Волоконно-оптические системы технического мониторинга строительных сооружений.

Авторы:
Егоров Ф.А., канд. физ.-мат. наук; Поспелов В.И., канд. техн.наук; Быковский В.А.; Неугодников А.П.

Параллельно с бурным ростом строительных технологий активно расширяется сектор бизнеса, представляемый компаниями, которые специализируются на автоматизации управления зданиями. При этом основные цели, которые преследуются системами автоматизации здания, являются ресурсосбережение, безопасность и комфорт. Очевидно, что из представленных целей ранг наивысшей важности имеет безопасность. И здесь возникает парадокс в самом подходе к обеспечению безопасности, поскольку первичная система – система мониторинга конструкционного состояния, точнее говоря – мониторинга напряженно-деформированного состояния здания – как правило, не представлена в ”джентльменском наборе” систем контроля.

Базовая система мониторинга

Необходимость создания систем мониторинга строительных сооружений сегодня не требует доказательств и обоснований. Более того – в России и за рубежом идет активный процесс разработок различных систем технического мониторинга строительных сооружений.
Основной вопрос, который можно определить как наиболее важный в этой сфере – почему существующие системы мониторинга не стали инструментом, надежно и эффективно отслеживающим деструктивные изменения в конструкциях? Вопрос далеко не простой, и ответ на него следует искать в комплексе причин.

Перечислим основные аспекты, влияющие на разработку таких систем:
• технический – определение физико-технических принципов, на которых базируется измерительная система;
• технологический – разработка методов и способов производства комплектующих, монтажа системы и эксплуатации;
• экономический – оптимизация ценовых параметров системы.

Очевидно, что главная причина отсутствия типовой системы мониторинга кроется в том факте, что большинство разрабатываемых систем ограничиваются рассмотрением одного или нескольких параметров контроля. При этом контроль конкретных параметров базируется на датчиках различных типов. Поскольку любая измерительная система обязательно имеет две основные составляющие: преобразователь физической величины и электронный блок обработки – то отсутствие единообразия в каждой из этих частей многократно увеличивает разнотипность систем мониторинга и, как следствие, уменьшает возможность создания типовой системы.

Информация от большого количества разнотипных измерительных систем требует создания сложной системы обработки. С другой стороны, специалисты по автоматизации систем развивают все более сложные технологии, не задаваясь вопросом оптимизации процедур физического контроля. При этом конкретные системы создаются под различные задачи, конструкции и контрольно-измерительные условия. В результате появляется масса независимых систем различного принципа действия, при новой задаче появляется новая система и т.п.

Поэтому необходимо создать систему мониторинга в базовом варианте, который должен обеспечивать контроль основных параметров, отвечающих за наиболее распространенные причины потенциальных аварий. При необходимости базовый вариант должен иметь возможность расширения, как по количеству точек контроля, так и по видам контролируемых конструкций, а также по списку контролируемых параметров.
При необходимости базовый вариант мониторинга должен иметь возможность дополняться контрольно-измерительной аппаратурой на других физических принципах.

Поставленная цель может быть достигнута в результате решения следующих задач (Таблица 1).

Система мониторинга на базе волоконно-оптических датчиков ”Мониторинг-Центр”

Таблица 2. Технические характеристики волоконно-оптических датчиков ”Мониторинг-Центр”.

Для достижения цели разработки оптимальной системы строительного мониторинга, определенной списком задач, предлагается контрольно-измерительная система на базе волоконно-оптических датчиков. Сформулируем основные принципы этой системы.
Базовым датчиком, используемым в системе мониторинга, является волоконно-оптический датчик деформаций. Датчик имеет несколько вариантов исполнения, позволяющих заливать его в железобетонную конструкцию или крепить на поверхности строительных элементов.
Установка датчиков в точках потенциального источника деструкции (большие нагрузки, моменты) регламентируется на стадии проекта.
Контроль может вестись как в течение монтажа, так и во время эксплуатации сооружения.

Электронный блок обработки сигналов получает постоянную информацию о состоянии конструкции во внутренних и внешних точках контроля.
Сопоставление этой информации с проектными данными в постоянном режиме позволяет делать выводы о ”здоровье” конструкции.
При этом анализ производится путем сопоставления результатов численного моделирования состояния сооружения с реально измеренными данными, которые закладываются в расчет. Полученный результат позволяет понять, как деформировалось здание в целом. Важно отметить, что информация получается только по локальным деформациям, а выводы можно сделать по изменению здания в целом.

Дополнительно в системе присутствует волоконно-оптический датчик температуры, миниатюрность чувствительного элемента которого позволяет монтировать его в самых труднодоступных местах, в том числе, опять же внутри железобетонных конструкций.
Для ответственных объектов или в случаях необходимости дополнительного контроля количество датчиков увеличивается, система дополняется иными датчиками (как волоконно-оптическими, так и традиционными).

Используемый в системе электронный блок передачи и обработки сигналов имеет унифицированную структуру. Передача сигналов может осуществляться как по волоконно-оптическим каналам связи, так и по имеющимся электрическим сетям (что не требует дополнительных работ по оборудованию каналов связи), а также и в беспроводном формате.

Система мониторинга, базирующаяся на волоконно-оптических датчиках, имеет немаловажное свойство ясности физического принципа, что чрезвычайно существенно с точки зрения масштабного внедрения. Помимо этого волоконно-оптические датчики являются примером максимально безопасных датчиков, которые гарантируют обеспечение взрывобезопасности и пожаробезопасности, поскольку в них нет электрических цепей и сигналов. Кроме того, волоконно-оптические датчики не подвержены влиянию электромагнитных полей и сами их не индуцируют.
Волоконно-оптические системы строительного мониторинга, обладая высокой точностью и ”неприхотливостью” с точки зрения стабильности, долговечности и режима работы в сложных условиях эксплуатации (например, возможность заделки в железобетонные конструкции), во многих случаях не имеют конкуренции как инструмент контроля уровня безопасности.

Такие системы защищают дома и сооружения от возможных аварийных событий, не делая разницы между техногенными или природными причинами их происхождения. На пульт оператора приходит сигнал превышения заданных границ контролируемой деформации или температуры, а дальше эксперты анализируют полученную информацию о ”здоровье” здания, прогнозируют развитие ситуации и составляют рекомендации по выработке наилучшего решения. Зафиксированное аварийное событие в самом начале развития – это реальная безопасность, которую создает волоконно-оптическая система строительного мониторинга.

Реализация волоконно-оптической системы мониторинга на высотном объекте

В данный момент описанная выше система мониторинга на базе волоконно-оптических датчиков устанавливается на строящемся многофункциональном комплексе в Москве. Заказчиком системы мониторинга выступил Концерн ”МонАрх” для многофункционального делового спортивно-рекреационного комплекса, включающего в себя офисное здание, гостиницу и торговый центр. Установку системы мониторинга производит ”Мониторинг-Центр”. Система мониторинга является собственной разработкой ”Мониторинг-Центр”, при этом датчики сертифицированы и выпускаются серийно. Научное руководство обеспечивает заведующий кафедрой Механики грунтов, оснований и фундаментов МГСУ профессор З.Г. Тер-Мартиросян.

В качестве объекта контроля проектировщиками был определен наиболее сложный блок многофункционального комплекса – офисный блок, высота надземной части которого составляет 33 этажа, а подземная часть включает 3 этажа. В результате тщательного анализа геотехнических параметров грунта в сочетании со сложным конструктивным решением было определено установить на офисном блоке 125 датчиков по следующей схеме:
• 24 датчика давления в грунте по подошве фундамента (датчики типа ”М”)
• 21 датчик деформаций арматуры в фундаменте (датчики типа ”Ф”)
• 80 датчиков деформаций в вертикальных элементах (датчики типа ”В”) в составе:
• в 10-ти пилонах по 2 датчика в каждом на ”минус” 3-м этаже;
• в 10-ти пилонах по 2 датчика в каждом на ”минус” 1-м этаже;
• в 10-ти пилонах по 2 датчика в каждом на 3-м этаже;
• в 10-ти пилонах по 2 датчика в каждом на 18-м этаже.

Волоконно-оптические датчики давления в грунте позиционированы таким образом, чтобы можно было решить 2 задачи мониторинга:
• локальный контроль давления в заданной точке;
• глобальный контроль распределения давления по фундаментной плите.

Волоконно-оптические датчики деформаций, устанавливаемые в фундаментной плите, также, по решению научного руководителя мониторинга, должны решать 2 задачи: локальную и глобальную. Как местный инструмент контроля датчик деформаций регистрирует степень удлинения или сжатия арматуры, что после нормирования на базу датчика, с помощью закона Гука можно пересчитать в напряжения и сравнить полученные величины с расчетными.

Исходя из данных, полученных в результате регулярных сеансов регистраций, можно дать общую оценку ситуации как удовлетворительную. В целом арматурные стержни работают в ”предписанном” расчетами режиме, анализ индивидуальных данных по каждому датчику дает хорошую корреляцию с нормами.

Распределение давления по подошве фундамента представляет интересную информацию о том, как нагружается плита.
Эти данные требуют детального анализа. Но уже сейчас прослеживается некоторая корреляция с данными датчиков деформаций. Прежде всего, нельзя исключать влияние стены в грунте, которая безусловно давит на конструкцию возводимого здания, причем результирующая, будучи разложенной по вертикальному и нормальному направлениям, может порождать дополнительные усилия как в плане деформации плиты, так и в смысле давления на грунт.

Сегодня в исследовательской лаборатории ”Мониторинг-Центр” заканчиваются опытно-конструкторские работы по созданию волоконно-оптического датчика ветровых нагрузок на фасадах. По завершении этих работ, после доработки конструкторской документации и проведения соответствующих патентных и сертификационных мероприятий, авторы полагают предложить строительному сектору законченную линейку волоконно-оптических измерительных систем. На основе такой линейки измерительных систем будет возможно создание наиболее полной и эффективной системы мониторинга основных технических параметров высотных и многофункциональных зданий.