Со сензори до здрави конструкции

Интересирањето во областа на следењето на конструкцијата расте со многу брзо темпо во последно време, поради големиот развој во производството на иновативни сензори, лесното поставување на мрежите на сензорите и аквизиционите системи, како и пратечкиот развој на сметачките капацитети, кој стана лесно достапен со помош на персоналните компјутери.

Во Македонија е неопходно следење на „здравјето“ на конструкциите со примена на современи системи кои се користат во развиените држави. Таквите алатки, односно системи за следење на здравјето на конструкциите (Structural Healt Monitoring) им помагаат на инженерите да ја подобрат безбедноста и одржувањето на критичните објекти, беше истакнато на првиот семинар по Structural Health Monitoring (SHM) кој се одржа во просториите на Градежниот факултет во организација на National Instruments и Digiexx.

          

 

Нивното воведување овозможува дури и од сопствената канцеларија секојдневно и во секој момент да се добиваат сите податоци кои се важни за конструкцијата. Градежниците апелираат што поскоро овие системи да најдат место во нашето реално градежно конструкторство, за да може навреме да се реагира при одредени состојби и тие да се поправат со што ќе се спречат поголеми штети, а во одредени случаи и хаварии. Објектите поради несоодветно следење на нивната состојба во текот на изградбата доаѓаат во критична фаза. 

 

Тоа предизвикува големи оштетувања кои можат да доведат до губење или редукција на нивната носива способност. Кај нас има законски одредби кои налагаат следење на состојбата на конструкцијата, но, тоа за жал ретко се прави во пракса, а за некои конструкции следењето на состојбата е навистина проблематично. Следењето на здравјето на конструкциите се појавува како алатка која им помага на инженерите да ја подобрат безбедноста и одржувањето на критичните објекти.

 

Structural Health Monitoring системите се дизајнирани сигурно да го следат и тестираат здравјето и перформансите на различни типови објекти како што се: мостови и брани, згради и стадиони, пловни објекти и платформи, турбини на ветер итн. На семинарот беше објаснето како да се изгради систем за регистрирање на податоци за само неколку минути користејќи LabVIEW и USB/WiFi/ENET DAQ уреди на начин кој одговара на потребите, како да се користи CompactRIO programmable automation controller (PAC) за брзо градење на дистрибуирани вградени системи за прибирање на податоци, способни да вршат интелигентна анализа и управување со системи, и беа презентирани техники за складирање на податоци кои овозможуваат лоцирање на потребните податоци користејќи NI DIAdem.

 

Исто така беа покажани и примери за следење на конструкции како што е Националната арена „Филип Втори Македонски“ во Скопје, беа објаснети техничките решенија базирани на софтверски и хардверски платформи на National Instruments; презентирани референци и искуства и демонстрани во живо инсталации. Еден од примерите за мониторинг на конструкциите претставува станбената зграда BK-2 во населбата Борик во Бањалука, Република Српска. Таа претставува редок пример на градежна конструкција на која од нејзината изградба во 1972 година до денес, во повеќе наврати се вршени динамички мерења со цел дефинирање, следење и контрола на нејзините динамички карактеристики во текот на времето.

 

Порта3 презентира дел од истражувањето на оваа конструкција кое го направија авторите проф. д-р Миодраг Маниќ, дипл.град.инж., Илија Маниќ, дипл.елект.инж. и тимот од DIGITEXX составен од Сашо Атанасовски, Тихо Михајловиќ и Виктор Пренковски. Овој нивни труд насловен како „Oдредување на основните фреквенции на вибрацијата на 13-катна станбена зграда BK-2 во населбата Борик во Бањалука по пат на мерење на амбиент вибрации“, беше објавен и во списанието „Простор“.

 

Мерна опрема

 

Интересирањето во областа на следењето на конструкцијата расте со многу брзо темпо во последно време, заради големиот развој во производството на иновативни сензори, лесното поставување на мрежите на сензорите и аквизиционите системи, како и пратечкиот развој на сметачките капацитети, кој стана лесно достапен со помош на персоналните компјутери. Исто така, софистицираните програми за обработка на дигиталните сигнали за анализа на вибрационите карактеристики на дисперзираните градежни инфраструктури во спрега со пристапите на контролата во реалното време, дозволуваат континуирано следење и оценка на својствата на инструментираната конструкција.

 

Како пример може да се наведе описот на DIGITEXX мерната опрема предложена за перманентно следење на состојбата на конструкцијата на зградата BK-2 во реалното време, како и мобилната теренска мерна опрема за мерење на однесувањето на конструкцијата во реалното време, а која би била користена во мерењата на амбиент вибрациите и пресметките на основните фреквенции на вибрацијата на зградата BK-2. 

 

Систем за перманентно следење во реално време

 

DIGITEXX мониторинг системот се базира на многу ефикасен, повеќекратен, функционално дизајниран софтвер, кој овозможува собирање на податоци од голем број сензори, нивно контролирање и кондиционирање, како и пренос во реалното време преку интернет до поголем број локации. Во случај на земјотрес и во моментот кога претходно наместеното ниво на забрзување ќе ги надмине границите на еден или повеќе сензори, доаѓа до вклучување на снимениот дел на системот и почнува снимање на податоците (вклучувајќи го и делот на "pre-event" меморија), моментна анализа на податоците, алармирање на корисниците на системот по пат на е-mail и SMS пораки, како и пренос на снимените податоци на сигурен FTP сервер.

 

Нивото на забрзување може да се регулира на самото место, во зависност од бројот на сензори и карактеристиките на зградата. RTMS-2001 повеќеканален систем со високи перформанси, кој врши собирање и анализа на податоци во реално време, има мануелно или автовклучување (на низата канали кои корисникот може сам да си ги одбере). Влезовите за акцелерометри имаат 120DB динамичен опфат, а системот е способен да поддржи различни брзини на семплирање (број на податоци во секунда) по желба на корисникот.

 

Флексибилноста на системот се потврдува и со тоа што е возможно да се интегрираат дополнителните сензори, другите производители, и така да се добие уште попотполна слика за состојбата на конструкцијата. RTMS-2001 исто така нуди опширен број на софтверски алатки за далечинска анализа и манипулација на податоци во реалното време по пат на радиосигнали, телефонска врска или интернет и овозможува собирање и анализа на податоци за: контрола на одговорите на конструкцијата што вклучува дејство на земјотрес, динамички ефекти на ветерот, температурни влијанија и експлозии; контрола на елементите на конструкцијата што вклучува напрегања, релативни изместувања, акцелерација, температура итн.

 

Стандардните карактеристики на системот вклучуваат: 24-битна конверзија на сигналот и филтрирање на сигналот, дистрибуирана сервер/клиент архитектура, подсистем за управување со податоци, можност за надградба на веќе постоечките мрежи на сензори, а притоа да не се наруши основното дејство на мрежата, пресметка во реалното време на хистерезисни криви на катни поместувања, коефициенти на катни поместувања, спектри на одговори и трансфер функции, како и FFT спектри, далечинско снимање и програмирање на регистрираните податоци за статистичка анализа на однесувањето на системот во тек со времето, алармирање по пат на e-mail или SMS порака во случај на земјотрес.  

 

 

Мобилен систем за аквизиција на податоците во реалното време PDA Q-8

 

Овој комплетно пренослив систем ги нуди сите компоненти и сила потребни за теренско/далечинско собирање на податоци и нивната анализа со 16 регистрирачки канали, 24-битна резолуција, приспособлив регулатор на засилување и можност на мануелно активирање или активирање со надворешна побуда на сите канали. Капацитетот на снимањето е 500 примероци во секунда по канал или, стандардно, 200 примероци во секунда по канал во континуиран режим. Еднакво е импресивен и софтверскиот пакет за филтрирање на сигналите, кој го придружува овој систем нудејќи различни видови на филтри и нивни комбинации, кои се исклучително корисни во мерењето на теренот. PDA Q-8 е лесен (око 15Lbs =7,0 kg), може да се земе во авион како рачен багаж и користи разновиден извор на енергија (внатрешни батерии, надворешни батерии или AC напојување), па е широко прифатен како рачен мерен уред. Она што е најважно е дека податоците можат да се видат во тек на нивното регистрирање и анализирање во реалното време. Со овој инструмент е извршено мерење на амбиент вибрациите на зградата BK-2.

 

Опис на конструкцијата

 

Конструкцијата на станбената зграда BK-2 е изведена како претходно напрегната армирано- бетонска конструкција. Објектот во основа е квадратен, со димензии 17,84×17,84м. Има подрум со височина 2,47 метри, приземје и 12 ката со височина од 2,80 метри, а на покривот – конструкција со височина од 3,40 м во која се сместени лифтовските окна и скалите. Објектот има лентовидни темели, поврзани со темелни греди во два ортогонални правци. Котата на фундирањето на темелите е на 4,24 м, мерено од котата на теренот. Носечката конструкција на објектот се состои од монтажни столбови, префабрикувани плочи и монолитни ѕидови на смолкнување. Овие ѕидови имаат константна дебелина од 15 см и се протегаат од подрумот до терасата на објектот и монтажно се продолжуваат на секои три ката. МКК се формира од монтажни касетирани таванки со висина од 22см.

 

Големината на монтажните МКК е еднаква на површината помеѓу четири столба. Риглите се формираат помеѓу две соседни таванки и низ нив поминуваат кабли за хоризонтално преднапрегање на целата меѓукатна конструкција.

 

Локацијата за мерењето на амбиент вибрациите

 

 

Мерењето на амбиент вибрациите се вршени на 13 ката и покривот -терасата на зградата во два хоризонтални (N-S и Е-W) со три едноаксијални акцелерометри D110. Контролираното мерење и снимање на податоците е вршено со помош на пренослив сервер за аквизиција на податоци PDAQ-8. На обете локации се извршени по две мерења во траење од 100 секунди. За да се демонстрира променливоста на условите на мерењето на покривот, каде е сместена лифтовската куќичка со лифтовски погон, и катот по покривот (13 кат) сликовито се презентирани вредностите на амбиент варијациите.

 

Обработка, анализа и резултати на мерењето на податоците на амбиент варијациите

 

Обработката на податоците од сите четири независни мерења (две на покривот и две на 13 кат) е вршена на цели регистрирани временски истории од 103 секунди, како и нивни сегменти во траење од 10 секунди, со цел да се утврди стабилноста на појавата на амплитудните пикови во Фуриеовите спектри, кои ни служат за одредување на сопствените фреквенции на вибрацијата на конструкцијата на зградата. За отстранување на несаканите нискофреквентни компоненти (f < 0.1 Hz) и високофреквентни компоненти (f > 25.0 Hz) при обработката на податоците се применувани високопропустливи, нископропустливи и појаснопропустливи Батервортови филтри.

 

Обработените (коригирани) временски истории на акцелерациите, брзините и поместувањата на N-S компонентата, регистрирани во текот на второто мерење на покривот на зградата се прикажани на слика 3.6 (цела временска историја) и 3.7 (само првите 10 секунди од временската историја). Од оваа последна слика можеме да видиме дека во врменските истории на акцелерацијата и брзината доминираат три бранови компоненти, додека во временската историја на поместувањата главно доминира бранова компонента со период околу 0,8 секунди (f = 1.25 Hz).

 

Како и во сите други сегменти на N-S компонентата доминираат овие три компоненти. Би можеле да ги доведеме во врска со првите три транслациони тони на вибрацијата на зградата во N-S правец, чии фреквенции ќе можеме точно да ги идентификуваме од Фуриевите спектри. До сличен заклучок можеме да дојдеме и при прегледот на првото мерење на покривот, како и првото и второто мерење на 13 кат. Применувајќи иста анализа и начин на прикажување на временските истории на амбиент вибрациите, регистрирани од сите четири мерења во E-W правец, доаѓаме до заклучокот за доминантното учество на трите бранови компоненти во регистрираните движења на 13 кат и покривот- тераса на зградата што е анализирана. Ако извршиме споредба на одговарачките спектри добиени за N-S и E-W компоненти од целите временски истории и првите 10 секунди од временските истории, можеме да заклучиме дека доминантните амплитудски пикови во Фуриевите спектри се случуваат на приближно исти фреквенции, при што вредностите на фреквенциите што одговараат на првиот, вториот и третиот тон на вибрациите на конструкциите во N-S правец се помали од оние фреквенции кои одговараат на првиот, вториот и третиот тон во E-W правец. Имајќи предвид дека се работи за објект со квадратни димензии во основа, добиените поголеми фреквенции во E-W правец нè наведуваат на заклучок дека во тој правец крутоста на објектот е нешто поголема од онаа во N-S правец.

 

Заклучок

 

Споредувајќи ги меѓусебните вредности на фреквенциите за одговарачките тонови и компонентите од три мерења со методот амбиент вибрации, гледаме дека вредностите добиени во првите (AV1982) и третиот (AV2009), мерењата се исти или незначително се разликуваат, додека вредностите добиени во вторите мерења (AV1983), значително се помали и се резултат на лоши мерења. Тргнувајќи од претпоставките дека вредностите на фреквенциите определени во второто мерење со принудни вибрации (PV1972_OKT) се точни, се поставува прашањето што е причината во мерењето на амбиент вибрациите (AV1982) и (AV2009) да се добијат помали вредности на фреквенциите од 3% до 6% за првите тонови на вибрациите во N-S и E-W правците.

 

Одговорот на ова прашање е следен: масата на објектите на финалната конструкција во октомври 1972 година била помала од масата на експлоатационата конструкција (од 1973 г. до денес) за околу 1.25 пати, а бидејќи фреквенциите на вибрациите на конструкциите се обратно пропорционални на квадратниот корен на масата на конструкцијата, зголемувањето на масата на конструкцијата доведува до намалување на вредноста на нејзините фреквенции на вибрацијата. Но, различноста на модалните маси предизвикува различен процент на намалување на фреквенциите за поединечни тонови и правци на вибрација на конструкциите. Од анализата може да се заклучи дека основните вибрации на конструкцијата на објектот не се промениле во текот на неговата 40 годишна експлоатација, т.е. дека дејството на земјотресот во периодот од 1974-2009 година не довело до промена на крутоста на конструкцијата, а со тоа и на вкупната стабилност на станбената зграда БК-2 во Бањалука подготви: Наталија НОВАКОВИЌ- ДОБРЕВСКА