CC BY
47
АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА И ОПОВЕЩЕНИЯ О ПРЕДАВАРИЙНОМ СОСТОЯНИИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ
КОНСТРУКЦИЙ
ACOUSTIC SYSTEM OF MONITORING AND WARNING OF PRE-EMERGENCY CONDITION OF REINFORCED CONCRETE CONSTRUCTIONS
А.В.Кухта, С.Я.Новиков, Н.С.Прохорова A.V.Kukhta, S.Ya Novikov, N.S.Prokhorova
ГОУ ВПО МГСУ
Изложены сравнительные характеристики систем измерения на основе электрических тензометров, волоконно-оптических датчиков, акустических методов. Показана возможность применения акустических методов для предупреждения развития чрезвычайных ситуаций связанных механическими нагрузками.
Comparative characteristics of measurement systems based on electric tensiometers, fber-optic sensors and acoustic methods are set forth. Possibility of application of acoustic methods preventing extraordinary situations connected with mechanic loads is shown.
Обеспечение безопасной эксплуатации ответственных зданий и сооружений является одной из главных задач в мировой практике строительства. Технической основой решения этой задачи является внедрение средств физической диагностики непосредственно в строительные конструкции. Классическим примером такого подхода является внедрение струнных тензометров в тело плотины ДНЕПРОГЕСа при её строительстве. Развитие световолоконной техники позволило встраивать такие оптические системы в строительные конструкции в качестве сигнализаторов появления и развития магистральных трещин, например, в фундаментных плитах [1-5].
Ещё большей чувствительностью к структурным изменениям бетона обладают акустические методы. Это объясняется тем, что зондирующее излучение (как правило ультразвукового диапазона) распространяется непосредственно в контролируемой среде и позволяет получать информацию о распределении упругих характеристик бетона, ударной вязкости, внутренних напряжений, гранулометрическом составе и нарушение сплошности. Кроме того, это единственный метод, позволяющий фиксировать момент начала трещинообразования и контролировать развитие магистральных трещин. Внедрению акустических систем мониторинга благоприятствует тот факт, что импульсный ультразвуковой метод контроля прочности бетона регламентирован ГОСТом 17624. Однако сам этот стандартизированный метод не получил массового внедрения на заводах железобетонных изделий из-за своей сложности даже с использованием автоматизированных испытательных стендов.
1/2П11 ВЕСТНИК
_угогт_мгсу
Испытательные стенды были разработаны для контроля таких железобетонных изделий, как плиты перекрытия, стеновые панели, линейные элементы каркаса промышленных зданий, несущие конструкции промышленных зданий и д.р. [6]. Конструктивно испытательные стенды состоят из пульта управления и рамы для установки изделий при контроле, на которой размещены ультразвуковые преобразователи и механизм их прижатия к изделию [7]. Масса стендов 5000-7000 кг, производительность порядка 10 изделий в смену с погрешностью определения прочности 15% [8].
Испытания осуществляются в следующей последовательности. Изделие цеховым краном устанавливается на раму, и оператор с пульта управления при помощи механизма прижатия подводит ультразвуковые преобразователи до их соприкосновения с контролируемым изделием. Оператор поочерёдно подключает преобразователи к измерительному прибору, расположенному на пульте управления, и регистрирует его показания в журнале испытаний. По результатам измерений при помощи ранее построенных градуировочных зависимостей определяется прочность бетона и принимается решение о его качестве.
Созданные стенды (К/1081, К/978, К/1056) сыграли большую роль в деле внедрения неразрушающих акустических методов контроля. В тоже время следует отметить ряд факторов, ограничивающих их применение. Во-первых, стенды имеют большие габариты, металлоёмки и дорогостоящи. Для установки изделий на раму стенда необходимо производить крановые операции. Каждый стенд предназначен для одного или близких типоразмеров изделий. Во-вторых, для обслуживания стендов требуется оператор высокой квалификации. Поочерёдное подключение отдельных пар преобразователей к местам измерений и сам процесс измерений являются весьма трудоёмкими. В-третьих, возникают большие трудности в создании надёжного акустического контакта между плоской поверхностью ультразвукового преобразователя и шероховатой поверхностью бетона. Механическое прижатие преобразователей при помощи гидравлических устройств не может во всех случаях обеспечить плотный контакт, поэтому необходимо вручную регулярно менять контактную смазку на преобразователях.
Все эти факторы привели к тому, что ультразвуковой метод не получил массового внедрения на заводах железобетонных изделий. Но, главное, изменилась технология строительства: монолитные фундаментные плиты, стена в грунте, скользящая опалубка и т.п. привело к тому, что строительная площадка сама представляет собой завод по производству монолитной железобетонной конструкции здания. В связи с этим, для организации акустического контроля непосредственно на стройплощадках были разработаны портативные переносные ультразвуковые приборы УК-10, УК-12, УК-14ПМ, УК-16ПС. Однако эти приборы только условно отнести к приборам неразру-шающего контроля, т.к. для проведения измерений необходимо вырезать из монолитной конструкции стандартные образцы. Другой недостаток этих приборов низкая точность определения прочности: ошибка может достигать 70 % и более. Это связано с тем, что существует сильная зависимость скорости распространения ультразвука в бетоне от технологических факторов: состава, влагосодержания, возраста и д.р. Поэтому приемлемые по точности результаты получаются, как правило, лишь в условиях «стабильной» технологии на ЗЖБИ. Но принципиальным недостатком этих приборов является возможность измерения только единственного параметра - скорости распространения акустических колебаний, а не спектральные характеристики коэффициентов поглощения и рассеяния, несущих информацию о структуре бетона, гранулометрическом составе, о наличие микро- и макротрещин, очагах коррозии. Этот недостаток является следствием того, что в портативных приборах невозможно обеспечить стабиль-
ность спектра вводимых в бетон УЗ колебаний через протектор преобразователя даже с использованием современных иммерсионных сред. Следствием этого является отсутствие методик интерпретации измеренных амплитудно-частотных характеристик применительно к прочности и долговечности бетона в условиях эксплуатации.
Однако все трудности по возбуждению, приёму и анализу спектра УЗ колебаний исключаются, если преобразователи заливаются жидкой бетонной смесью при создании железобетонной конструкции, например, фундаментной плиты. Это обеспечивает стабильный акустический контакт на весь период эксплуатации конструкции или здания. В этом случае достигается присущая акустическому спектральному контролю высокая чувствительность к структурным изменениям, трещинообразованию, точное измерение динамического модуля упругости и прочности бетона.
В связи с этим предлагается создавать встроенные в ответственные железобетонные конструкции постоянно действующие системы многопараметрового акустического контроля, т.е. акустические системы мониторинга.
Акустическая система мониторинга (АСМ) представляет собой совокупность акустических излучателей и приёмников вводимых в будущую строительную конструкцию при заливке её бетоном. Типичная схема размещения акусточувствительных элементов приведена на рис.1. Основой АСМ являются пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП), которые используются в качестве и излучателей и приёмников ультразвука. В качестве чувствительного элемента применяется пьезокерамика (цирконат-титонат свинца), позволяющая придавать ему любую форму. Принцип работы ПЭП основан на использовании прямого и обратного пьезоэффекта [9].
Все пьзоэлектрические материалы при деформировании электрически поляризуются (прямой пьезоэффект или эффект Кюри) и на электродах, нанесённых на поверхность пьезоэлектрика, возникает электрический заряд. Приложение электрического напряжения к электродам вызывает их механическую деформацию (эффект Джоуля или обратный пьезоэффект). При работе ПЭП в режиме обратного пьезоэффекта на его электроды подаётся электрическое напряжение, под действием которого его пластина изменяет свою толщину. Если напряжение знакопеременно, то пластина колеблется в такт этим изменениям, создавая в окружающей среде упругие колебания. При этом ПЭП работает как излучатель. И, наоборот, если пластина воспринимает импульс давления, то на её обкладках вследствие прямого пьезоэффекта появляются заряды, величина которых может быть измерена. В этом случае ПЭП работает как приёмник.
По конструкции ПЭП АСМ разделяются на совмещённые, у которых один пьезо-элемент служит и излучателем и приёмником, и раздельные: один ПЭП только излучает, а другой только принимает прошедшие или рассеянные бетоном ультразвуковые колебания. Частота этих колебаний может автоматически изменяться от единиц килогерц до 100 мегагерц. Управлением режимами работы ПЭП осуществляется микропроцессором АСМ.
В ходе мониторинга бетонной строительной конструкции измеряется распределение по её объёму следующие параметры ультразвуковых колебаний:
- спектральные характеристики коэффициента затухания
- спектральные характеристики коэффициентов рассеяния
- скорость распространения в продольном и поперечном направлениях бетонной конструкции
- энергию сигналов акустической эмиссии.
Такой набор измеряемых характеристик в ходе всего периода эксплуатации строительной конструкции позволяет получать наиболее полную, всестороннюю ин-
1/2П11 ВЕСТНИК
_угогт_мгсу
формацию о её техническом состоянии, прогнозировать долговечность и эксплуатационную надёжность. Особо необходимо отметить, что АСМ, работающая в режиме измерения сигналов акустической эмиссии, является сигнализатором предаварийного состояния бетонной конструкции.
Проведенные в НИиППЛ«ПиК»МГСУ эксперименты показали практическое постоянство акустической эмиссии при механических напряжениях в пескобетонном образце до уровня 0.7-0.8 от напряжений разгружения. При дальнейшем увеличении нагрузки происходит резкий рост сигналов акустической эмиссии. В ходе проведения испытаний также одновременно регистрировались изменения коэффициента затухания акустических колебаний и моменты появления сигналов акустической эмиссии в зависимости от приложенной нагрузки. Эксперимент показал, что регистрация акустической эмиссии за долго до разрушения образца является более чувствительной характеристикой и впервые получена для строительной конструкции благодаря залитым в неё ПЭП.
Литература
1. Рубцов И.В., Крыжановский АЛ., Рубцов О.И. «Геомеханический мониторинг основания и фундаментной плиты высотного здания». Сборник докладов. Высотное строительство, 2006г., КДЦ «Гостиный Двор», Москва.
2. Крыжановский А.Л., Рубцов О.И. «Обеспечение геотехнической безопасности основания фундаментной плиты высотного здания за счет адресной корректировки его напряженного состояния». Сборник докладов тематической научно-практической конференции «Городской строительный комплекс и безопасность жизнеобеспечения граждан», 9-10 ноября 2005г., Москва, МГСУ.
3. Крыжановский А.Л., Рубцов О.И. «Геомеханический мониторинг основания и фундаментной плиты высотного здания». Сборник докладов. Международная конференция «Технологии, машины, оборудование, материалы и нормативное обеспечение для подземного и высотного строительства»; КДЦ «Гостиный двор», Москва.
4. Коломиец Л.Н., Мурашкина Т.И. «Применение волоконно-оптических датчиков в системе мониторинга строительных объектов. Часть 1». Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. Москва, 2008г., №3
5. Коломиец Л.Н., Мурашкина Т.И. «Применение волоконно-оптических датчиков в системе мониторинга строительных объектов. Часть 2». Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. Москва, 2008г., №5
6. Хлутков Д.П. Оптимизация критериев технологии заводского производства железобетона. Л., Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1973. 152 с.
7. Судаков В.В. Контроль качества и надёжность железобетонных конструкций. Л., Стройиздат. Ленигр. отд-ние, 1980. 168 с.
8. Рутковский A.C., Трибис В.В. Опыт контроля прочности бетона железобетонных изделий и конструкций на ЖБК-3 г. Риги МПСМ ЛатвССР.- В кн.: Неразрушающие методы испытаний строительных материалов и конструкций. Рига, 1983, с. 3-8.
9. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Под ред. И.П. Голяминой. М., Сов. Энциклопедия, 1979. 400 с.
The literature
1. Khlutkov D.P. Optimization of prefabricated reinforced concrete technology criterions. Leningrad, Stroyizdat. Leningrad branch, 1973, 152 p.
2. Sudakov V.V. Quality control and reliability of reinforced concrete constructions. Leningrad, Stroyizdat. Leningrad branch, 1980, 168 p.
3. Rutkovsky A.S., Tribis V.V. Experience in durability control of reinforced concrete products and constructions in ZhBK-3, Riga MPSM Latvian SSR. - The book: Nondestructive methods of building materials and constructions tests. Riga, 1983, p. 3-8.
4. Ultrasound. Small encyclopaedia/ Edited by I.P. Golyamina. Moscow, Enciclopediya, 1979. 400 p.
5. Rubtsov I.V., Krizhanovsky A.L., Rubtsov O.I. «Geomechanical monitoring of base and foundation plate of high-rise building». Collected reports. High-rise construction, 2006, Cultural and Entertaining Center «Gostiny Dvor», Moscow.
6. Krizhanovsky A.L., Rubtsov O.I., «Safeguarding of geotechnical security of high-rise building foundation plate base by means of direct correction of its stress» Collected reports from the theme theoretical and practical conference «Municipal building complex and safeguarding of dwellers' security», November 9-10 2005, Moscow, MSUCE.
7. Krizhanovsky A.L., Rubtsov O.I. «Geomechanical monitoring of base and foundation plate of high-rise building». Collected reports. International conference «Technologies, machinery, equipment and standard provision for underground and high-rise construction»; Cultural and Entertaining Center «Gostiny Dvor», Moscow.
8. Kolomiets L.N., Murashkina T.I. «Fiber optic sensors application in structure monitoring system. Part 1». Building materials, equipment, technologies of XXI century. Moscow, 2008, №6(110)
9. Kolomiets L.N., Murashkina T.I. «Fiber optic sensors application in structure monitoring system. Part 2». Building materials, equipment, technologies of XXI century. Moscow, 2008, №6(110)
Ключевые слова: Мониторинг, электрический тензометр, волоконно-оптический датчик, акустический регистратор.
Keywords: monitoring, electric tensiometer, fiber optic sensor, acoustic registrar.
E-mail авторов: [email protected]
Рецензент: Кунин Ю.С. кандидат технических наук профессор, заведующий кафедрой
«Испытания сооружений» МГСУ
