Sistemas de fibra óptica para el seguimiento técnico de estructuras de construcción.

Autores: Egorov F.A., Ph.D. fisica y matematicas ciencias; Pospelov V.I., Ph.D. ciencias técnicas; Bykovsky V.A.; Neugodnikov A.P. Paralelamente al rápido crecimiento de las tecnologías de la construcción, se está expandiendo activamente el sector empresarial representado por empresas especializadas en la automatización de la gestión de edificios. Al mismo tiempo, los principales objetivos que persiguen los sistemas de automatización de edificios son la conservación de recursos, la seguridad y el confort. Obviamente, de los objetivos presentados, la seguridad es la de mayor importancia. Y aquí surge una paradoja en el enfoque mismo de garantizar la seguridad, ya que el sistema primario, el sistema para monitorear el estado estructural, o más precisamente, monitorear el estado de tensión y deformación del edificio, por regla general no está representado en el “Conjunto de caballeros” de sistemas de control. Sistema de monitoreo básico La necesidad de crear sistemas de seguimiento de las estructuras de construcción hoy en día no requiere evidencia ni justificación. Además, en Rusia y en el extranjero existe un proceso activo de desarrollo de diversos sistemas de seguimiento técnico para estructuras de construcción. La pregunta principal que se puede definir como la más importante en esta área es ¿por qué los sistemas de monitoreo existentes no se han convertido en una herramienta que monitorea de manera confiable y efectiva los cambios destructivos en las estructuras? La pregunta no es nada sencilla y la respuesta debe buscarse en un conjunto de razones. Enumeramos los principales aspectos que influyen en el desarrollo de este tipo de sistemas: • técnico — determinación del principios físicos y técnicos en los que se basa el sistema de medición; • tecnológico – desarrollo de métodos y métodos para la producción de componentes, instalación y operación del sistema; • económico – optimización de los parámetros de precio del sistema . Obviamente, la razón principal de la falta de un sistema de monitoreo estándar radica en el hecho de que la mayoría de los sistemas que se están desarrollando se limitan a considerar uno o unos pocos parámetros de control. En este caso, el control de parámetros específicos se basa en sensores de varios tipos. Dado que cualquier sistema de medición tiene necesariamente dos componentes principales: un convertidor de cantidades físicas y una unidad de procesamiento electrónico, la falta de uniformidad en cada una de estas partes aumenta en gran medida la diversidad de los sistemas de monitoreo y, como consecuencia, reduce la posibilidad de crear un sistema estándar. . La información procedente de una gran cantidad de tipos diferentes de sistemas de medición requiere la creación de un sistema de procesamiento complejo. Por otro lado, los especialistas en automatización de sistemas desarrollan tecnologías cada vez más complejas sin preocuparse por optimizar los procedimientos de control físico. Al mismo tiempo, se crean sistemas específicos para diversas tareas, diseños y condiciones de control y medición. Como resultado, aparece una masa de sistemas independientes de diferentes principios operativos; cuando ocurre una nueva tarea, aparece un nuevo sistema, etc. Por lo tanto, es necesario crear un sistema de monitoreo en la versión básica, que debe proporcionar control de los principales parámetros responsables de las causas más comunes de posibles accidentes. Si es necesario, la versión básica debería ser ampliable, tanto en el número de puntos de control como en los tipos de estructuras controladas, así como en la lista de parámetros controlados. Si es necesario, la opción de monitorización básica debería poder complementarse con equipos de control y medición basados ​​en otros principios físicos. El objetivo marcado se puede lograr resolviendo los siguientes problemas (Tabla 1). Formulación sustantiva del problema. Portal web Net (plataforma y sistemas de información de Starwood) Exposición técnica del problema Diversidad construyendo estructuras, tecnologías y proyectos Desarrollo del sistema de monitorización más unificado Diferentes tipos de sensores y sistemas de control y medición existentes, dispares desde el punto de vista de la automatización, procesamiento de señales y diagnóstico del sistema. Definición de un sistema de seguimiento básico (de referencia) basado en un único principio físico, complementado, si fuera necesario, con otro tipo de sistemas de control y medida El predominio de los elementos de hormigón armado en la industria de la construcción moderna Desarrollo de un sistema de monitorización con sensores que pueden instalarse en el interior de un producto de hormigón armado, con alta estabilidad y precisión Posibilidades de modificación rápida del sistema de monitoreo para diversas tareas El sistema de monitoreo debe tener la máxima flexibilidad de la unidad de medición, combinada con la versatilidad de la unidad electrónica. Esto se logra en el caso de utilizar sensores de un solo principio físico Sistema de monitorización basado en sensores de fibra óptica “Monitoring-Center” Tabla 2. Características técnicas sensores de fibra óptica «Centro de Monitoreo».
Parámetro	Sensor de presión del suelo de fibra óptica	Sensor de tensión de fibra óptica
Rango de parámetros medidos	0х10 kgf/cm2	Deformación relativa — 0h2•10-2
Error de medición	2%	1,5%
Umbral de sensibilidad	0,2 kgf/cm2	10 μ
Consumo de energía del medidor de señal	No más de 2 W	No más de 2 W
Temperatura de funcionamiento	-20…+60°C	-30…+60°C
Resistencia a la corrosión	sí	sí
Humedad durante el funcionamiento	0…100%	0…100%
Vida útil	Al menos 10 años	Al menos 10 años
Dimensiones totales de la carcasa del sensor	Diámetro – 180 mm, espesor – 20 mm	60×44×14 mm
Disponibilidad de fuente de alimentación en el primario convertidor	ausente	ausente

Para Para lograr el objetivo de desarrollar un sistema óptimo de monitoreo de la construcción, definido por una lista de tareas, se propone un sistema de instrumentación basado en sensores de fibra óptica. Formulemos los principios básicos de este sistema.
El sensor básico utilizado en el sistema de monitoreo es un sensor de tensión de fibra óptica. El sensor tiene varias opciones de diseño, lo que permite verterlo en una estructura de hormigón armado o montarlo en la superficie de elementos de construcción.
La instalación de sensores en puntos de posibles fuentes de destrucción (cargas pesadas, momentos) se regula en el etapa del proyecto.
El control se puede realizar tanto durante la instalación como durante la operación de la estructura.

La unidad de procesamiento electrónico de señales recibe información constante sobre el estado de la estructura en el interior y el exterior. puntos de control.
La comparación continua de esta información con los datos de diseño nos permite sacar conclusiones sobre la “salud” de la estructura.
En este caso, el análisis se lleva a cabo comparando los resultados del modelado numérico del estado de la estructura con los datos realmente medidos, que se incluyen en el cálculo. El resultado obtenido permite comprender cómo se deformó el edificio en su conjunto. Es importante tener en cuenta que la información se obtiene únicamente de las deformaciones locales y se pueden sacar conclusiones de los cambios en el edificio en su conjunto.

Además, el sistema contiene un sensor de temperatura de fibra óptica, de tamaño miniatura. cuyo elemento sensible permite su montaje en los lugares más inaccesibles, incluido, nuevamente, el interior de estructuras de hormigón armado.
Para objetos críticos o en los casos en los que se requiere un control adicional, se aumenta el número de sensores, el sistema se complementa con otros sensores (tanto de fibra óptica como tradicionales).

La unidad de procesamiento y transmisión de señales electrónicas utilizada en el sistema tiene una estructura unificada. La transmisión de señal se puede realizar tanto a través de canales de comunicación de fibra óptica como a través de redes eléctricas existentes (lo que no requiere trabajos adicionales en el equipamiento de los canales de comunicación), así como en formato inalámbrico.

Un sistema de vigilancia basado en sensores de fibra óptica tiene la importante propiedad de la claridad del principio físico, lo cual es extremadamente importante desde el punto de vista de una implementación a gran escala. Además, los sensores de fibra óptica son un ejemplo de los sensores más seguros que garantizan la seguridad contra explosiones e incendios, ya que no contienen circuitos ni señales eléctricas. Además, los sensores de fibra óptica no se ven afectados por los campos electromagnéticos y no los inducen.
Sistemas de monitoreo de construcción de fibra óptica, que tienen una alta precisión y «sin pretensiones» en términos de estabilidad, durabilidad y modo de funcionamiento en condiciones de funcionamiento difíciles. (por ejemplo, la posibilidad de empotrar en estructuras de hormigón armado), en muchos casos no tienen competencia como herramienta para controlar el nivel de seguridad.

Dichos sistemas protegen las casas y estructuras de posibles eventos de emergencia, sin hacer distinción entre las causas naturales o provocadas por el hombre de su origen. La consola del operador recibe una señal de que se han excedido los límites especificados de deformación controlada o temperatura, y luego los expertos analizan la información recibida sobre la «salud» del edificio, predicen el desarrollo de la situación y hacen recomendaciones para desarrollar la mejor solución. Un evento de emergencia registrado al comienzo del desarrollo es la seguridad real que crea un sistema de monitoreo de construcción de fibra óptica.

Implementación de un sistema de monitoreo de fibra óptica en una instalación de gran altura

Actualmente, el sistema de vigilancia descrito anteriormente, basado en sensores de fibra óptica, se está instalando en un complejo multifuncional en construcción en Moscú. El cliente del sistema de monitorización fue MonArch Concern para un complejo empresarial deportivo y recreativo multifuncional, que incluía un edificio de oficinas, un hotel y un centro comercial. La instalación del sistema de monitorización la realiza el “Centro de Monitoreo”. El sistema de monitorización es un desarrollo propio de Monitoring-Center y los sensores están certificados y producidos en masa. La orientación científica está a cargo del jefe del Departamento de Mecánica de Suelos, Cimientos y Cimentaciones de MGSU, Profesor Z.G. Ter-Martirosyan.

Como objeto de control, los diseñadores identificaron el bloque más complejo del complejo multifuncional: un bloque de oficinas, cuya altura de la parte sobre el suelo es de 33 pisos, y la parte subterránea incluye 3 pisos. Como resultado de un análisis exhaustivo de los parámetros geotécnicos del suelo en combinación con una solución de diseño compleja, se determinó instalar 125 sensores en el bloque de oficinas de acuerdo con el siguiente esquema:
• 24 sensores de presión del suelo a lo largo del base de la cimentación (sensores tipo “M”)
• 21 sensores para la deformación del refuerzo en la cimentación (sensores tipo F)
• 80 sensores de deformación en elementos verticales (sensores tipo “B”), compuestos por:
• en 10 pilones, 2 sensores cada uno en el tercer piso “menos”;
• en 10 pilones con 2 sensores cada uno en el primer piso “menos”;
• en 10 pilones con 2 sensores cada uno en el 3er piso;
• en 10 pilones con 2 sensores cada uno en el piso 18.

Los sensores de presión del suelo de fibra óptica están colocados de tal manera que se pueden resolver 2 tareas de monitorización:
• control local de la presión en un punto determinado;
• control global de la distribución de presión sobre la losa de cimentación.

Los sensores de tensión de fibra óptica instalados en la losa de cimentación, además, según la decisión del supervisor científico del monitoreo, deben resolver 2 problemas: local y global. Como herramienta de monitoreo local, el medidor de tensión registra el grado de alargamiento o compresión del refuerzo, que, después de normalizarse con la base del sensor, puede convertirse en tensiones utilizando la ley de Hooke y compararse con los valores calculados.

Basándonos en los datos obtenidos como resultado de las sesiones periódicas de registro, podemos dar una evaluación general de la situación como satisfactoria. En general, las barras de refuerzo funcionan en el modo «prescrito» por los cálculos; el análisis de los datos individuales para cada sensor proporciona una buena correlación con los estándares.

La distribución de la presión a lo largo de la base de la base proporciona información interesante sobre cómo se carga la losa.
Estos datos requieren un análisis detallado. Pero ya existe cierta correlación con los datos de los sensores de tensión. En primer lugar, no se puede excluir la influencia de un muro en el suelo, que ciertamente ejerce presión sobre la estructura del edificio que se está construyendo, y el resultante, colocado en dirección vertical y normal, puede generar fuerzas adicionales tanto en en términos de deformación de la losa y en términos de presión sobre el terreno.

Hoy en el laboratorio de investigación del Centro de Monitoreo se están completando los trabajos de desarrollo para la creación de un sensor de fibra óptica para detectar cargas de viento en fachadas. Una vez finalizado este trabajo, tras finalizar la documentación de diseño y realizar las correspondientes actividades de patente y certificación, los autores creen ofrecer al sector de la construcción una línea completa de sistemas de medición de fibra óptica. Sobre la base de esta línea de sistemas de medición, será posible crear el sistema de monitoreo más completo y efectivo para los principales parámetros técnicos de edificios de gran altura y multifuncionales.