Адрес:
Казахстан г.Алматы
Главная \ Решения \ Прочее \ Волоконно-оптическая система предупреждения опасных процессов мостовых сооружений

Прочее

« Назад

Волоконно-оптическая система предупреждения опасных процессов мостовых сооружений  25.03.2021 14:24

Общее описание системы мониторинга

Волоконно-оптическая система геотехнического мониторинга (ВОС ГТМ) состоит из 3-х основных компонентов: анализатор, протяженный (непрерывный) волоконно-оптический сенсор и специализированное программное обеспечение (см. рис.1). Диапазон действия одного анализатора, основанного на эффекте вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), составляет до 80 км (длина сенсора), а с использованием встроенного оптического переключателя для последовательного опроса сенсора в обе стороны от анализатора – до 160 км. Использование внешнего оптического переключателя и топологии типа «звезда» позволяет увеличить число подключаемых к одному анализатору сенсоров до 21.

Сенсор представляет собой непрерывный волоконно-оптический кабель специальной конструкции в зависимости от назначения и условия применения. Сенсор является эквивалентом огромного количества точечных датчиков (исходя из пространственного разрешения анализатора можно считать, что каждые 50 см сенсора являются отдельным независимым точечным датчиком; таким образом участок сенсора длиной 50 км будет эквивалентом 100 000 !!! точечных датчиков). Сенсор – полностью пассивное устройство, подключается с одного или двух концов к анализатору и размещается вдоль всего объекта, который необходимо контролировать. Оптическое волокно внутри сенсора изменяет свои оптические характеристики при изменениях различных внешних параметров (температуры, растяжения/сжатия, акустического давления и т.д.). Отсюда вытекают и различные применения системы.

Возможность контролировать протяженный объект в каждой точке, где инсталлирован сенсор в совокупности с очень высокой точностью и автономной работой в режиме реального времени делают систему уникальной и безальтернативной для большого количества различных применений.

b3276249556

Рисунок 1 – Элементы системы ВОС ГТМ: А) стойка или шкаф с измерительным анализатором и вспомогательным оборудованием; Б) волоконно-оптический сенсор; В) специализированное программное обеспечение (ставится на сервер)

Польза мониторинга

Мониторинг таких сложных и значимых сооружений, как мосты, дает следующие преимущества:

  • Уменьшает неопределенность. Позволяет понять реальное состояние материалов моста, нагрузок на мост и т.д., в результате чего собственники моста могут принимать взвешенные и эффективные решения в процессе эксплуатации сооружения, что уменьшает стоимость страхования сооружения.
  • Позволяет обнаруживать скрытые резервы. Благоприятное стечение обстоятельств (лучшее качество материалов, грамотное конструкционное решение, факторы синергии) часто приводят к результатам, превышающим прогнозные. Мониторинг позволяет выявить такие случаи и использовать подобные мостовые сооружения больший период времени либо с большими нагрузками без дополнительных расходов.
  • Позволяет обнаружить скрытые дефекты. Некоторые дефекты сооружений не могут быть выявлены визуально либо с помощью моделирования. Своевременное выявление системой мониторинга подобных дефектов может удешевить стоимость ремонта и повысить безопасность сооружения.
  • Позволяет оптимизировать затраты на эксплуатацию моста. Имея своевременные и качественные данные о текущем состоянии мостового сооружения можно оптимизировать (повысить качество и удешевить) процедуры содержания, ремонта, замены элементов мостового сооружения.
  • Увеличивает знания. Своевременные и качественные данные о состоянии мостового сооружения позволяют при проектировании аналогичных сооружений в будущем делать их более дешевыми, надежными по конструкции и т.д.
  • Предоставляет объективную информацию в спорных ситуациях. Установка системы мониторинга на строительном объекте и поэтапный мониторинг объекта с начала его строительства предоставляет возможность объективного решения спорных вопросов между заказчиком, проектной организацией и подрядчиком.
  • Уменьшает непредвиденные затраты в процессе строительства. Использование системы мониторинга в процессе строительства приносит существенные выгоды также проектным и подрядным организациям, так как дает возможность существенно меньшими затратами скорректировать проектные решения при обнаружении неучтенных факторов или при выявлении нарушений проекта.

Экономические оценки (новые мосты)

Для новых мостов стоимость системы мониторинга составляет от 0,5% до 3% от стоимости строительства моста (чем больше объем работ по строительству, тем ниже эта цифра). В эту стоимость входит стоимость оборудования, инсталляции и настройка системы мониторинга. Ежегодное обслуживание составляет от 5% до 20% от стоимости системы мониторинга. Другими словами, для типового моста средней протяженности эксплуатация системы мониторинга в течении первых 10 лет (за этот период выявляется большинство скрытых дефектов, особенностей поведения мостового сооружения в реальных условиях эксплуатации и т.д.) составляет от 2% до 5% от стоимости постройки мостового сооружения.
Эти финансовые вложения в систему мониторинга окупаются собственником моста следующим образом:

  • Бесплатное устранение дефектов и ошибок строительства в гарантийный период (типично от 2-х до 5-ти лет) со стороны строителей;
  • Наличие системы мониторинга, контролирующей процесс строительства – соблюдение проекта и технологических регламентов, гарантирует качество выполнения работ;
  • Наблюдение за мостовым сооружением в течение первых десяти лет позволяет очень качественно оценить его особенности и возможности, а также оптимизировать (уменьшить) стоимость его содержания и ремонта.

Экономические оценки (мостовые сооружения – кандидаты на снос или капитальный ремонт)

Возврат вложенных в систему мониторинга средств:

  • Стоимость капитального ремонта (замены) мостовых сооружений: 100%;
  • Стоимость системы мониторинга (оборудование, инсталляция, измерения, анализ): 3%;

После анализа результатов работы системы мониторинга обнаружится (консервативная оценка):

  • Кол-во мостов в надлежащем состоянии: 20%;
  • Кол-во мостов, требующих ремонта: 20% (стоимость ремонтных работ для этих мостов: 30%);
  • Мосты под снос (замену): 60%.
  • Стоимость вместе с системой мониторинга: 3% + 20% Х 30% + 60% = 69%;
  • Экономия от применения системы мониторинга: 31%.

Ключевые параметры мониторинга мостовых сооружений

Причинами мостовых деформаций могут быть как медленные, но постоянные процессы (почвенные процессы в области фундамента моста, старение и коррозия материалов и т.д.), так и быстрые, но периодические процессы (ветровая нагрузка, температурные градиенты, движение транспорта по мосту (распределение масс) и т.д.).        
Поэтому в зависимости от конструкции моста (висячий, балочный, арочный, пилонный, консольный и т.д.; длины пролетов и т.д.), вида применяемых материалов (преднапряженный либо обычный бетон, цельнометаллическая конструкция и т.д.), особенностей местности (состояние почв, климатические условия) и условий эксплуатации (транспортный трафик) определяются критические элементы моста и по каким параметрам эти элементы крайне желательно контролировать.

Например, для висячих мостов (и как их разновидности – вантовых мостов) основное внимание следует уделять состоянию поддерживающих автомобильное полотно вантам на предмет отсутствия у них перенапряженности; контролировать вибрацию дорожного полотна, поскольку такие мосты имеют повышенную гибкость конструкции; контролировать угловое смещение пилонов (вследствие их высокой склонности к кручению вследствие ветровых нагрузок). У арочных мостов основное внимание уделяется состоянию опор, поскольку на них передаются не только вертикальные, но и горизонтальные нагрузки от достаточно тяжелой верхней части моста (арок и мостового полотна). И т.д.

Основные риски, которым подвергаются мосты, в зависимости от их типа, приведены ниже в таблице.

Распределенная система мониторинга деформаций

Мониторинг технического состояния протяженных и сверхпротяженных мостовых сооружений оказывается более эффективным с использованием системы мониторинга с непрерывным волоконно-оптическим сенсором (ВОС), который прокладывается по всей длине контролируемых элементов конструкции моста. Использование системы мониторинга с непрерывным ВОС эффективно как с точки зрения стоимостной эффективности, так и с точки зрения эффективности объема и качества предоставляемой информации о состоянии контролируемого объекта.
С помощью такой системы мониторинга в режиме реального времени и по всей длине контролируемой конструкции можно определять следующие параметры мостового сооружения:

  • Напряженно-деформированное состояние железобетонных конструкций (статические растяжения, сжатия, распределение температуры);
  • Возникновение трещин и их локализация;
  • Собственные колебания мостового сооружения (~ до 1 Гц) и соответствующие им смещения элементов конструкций.

Волоконно-оптические сенсоры можно инсталлировать следующими способами:

  • Помещать внутрь железобетонной конструкции (крепить их к арматуре и заливать после этого бетонной смесью;
  • Приклеивать на поверхности железобетонной конструкции или в штробе с помощью различных клеев (при необходимости, защищая сверху дополнительной защитной стальной или полимерной лентой);
  • Фиксировать на поверхности железобетонной конструкции с помощью механических фиксаторов (при необходимости, защищая сверху дополнительной защитной стальной или полимерной лентой).

Пример

Приведенный на рис.1 стальной балочный мост было решено не сносить, а продлить его эксплуатацию еще на 15 лет с одновременным повышением уровня контроля за состоянием моста с помощью системы мониторинга с использованием непрерывных ВОС. Общая длина балок моста составляет ~ 9 км, длина контролируемых балок составила ~ 4,5 км (основные несущие балки), контролируются деформации балок и возникновение трещин (режим опроса – каждые 2 часа).

a11

Рисунок 2 – Балочный многопролетный мост GÖTAÄLV, Швеция (54 пролета, 950 м общая длина моста).