 2 (27) 2020. - С.5-10. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2020-8-2-5-10
4. Крахмальный Т.А., Евтушенко С.И. Дефекты и повреждения металлических колонн производственных зданий // Строительство и архитектура (2021). Том 9. Выпуск 2 (31) 2021. - С.11-15. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2021-9-2-11-15
5. Крахмальный Т.А., Евтушенко С.И. Повреждения железобетонных панелей производственных зданий // Строительство и архитектура (2021). Том 9. Выпуск 2 (31) 2021. - С. 66-70. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2021-9-2-66-70
6. Крахмальный Т.А., Евтушенко С.И. Дефекты и повреждения металлических подкрановых балок производственных зданий // Строительство и архитектура (2021). Том 9. Выпуск 3 (32) 2021. - С. 11-15. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2021-9-3-11-15
7. Damage to the Vertical Braces of Industrial Buildings / T A Krahmalny and S I Evtushenko // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 1079 (2021) 052086 doi:https://doi.org/10.1088/1757-899X/1079/5/052086
8. Typical defects and damage to the industrial buildings’ facades / T A Krahmalny and S I Evtushenko // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 775 (2020) 012135, doi:https://doi.org/10.1088/1757-899X/775/1/012135.
9. К вопросу об остаточном ресурсе длительно эксплуатируемых мостов через водопроводящие каналы Евтушенко С.И., Крахмальная М.П., Крахмальный Т.А. Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2014. № 35 (54). С. 166-170.
10. New system of monitoring of a condition of cracks small reinforced concrete bridge constructions Krakhmalny T.A., Evtushenko S.I., Krakhmalnaya M.P. В сборнике: Procedia Engineering. 2016. С. 2369-2374.
11. Информационные технологии при обследовании промышленных зданий Евтушенко С.И., Крахмальный Т.А., Крахмальная М.П., Чутченко И.А. Строительство и архитектура. 2017. Т. 5. № 1 (14). С. 65-71. doi:https://doi.org/10.12737/article_592eb1694d6262.73142749
12. Система мониторинга состояния трещин и стыков зданий и сооружений Евтушенко С.И., Крахмальный Т.А., Крахмальная М.П. Патент на изобретение RU 2448225 C1, 20.04.2012. Заявка № 2010140257/03 от 01.10.2010
13. Совершенствование методов обследования фасадов промышленных зданий /Евтушенко С.И., Крахмальная М.П., Шапка В.Е., Бабец Н.Н. // Строительство и архитектура. 2017. Т. 5. № 2 (15). С. 140-144. doi:https://doi.org/10.12737/article_5950d228c2ae96.86803061
14. Новые системы наблюдения и контроля дефектов и повреждений строительных конструкций / Евтушенко С.И., Крахмальный Т.А., Фирсов В.В., Лепихова В.А., Кучумов М.А. // Строительство и архитектура (2020). Том 8. Выпуск 1 (26) 2020. - С. 11-18. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2020-8-1-11-18
15. McGuire B.M., Atadero R., Clevenger C., Ozbek M. Using Building Information Modeling to Track and Assess the Structural Condition of Bridges / Mountain-Plains Consortium, 2016 - p. 12
16. Zhou, G.-D.; Yi, T.-H. Recent developments on wireless sensor networks technology for bridge health monitoring. Math. Probl. Eng. 2013, p. 2
17. Rafiq M.I. Structural health monitoring for maintenance management of deteriorating structures: Current practice and state of the art / In Proceedings of the 2nd International and 6th National Conference on Earthquake & Structures, Kerman, Iran, 14-15 October 2015 - pp. 1-19
18. Meizhen Fu, Yuxiong Liang, Qingsong Feng. Research on the Application of Multi-Source Data Analysis for Bridge Safety Monitoring in the Reconstruction and Demolition Process / Buildings 2022, 12, 1195. doi:https://doi.org/10.3390/buildings12081195 - p. 2-3
19. Nowak B., Ptak M., Sojka M. Monitoring of the Technical Condition and Optimization of the Functioning of Small Hydraulic Structures in Poland: The Case Study of the O´swiecim Weir / Buildings 2022, 12(10), 1527; doi:https://doi.org/10.3390/buildings12101527
20. Rodriguez G., Casas J.R., Villaba S. Cracking assessment in concrete structures by distributed optical fiber / 2015 Smart Mater. Struct. 24 035005
21. Vega R.C., Cubas G., Sandoval-Chileño M.A., Castañeda Briones L.A. / Position Measurements Using Magnetic Sensors for a Shape Memory Alloy Linear Actuator / Sensors 2022, 22(19), 7460; doi:https://doi.org/10.3390/s22197460
22. Zhang J., Shi Y., Huang Y. A Displacement Sensing Method Based on Permanent Magnet and Magnetic Flux Measurement / Sensors 2022, 22(12), 4326; doi:https://doi.org/10.3390/s22124326
23. Gkantou, M., Muradov, M., Kamaris, G.S., Hashim H., Atherton, W., Kot P. Novel electromagnetic sensors embedded in reinforced concrete beams for crack detection / Sensors (Switzerland) 19(23), 5175.
24. Papoutsidakis M., Drosos C., Chatzopoulos A. Position Sensors - A Brief Guide of Use of the Most Common Types / International Journal of Computer Applications - March 2018 - p. 11.
25. Nong S.-X., Yang D.-H., Yi T.-H. Pareto-Based Bi-Objective Optimization Method of Sensor Placement in Structural Health Monitoring / Buildings 2021, 11(11), 549; doi:https://doi.org/10.3390/buildings11110549
26. Evtushenko S.I., Kuchumov M.A. New Soil Stress Measurement Sensor Based on the Effect of Elastic Charging of Electrodes // Buildings 2022, 12(3), 327; doi:https://doi.org/10.3390/buildings12030327
27. Evtushenko S.I., Lepikhova V.А., Kuchumov М.А., Scibin E.G., Krachmalniy Т.А. Automated monitoring systems for defects and damages of building structures and materials // (2021) IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 1083 012079. doi:https://doi.org/10.1088/1757-899X/1083/1/012079
28. Евтушенко С.И., Адамцевич Л.А., Кучумов М.А., Железнов Е.М. Определение динамических напряжений в строительных объектах железнодорожной инфраструктуры // Строительство и архитектура. - 2022. - Т. 10, Вып. 1 (34). - С. 16-20. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2022-10-1-16-20
29. Евтушенко С.И., Адамцевич Л.А., Кучумов М.А., Железнов Е.М. Автоматизированная система мониторинга динамических параметров напряженно-деформированного состояния // Информационные ресурсы России. - 2022. - № 2 (186). - С. 27-35. doi:https://doi.org/10.52815/0204-3653_2022_02186_27
