Co to jest monitorowanie konstrukcji?
Monitorowanie stanu technicznego konstrukcji inżynierskich (ang. structural health monitoring SHM) to w ogólności pozyskiwanie informacji na temat pracy obiektu budowlanego w rzeczywistych warunkach eksploatacji. Zastosowanie systemów SHM miało swój początek w przemyśle lotniczym i kosmicznym, a w inżynierii lądowej jest to pomysł stosunkowo młody: na świecie rozwijany od kilkudziesięciu, a w Polsce dopiero od kilkunastu lat.
Analiza informacji uzyskanych w warunkach in situ w odniesieniu do założeń teoretycznych pomaga w zrozumieniu pracy konstrukcji i niesie ze sobą wiele zalet, a przede wszystkim wzrost bezpieczeństwa, możliwość optymalizacji (redukcji kosztów), weryfikacji modelu teoretycznego oraz procedur normowych, czy też efektywnego zarządzania obiektem.
Choć współcześnie gromadzenie danych pomiarowych i informowanie o zagrożeniach jest zazwyczaj zautomatyzowane, należy podkreślić, że ostateczna ocena stanu obiektu oraz decyzja o podjęciu działań (bądź ich zaniechaniu), zawsze należy do inżyniera. Stąd, w wielu jednostkach naukowych i inżynierskich na świecie trwają nieustanne prace nad nowymi rozwiązaniami, które dostarczą bardziej kompleksowych, dokładnych i wiarygodnych informacji, umożliwiających lepsze rozpoznanie zjawisk zachodzących w przyrodzie i technice. Bo chociaż wiedza kosztuje, należy pamiętać, że niewiedza kosztuje jeszcze więcej – zwłaszcza w odniesieniu do infrastruktury inżynierskiej.
Proces monitorowania konstrukcji
Dlaczego światłowody?
Współcześnie zdecydowana większość systemów monitorowania tworzona jest przy wykorzystaniu modelu obliczeniowego zbudowanego na podstawie pomiarów czujnikami zainstalowanymi w kilku (kilkudziesięciu) punktach na konstrukcji. Zatem informacja dostarczana przez takie czujniki również jest punktowa. Zupełnie nową jakość w analizie konstrukcji wprowadza światłowodowa technika pomiarowa.
Schemat pomiarów punktowych, quasi-ciągłych oraz ciągłych geometrycznie (DFOS)
Dzięki wykorzystaniu różnych zjawisk optycznych możliwe jest realizowanie pomiarów quasi-ciągłych wzdłuż długości jednego światłowodu (np. siatki Bragga, interferometry Fabry-Perota). Jednak, najbardziej obiecujące są pomiary rozłożone DFOS (ang. distributed optical fibre sensing), w których włókna światłowodowe umożliwiają, dzięki wykorzystaniu zjawiska rozpraszania światła (Rayleigha, Brillouina lub Ramana), wykonywanie pomiarów z rozdzielczością tak małą, że z punktu widzenia inżynierskiej oceny można je uznać za pomiar geometrycznie ciągły. Przykładowo, pomiar rozkładu odkształceń na długości elementu konstrukcyjnego z rozdzielczością przestrzenną rzędu kilku milimetrów umożliwia znacznie pełniejszą ocenę jego pracy oraz uzyskanie informacji o miejscu i czasie (przyczynie) powstania uszkodzenia.
Dane pomiarowe rozpatruje się w tym przypadku dwóch dziedzinach: czasu t oraz odległości l od początku światłowodu. W tradycyjnych pomiarach punktowych analiza zredukowana jest wyłącznie do funkcji czasu. Pomiary geometrycznie ciągłe stwarzają zatem możliwości, dzięki którym możliwe będzie analizowanie pracy konstrukcji w rzeczywistych warunkach eksploatacji na niespotykaną dotychczas skalę, co przyczyni się nie tylko do poprawy bezpieczeństwa obiektów budowlanych, a w szczególności mostowych, ale także do rozwoju wiedzy inżynierskiej.
Ponadto, czujniki światłowodowe zyskują coraz większą popularność w zagadnieniach inżynierii lądowej ze względu na:
- korzyści ekonomiczne (wykorzystanie standardowych światłowodów telekomunikacyjnych do budowy czujników),
- minimalną masę oraz minimalne wymiary przekroju poprzecznego włókna (brak ingerencji w strukturę badanego ośrodka),
- odporność na warunki środowiskowe i zakłócenia powodowane polem elektromagnetycznym,
- bardzo dużą trwałość (światłowody wykonane ze szkła),
- możliwość zminimalizowania okablowania w ramach budowy systemów monitorowania konstrukcji (włókno pomiarowe zazwyczaj można doprowadzić bezpośrednio do miejsca, w którym zlokalizowane jest urządzenie służące do odczytu i rejestracji sygnału pomiarowego).
Budowa standardowego włókna światłowodowego
Inteligentne obiekty mostowe
Współczesne budownictwo mostowe bardzo często charakteryzuje się stosowaniem nietypowych form geometrycznych, zaawansowanych rozwiązań konstrukcyjnych, ale także wprowadzaniem do eksploatacji elementów konstrukcyjnych wykonanych z nowoczesnych materiałów, m.in. kompozytów FRP. Stąd, coraz częściej wyposaża się takie obiekty w urządzenia do stałej kontroli ich pracy poprzez ciągły w czasie pomiar wybranych wielkości fizycznych, np. odkształceń, ugięć, przemieszczeń kątowych, temperatur i wielu innych. Przykładem może być Most Rędziński we Wrocławiu, most przez rz. Wisłę w Puławach, Most Solidarności w Płocku, Most Sucharskiego w Gdańsku i wiele innych.
Należy jednak także zwrócić uwagę na obiekty już istniejące i eksploatowane przez dziesiątki lat. Ich stan techniczny pozostawia często wiele do życzenia, a okresowe przeglądy bardzo często mogą okazać się niewystarczające do zapewnienia ich bezpiecznej eksploatacji. Przykładem może być niedawna katastrofa mostu w Genui (Włochy) z sierpnia 2018 r., w której zginęły 43 osoby.
Dlatego warto poszukiwać coraz lepszych narzędzi do bieżącej kontroli obiektów mostowych, wśród których szczególnie duże nadzieje budzi technika światłowodowa. Umożliwia ona za pomocą pojedynczego światłowodu telekomunikacyjnego efektywnie zastąpić setki tradycyjnych, punktowych czujników odkształceń. Zalety tej techniki zostały już zweryfikowane na kilku obiektach w Polsce: na pierwszym w pełni kompozytowym moście w Nowej Wsi k. Rzeszowa, na kompozytowej kładce dla pieszych w Nowym Sączu, a także na mostach stalowych – „Brama Przemyska” w Przemyślu oraz moście im. Tadeusza Mazowieckiego Rzeszowie.
Zintegrowanie włókien pomiarowych z elementami konstrukcyjnymi już na etapie ich prefabrykacji w istotny sposób przyczyni się do rozwoju budownictwa inteligentnego, zapewniając poprawę bezpieczeństwa infrastruktury oraz możliwość jej optymalizacji.
Przykładowy dźwigar kompozytowy wyposażony w światłowodowe włókna pomiarowe
Więcej informacji można znaleźć tutaj:
- "System monitorowania mostów kompozytowych z wykorzystaniem światłowodowych czujników odkształceń" (Siwowski T., Sieńko. R, Bednarski Ł., Mosty, 5/2017)
- "Światłowodowe pomiary odkształceń elementów mostów kompozytowych na przykładzie wybranych badań" (Siwowski T., Sieńko R., Bednarski Ł., Rajchel M., Howiacki T., Wrocławskie Dni Mostowe 2017)
- "Odkształcenia mostu z kompozytów FRP w świetle różnych metod pomiarowych" (Kaleta D., Rajchel M., Siwowski T., Sieńko R., Archiwum Instytutu Inżynierii Lądowej, 24/2017)
- "Pomiary deformacji mostu podwieszonego z wykorzystaniem światłowodowych czujników geometrycznie ciągłych DFOS" (Sieńko R., Bednarski Ł., Howiacki T., Koryciński J., Wrocławskie Dni Mostowe 2018)
- "Smart monitoring of the FRP composite bridge with distributed fibre optic sensors" (Siwowski T., Rajchel M., Sieńko R., Bednarski Ł., CICE 2018)
- "Strain and crack analysis within concrete members using distributed fibre optic sensors" (Sieńko R., Zych M., Bednarski Ł., Howiacki T., Structural Health Monitoring, 2018)