3.СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА КОНСТРУКЦИЙ

Вданной главе рассмотрены два примера организации систем измерения вибрационного воздействия на реально существующие строительные конструкции. Оба этих примера характерны тем, что в формировании текущего напряженно-деформированного состояния конструкций участвуют постоянные источники вибрационного воздействия. Целью создания систем мониторинга в обоих примерах являлась задача оценки уровня вибрационного воздействия на несущие конструкции строительных сооружений.

3.1. Организация системы измерения динамических параметров надшахтного здания скипового ствола на территории горнообогатительного комбината

Объектом является металлическая конструкция надшахтного здания скипового ствола с копром Петриковского горно-обогатительного комплекса, г. Петриков, Беларусь (далее ― Объект). Конструкция представляет собой сборно-сварное высотное металлическое сооружение с максимальной высотной отметкой +64,350 м. Внешний вид конструкции на декабрь 2019 г. представлен на рис. 3.1, а, на август 2020 г. – на рис. 3.1, б.

Рис. 3.1. Внешний вид конструкции Объекта: декабрь 2019 г. (а), август

2020 г. (б)

45

Конструкция Объекта представляет собой сборно-сварную стержневую систему, элементы которой изготовлены из металлопроката различного профиля и марок сталей согласно проектной документации. К несущим элементами конструкции относятся стальные колоны каркаса, объединенные вертикальными и горизонтальными связями в рамную систему, которые, в свою очередь, опираются частично на свайный фундамент и частично на верхнюю часть железобетонной конструкции скипового ствола. Класс сложности здания ― К-2 в соответствии с СТБ 2331 -2015. Уровень ответственности ― нормальный (II) согласно ГОСТ 27751-88 с изменениями №1, №3. Категория здания по взрывопожарной и пожарной опасности ― «Д» согласно ТКП 474-2013. Класс среды по условиям эксплуатации внутри помещений и на открытом воздухе ― ХА2 (умеренно агрессивная) согласно ТКП 45-2.01-111-2008. Расчетная зимняя температура наружного воздуха ― ‒28 °С. Средняя температура холодного периода +11 °С. Нормативная величина ветрового давления ― 25 кГс/м2. Нормативное значение снеговой нагрузки ― 70 кГс/м2.

Рис 3.2. Внешний вид конструкции. Конечно-элементная модель

В соответствии с данными проектной документацией была сформирована конечно-элементная модель конструкции объекта для решения следующих задач:

46

-определение напряженно-деформированного состояния (НДС) в элементах конструкции Объекта от действия проектных квазистатических эксплуатационных нагрузок;

-установление НДС в элементах конструкции Объекта, определяемое на основе данных АСМДП (Автоматизированной системы мониторинга деформационных параметров): об осадках несущих колонн; об осевых деформациях несущих колонн; о инклинометрии; о изменении температур;

-интерпретация результатов виброизмерений акселерометрами системы

АСМДП.

Все основные массо-габаритные и жесткостные характеристики конструкции учены в соответствии с проектной документацией.

В данном примере видно, что оценка несущей способности строительного сооружения производится по результатам анализа совокупности деформационных параметров сооружения, к которым относятся параметры, вызванные квазистатическим и динамическим воздействиями. Достоинством организации измерений такого рода является то, что всегда можно провести корреляционный анализ между воздействиями разного рода и изменением соответствующих параметров. Иными словами, можно помимо анализа динамических параметров и сравнения их с нормативными величинами, которые определены в ГОСТ (и прочей нормативной литературе), можно оценить вклад вибрационного воздействия в формирование текущего НДС сооружения на разных временных интервалах. Это возможно благодаря оценке прочих деформационных параметров сооружения в параллельном режиме. Также благодаря собранной численной модели сооружения производилось решение ряда верификационных задач, направленных на организацию наиболее корректных измерений НДС сооружения под действием различных силовых факторов.

Структура основных элементов АСМДП и их функциональная взаимосвязь представлена рис. 3.3.

Одним из основных элементов АСМДП являются системы первичных датчиков, регистрирующих физические параметры, характеризующие квазистатические и динамические деформационные процессы в металлических элементах конструкции. Полагается, что эти процессы вызваны: воздействием на конструкцию эксплуатационных нагрузок; температурой; взаимодействием несущих колонн с грунтом и с железобетонным оголовком скипового ствола; коррозионной деградацией металла. Эти воздействия имеют характерные времена, определяющие их

изменений. Так, например, технологические процессы могут провоцировать

47

Эти системы первого блока осуществляют регистрацию физикомеханических параметров, характеризующих квазистатические деформационные процессы.

Второй блок включает в себя две системы первичных датчиков:

-система регистрации нестационарных вибрационных процессов в элементах конструкции Объекта в низкочастотном диапазоне от 0,3 до 400 Гц (три трехкомпонентных сейсмоприемника);

-система регистрации нестационарных вибрационных процессов в

элементах конструкции Объекта в высокочастотном диапазоне от 1 до 10000 Гц (шесть однокомпонентных акселерометров).

Эти системы второго блока осуществляют регистрацию параметров, характеризующих динамические волновые и вибрационные деформационные процессы.

Синхронизированные результаты измерений со всей совокупности первичных датчиков поступают по кабельным коммуникационным каналам в систему сбора, хранения и первичной обработки результатов измерений. Блок сбора и хранения результатов измерений представляет собой два персональных компьютера с установленным программным обеспечением для первичной обработки данных, полученных с датчиков. Первичная обработка данных представляет собой получение и анализ фотографий уровня жидкости датчиков гидронивелирования, а также анализ массива данных, поступающих с сейсмоприёмников и акселерометров. Программное обеспечение организует выполнение измерений по заданному алгоритму, обработку и сохранение измеренных данных в локальной базе данных и последующую передачу их на главный сервер. Данный блок представляет собой два металлических шкафа, в которых размещены системные блоки персональных компьютеров, а также источники бесперебойного питания (ИБП) CyberPower VALUE 2200 ELCD. Кроме того, в данных шкафах расположено коммутационное оборудование для организации внутренней подсети со статической IP-адресацией. Далее через модуль передачи данных с помощью маршрутизатора собранная информация поступает через сеть INTERNET на главный сервер для последующей математической обработки данных. Модуль передачи данных на главный сервер представляет собой

LTE роутер Mikrotik SXT LTE kit RBSXTR&R11e-LTE. Возможности приемного модуля устройства позволяют обеспечивать более высокую скорость интернет-подключения, чем скорость, которая достижима с помощью большинства мобильных устройств. Коэффициент усиления антенны LTE равен 9 дБи. Маршрутизатор способен работать в сетях 2G, 3G

и 4G. Максимальная скорость приема информации равна 150 Мбит/с (при

49

работе с сетью 4G). Соответствующий показатель для стандарта 3G ― 21 Мбит/с. Также данный маршрутизатор оснащен двумя LAN-портами, один из которых можно использовать для питания PoE-совместимых устройств. Допустимая температура эксплуатации ― от ‒40 до +60 °C. Данный роутер установлен на высоте 40 м в прямой видимости мачты сотовой связи.

Главный сервер располагается в Институте механики сплошных сред УрО РАН в г. Перми. К данному ресурсу организован интернет-доступ с учетом делегированных прав пользователей. Вся необходимая информация доступна на специальном WEB-сайте, на котором пользователю доступны схемы размещения каждого типа датчиков и актуальные значения всех наблюдаемых параметров.

Следует отметить, что результаты измерений деформационного отклика инженерных сооружений на внешнее динамическое воздействие всегда содержат важную информацию: о появлении в конструкции сооружения дефектов в виде нарушения их целостности; изменениях жесткости и массовых характеристик; неупругих деформациях в конструкции. Эта информация, в свою очередь, в сочетании с результатами вышеописанных измерений квазистатического деформирования определяет безопасность деформационного состояния элементов конструкции. Анализ деформационного состояния элементов конструкции по результатам измерения параметров деформационного отклика на внешнее динамическое воздействие и называется вибродиагностикой. Применительно к конструкции Объекта был реализован следующий вариант вибродиагностики.

Для регистрации динамических деформационных процессов в элементах конструкции от действия эксплуатационных и ветровых нагрузок использованы акселерометры двух видов, рассчитанные на разные диапазон частот и амплитуд ускорений. Первый тип датчика (Zetlab BC110) представляет однокомпонентный icp-акселерометр, преобразующий механические ускорения с максимальной амплитудой до 50g в электрический сигнал в диапазоне частот от 1 Гц до 10 КГц. Второй тип датчика (Zetlab BC1313) представляет трехкомпонентный сейсмоприемник-акселерометр, преобразующий механические ускорения с максимальной амплитудой до 1g в электрический сигнал в диапазоне частот от 0,3 до 400 Гц. Эти датчики размещены на двух центральных несущих колоннах скипового ствола по оси B согласно схеме на рис. 3.4.

50

Рис. 3.4. Схема размещения динамических датчиков на несущих колоннах конструкции

Предложенная на рисунке схема расположения динамических датчиков позволяет фиксировать многообразие вибрационных процессов, происходящих в конструкции из-за воздействия различных природных (ветровое и микросейсмическое) и техногенных факторов, включающих в себя производственные технологические операции: вращение колес подъемного механизма, подъем и спуск скипа, его разгрузка, работа ленточного транспортера и др. Данная схема выбрана из-за особенностей расположения источников динамического сигнала. Распределение датчиков по высоте произведено по шести уровням: 10, 21, 31, 42, 53 и 58 м.

Монтаж акселерометров и сейсмометров к колонне осуществлен следующим образом: к конструкции была приварена металлическая опора, к которой при помощи винтов и динамометрического ключа был притянут сам датчик. За счет этого была обеспечена надежная механическая связь между чувствительным элементом датчика и исследуемой конструкцией. Снаружи датчики были укрыты защитными коробами. icp-акселерометр защищен пластиковым кожухом собственного изготовления (синий корпус на рис. 3.5, а). Cейсмометр BC1313 был укрыт металлическим щитом КРЗМИ IP54 (рис. 3.5 б). Пример расположения динамических датчиков на колонне приведен на рис. 3.6.

51

Рис. 3.5. Крепление динамических датчиков к колонне: icp-акселерометр с кожухом (а), сейсмометр (б)

Выбор места крепления icp-акселерометра позволяет фиксировать направление измеряемой компоненты виброускорения. Ось этой компоненты для каждого icp-акселерометра направлена по нормали к одной из двух вертикальных взаимноперпендикулярных плоскостей (рис. 3.6). Значительная часть icp-акселерометров расположена на колонне (рис. 3.7) в осях В 2-3 (шесть уровней по высоте). Это дает возможность контролировать распространение волнового фронта по одной из четырех основных несущих колонн, что важно для контроля ее несущей способности.

Рис. 3.6. Расположение динамических датчиков на колонне: icpакселерометр №3 с кожухом (а); металлический щит с сейсмометром №1 (б)

52

Все сейсмометры расположены на другой колонне (рис. 3.7) в осях В 3- 4 (три уровня по высоте). Это позволяет контролировать не только основные собственные частоты конструкции в области низких частот, но и формы колебаний, включающие в себя изгибные и крутильные. Полученные эволюционные изменения собственных частот, форм колебаний и декрементов затухания конструкции являются основными деформационными параметрами, по которым можно судить о ее механическом «здоровье» и осуществлять прогноз ее состояния.

Аналоговый сигнал с каждого icp-датчика передается по отдельному коаксиальному кабелю в блок регистрации данных на 24-разрядный 8- канальный аналого-цифровой преобразователь «Леонардо 2» производства компании «Руднев ‒ Шиляев» (рис. 3.7). Коаксиальные кабели протянуты в трех гофротрубах. Длина линий (не более 80 м), погонная емкость кабеля RG-174 (порядка 100 пФ/м) и ток питания датчика (порядка 3‒4 мА) гарантируют работу в полосе частот до 10-15 кГц, что достаточно для данного типа датчиков.

Рис. 3.7. Схема кабельных линий динамических датчиков

Аналоговый сигнал с трехкомпонентного сейсмоприемника, согласно схеме на рис. 3.7, передается по многожильному FTP кабелю в блок регистрации на второй 24-разрядный 8-канальный аналого-цифровой преобразователь.

53

Для защиты от помех применена дифференциальная схема подключения каждого канала сейсмоприемника. В блоке сбора данных выполнена коммутация трех каналов трех датчиков в восемь портов АЦП. Кабельная линия конструктивно выполнена на тросике, притянутом к приваренным к конструкции рым-гайкам. За трос на стяжки прикреплен пучок кабелей от всех датчиков. Основная магистраль проложена вертикально вдоль лестницы в осях В-2. В уровнях 10, 21, 31 м переход к горизонтальному участку осуществлен в металлических трубах.

Анализ динамических состояний конструкции

В процессе эксплуатации конструкция находится в различных состояниях: свободное (технологические устройства не функционируют) и активное (действуют технологические операции: подъем руды, высыпание руды в накопитель; работа конвейера). Динамический отклик конструкции на эти режимы имеет различный частотный состав и различное распределение амплитудных характеристик сигнала в разных точках конструкции. Поэтому для контроля состояния конструкции на виброграммах необходимо выделять участки, соответствующие активным технологическим режимам, и сопоставлять соответствующие динамические характеристики. Для настройки процесса выделения участков виброграмм, соответствующих активным технологическим режимам, и первичного анализа виброграмм выполнен непрерывный сбор данных в течение длительного интервала времени: с 23:00 18.08.2020 до 10:00 19.08.2020. На рис. 3.8 приведено среднее по модулю значение амплитуды ускорений, полученных с высокочастотного датчика №1, расположенного вблизи точки крепления оси шкива. Интервал осреднения равен одной секунде. Полученная зависимость позволяет определить интервалы времени, соответствующие подъему руды. Аналогичным образом построены зависимости для высокочастотных датчиков 5 и 8. На рис. 3.9 показаны эти зависимости для последней серии подъемов (интервал времени от 9,5 до 11 ч).

Зависимости, изображенные на рис. 3.9, показывают последовательность технологических операций: подъем руды длительностью 90 с (регистрирует датчик D1); затем высыпание руды в накопитель длительностью 15 с (регистрирует датчик D5); после нескольких подъемов включается конвейер (регистрирует датчик D8).

Построены виброграммы и их Фурье-образы, соответствующие технологическим операциям подъема руды и высыпания руды в накопитель, приведены ниже.

54

55

На основе этих зависимостей сделаны следующие выводы:

1.Технологическая операция подъема руды регистрируется высокочастотными датчиками № 1–4; показания остальных датчиков не превышают уровень шума.

2.Технологическая операция подъема руды регистрируется всеми низкочастотными датчиками.

3.Технологическая операция высыпания руды в бункер регистрируется всеми высокочастотными датчиками за исключением датчиков № 1–3.

Для выделения низших собственных частот конструкции построены виброграммы и их Фурье-образы для свободного состояния конструкции и интервала времени после подъема руды. На основе этих зависимостей сделаны следующие выводы:

1.При свободном состоянии конструкции:

–первая собственная частота колебаний вдоль оси X cоставляет 1,40 Гц (дискретность Фурье-образа 0,03 Гц);

–первая собственная частота колебаний вдоль оси Y cоставляет 1,97 Гц (дискретность Фурье-образа 0,03 Гц).

2.При свободном состоянии конструкции собственные частоты проявляются не регулярно и могут отсутствовать в некоторых интервалах времени.

3.Уровень вибраций при свободном состоянии конструкции низкий и

составляет около 5 10−5 м/с2.

4.Высокочастотные акселерометры не регистрируют собственные частоты конструкции при отсутствии внешних воздействий по причине недостаточной чувствительности.

5.На интервале времени после подъема руды уровень вибраций

составляет около 5 10−3 м/с2, что на два порядка больше чем в случае отсутствия внешних воздействий. На этом интервале низшая частота, как и в случае свободного состояния конструкции, составляет 1,40 Гц.

6. Регистрацию низших собственных частот рационально выполнять на интервале времени после подъема руды.

56