12 Konstrukcijski monitoring.ppt

1

Ispitivanje konstrukcija i osnove eksperimentalnih metoda– 2019/2020

MONITORING GRAĐEVINSKIH KONSTRUKCIJA

Konstruktivni monitoring gradjevinskih konstrukcija (Civil Structural Health Monitoring - CSHM) je metod za procenu stanja građevinskih konstrukcija korišćenjem kombinacije savremene opreme za monitoring uz primenu procene stanja baziranoj na statistici i verovatnoći.


Broj građevinskih konstrukicja kao što su mostovi, tuneli potporni zidovi, brane i druge, dramatično se povećao u poslednjih 30 godina s obzirom na povećane zahteve za infrastrukturnim objektima nego što je to bio sredinom prošlog veka.

U poslednjim decenijama razvile su se nove strategije u održavanju, inspekciji i proceni stanja infrastrukture i imale za posledicu da se nastavi korišćenje konstrukcija duže nego što je projektovano.

Takođe, zahtevi koji se postavljaju pred konstrukicje su se promenili u odnosu na vreme kada su izgrađene: opterećenja su veća, povećanje saobraćaja, itd. Dakle nove tehnologije za inspekciju, procenu stanja, održavanje i ojačanje su neophodne.

...Monitoring građevinskih konstrukcija

2


Konstrukcijski monitoring građevinskih objekata je definisan kao metod in-situ praćenja i određivanja performansi građevinskih konstrukcija. Bez CSHM ne bi bilo moguće proceniti stanje starih konstrukcija na efikasan način, i njihova ponovna izgradnja proizvela bi značajano opterećenje na budžet svih ekeonomija. To su razlozi da se primenjuje i nastavi razvoj CSHM metoda u budućnosti. Takođe, CSHM je jedan vrlo koristan alat za procenu performansi konstrukcija izgrađenih od novih materijala i konstrukijca koje su ojačane modernim sistemima ojačanja.

Kombinovano sa metodama verovatnoće, ideje kako se može razviti strateško razmišljanje s obzorom na inspekciju, istraživanja, motitoring i procenu stanja su značajne u CSHM.

...Monitoring građevinskih konstrukcija


Regulativa: Preporuke za konstrukcijski monitoring

3


Značajne konstrukcije (veliki mostovi, visoke zgrade, brane i dr.)Konstrukcije u seizmički aktivnim zonama za praćenje odgovora usled Podrhtavanja tla i sl.Konstrukcije osetljive na dejstvo vetra (visoki tornjevi i viseći mostovi)Slučaj primene gde je po izvršenom ojačanju sa procenom stanja Moguća upotreba ojačanja bez bez ili sa minornim remećenjem saobraćajaAnaliza stanja i verifikacije konstrukcija od novih materijalaTestiranje novo-razvijenih senzora za primenu kod ispitivanja efekata kroz dug vremenski period sistema za ojačanjeInspekcija, procena i monitoring na projektima ojačanja gde je cilj da se proceni promena krutosti nakon što je most ojačanDetekcije oštećenja konstrukcije što je komplikovan zadatak u smislu globalne detekcije oštećenja

Tipičnie primene monitoringa


Tipične veličine za monitoring mostovske AB konstrukcije

Veličine koje su predmet monitoringa

4


Vremenske strategije opisuju vreme i frekventnost merenja. Pri ovome se vremenski zavisne strategije karakterišu kao kratkotrajne, dugotajne, periodične kontinualne i trigerovane strategije monitoringa. Izabrana strategija zavisi od fenomena koji se osmatra. Na primer, ako se namerava osmatranje širine postojeće prsline, periodični dugotrajni program se može preporučiti. Ako želimo da merimo prigušenje konstrukcije kratkotrajni, ručno trigerovan program monitoringa je adekvatan.

Vremenske strategije pri monitoringu


Kratkotrajni monitoring može se koristiti ako je potrebno ispitati stanje konstrukcije u konkretnom trenutku vremena. Ovo je tipična mera ako je inspekcija pokazala neki nedostatak ili oštećenje konstrukcije i bezbednost je dovedena u pitanje. Kratkotrajni monitoring daje više informacija nego vizuelna inspekcija s obzirom da se sigurnost konstrukcije može kontrolisati. Takođe, većina senzora koji se koriste u CSHM aplikacijama nisu dovoljno robusni kako bi se koristili tokom dugog perioda vremena. Većina CSHM operacija su kratkotrajna “on-off ” dogovorena kada CSHM sistem je primenjen za specifičnu svrhu, bez obzira što cena instrumenata i instalacija predstavlja veliki deo ukupne cene. Ovi tipovi monitoringa se često koriste kako bi se procenila promena. Npr. Promena saobraćajnog opterećenja, promena konstrukcijskog istema, ojačanje konstrukcije itd. Ako nekoliko kratkotrajnih meranja se ponavljaju često tokom dužeg vremenskog perioda ona se mogu definisati kao periodična dugotrajna merenja. Primer primene: monitoring nakon ojačanja konstrukcije

Vremenske strategije: Kratkotrajni monitoring

5


Definicija dugotrajnog monitoringa iz ISHMII (Mufti et. al., 2006) - kontinualni monitoring konstrukcije se može smatrati dugotrajnim kada se monitoring sprovodi tokom više godina do decenija. Preferira se da se isti sprovodi tokom celog veka konstrukcije. Skoriji napredak u tehnologiji senzora, akvizicije podataka, snazi računara, komunikacionim tehnologijama, podacima i IT tehnologijama sada čine mogućim konstrukciju ovakvih tipova sistema.Dugotrajni monitoring treba samo razmatrati ako su promene u optećenjima spore, kao blage temperaturne promene, ili ako opterećenja nisu predvidljiva, tj. prirodne opasnosti kao što su poplave, zemljotresi.

Vremenske strategije: Dugotrajni monitoring


Kao dodatak, ako su konstrukcije zahvaćene sporimdegradacionim procesima i metode za prevenciju istih suograničene ili treba da budu odložene što je mogućekasnije. Ovo je slučaj sa monitoringom drevnihkonstrukicja i spomenika gde se estetika ne smepromeniti, (Cossu and Chiappini, 2004, Grinzato et al.,2002, Marazzi et al,. 2002 and Bogdabovic ..., 2005). Za ovakve konstrukcije jedini način da se odredi stanjekonstrukicje je upotreba ne-destruktivnih ispitivanja s obzirom da se nikakav material ne sme oštetiti i ispitivatikarakteristike materijala. Periodični dugotrajni monitoring koristi se za je za procenu funkcije CFRP (Carbonske trake) sistema za ojačanje i promenu u postojećim prslinama postojećih konstrukcija

Vremenske strategije: ...Dugotrajni monitoring

6


Pri dugotrajnim monitoring operacijama prikupljanje podataka može biti kontinualno ili periodično.Frekventni periodični monitoring je kada se podaci prikupljaju u reuglarnim intervalima vremena. Trigerovani periodični monitoring je kada je prikupljanje podataka inicirano određenim događajem, tj. kada mereni neki mereni parameter pređe određeni prag. Interval uzorkovanja pri sakupljanju podataka zavisi od dinamičke prirode izučavanog fenomena, kao i od zavisnosti od opterećenja.

Vremenske strategije: Periodični monitoring (kontinualni ili trigerovan)


Vremenske strategije: Periodični monitoring (kontinualni ili trigerovan)

Kontinualni, frekventni i trigerovan monitoring

Kontinualni

Dugotrajni monitoring

Frekventni periodični

Trigerovan periodični

Vreme

Vreme

Vreme

7


Tipična primena za frekventni periodični monitoring je kada su opterećenja statička i fenomeni koji se osmatraju se sporo menjaju, npr. ako se analizirajugodišnji temperaturni efekti neke brane. Tipičan primer trigerovanog monitoringa je kada se mere veličine pri prelazu vozova preko mosta. U ovom slučaju interesantno je samo kada je voz na mostu. Kontinualni monitoring se koristi kada se značajne promene usled stohastičkih događaja mogu očekivati. Najčešće, ovi tipovi skupova podataka se procesiraju kako bi se smanjio broj podataka koji se sakupljaju.

Vremenske strategije: ...Periodični monitoring (kontinualni ili trigerovan)


Strategije stanja znače koji tip fenomena se osmatra

Npr. ako je lokalizacija prslina osnovni fenomen koji se osmatra, lokalni pristup nije opcija, već globalni .Umesto detekcije oštećenja i lokalizacionih metoda koriste se globalne metode, često bazirane na određivanju modalnih parametara treba da se primene.Ako se kontroliše propagacija postojećih prslina, lokalni monitoring pristup značajnih prslina se preporučuje.

Strategije stanja

8


Lokalni monitoring je osmatranje lokalnih fenomena, kao deformacija, otvor prslina i dr. Lokalni monitoring može se takođe definisati kao ne-dstruktivna procena (NDE). NDE je definisano kao tehnologija "vidi kroz ili probaj kroz" ("see through or probing through") konstrukciju kako bi se detektovali uslovi i karakteristike na lokalnom nivou (Atkan et al., 2003 and ISHMII, 2007).Lokalni monitoring se ponekad opisuje kao netačan SHM metod u smislu da se stanje konstrukcije ne može odrediti na lokalnom nivou. Mada, u kombinaciji sa globalnim SHM metodama ili detekcijom oštećenja, tzv. Nivoa-3 detekcije oštećenja, lokalni monitoring pristup može biti koristan za procenu ozbiljnosti detektovanih oštećenja, takozvanog nivoa-3 tipa detekcije oštećenja.

Strategije stanja: Lokalni monitoring


Npr. monitoring primenjen za procenu stanja CFRP ojačanog mosta i kontrolu brzine prapagacije smičućih prslina. U ovom slučaju prsline su već detektovane i deo CFRP sistema mogu se osmatrati primenom lokalnih senzora. Lokalni monitoring je takođe koristan za primene u laboratorijama kada određeni parametric treba da budu kontrolisani. Kao primer gde se lokalni monitoring u laboratorijama koristi je kontrola stanja u pravoj veličini modela kompozitnih greda drumskih mostova, članak-B.Ovde, uzorici materijala uzeti in-situ su takođe su uključeni u ovu kategoriju, bez obzira što isto nije SHM metod. Šta više, određene karakteristike su često zahtevaju u proceni ponašanja konstrukcije.

Strategije stanja: ...Lokalni monitoring

9


Konstrukcijski fenomeni kao deformacije ili vibracije neke konstrukcije se osmatraju primenom globalnih metoda. Termin globalni monitoring je definisan kao osmatranje globalnih karakteristika konstrukcije. Globalni monitoring ovde je odvojen od metoda detekcije oštećenja koji takođe može biti razmatran kao globalni, ali oni ne osmatraju globalne fenomene. Detekcija oštećenja i lokalizacione strategije su opisane u narednom.Interesantan metod za dobijanje globalnog ponašanja konstrukicja je monitoring modalnih parametara, kao frekvencije, modalni oblici i prigušenje konstrukcije i korelacija rezultata merenja sa FE analizama. Konstrukcija može ili biti pobuđena ambijentalnim vibracijama, tj. pobuda šumom iz prirode, ili prinudne vibracije. Izazov je onda formrati oštećen FE model tako da registrovani rezultati koinicidiraju sa FE analizom.

Strategije stanja: Globalni monitoring


Detekcija oštećenja ili defekta građevinskih konstrukcija u literaturi uobičajeno ukazuje na modalnu analizu (sopstvene dinamičke karakteristike sopstvene frekvencije i tonove)Ovde je to ogranično na detekciju oštećenja bazirano na modalnoj analizi. Osnovna ideja je da modalni parametri, kao frekvencije, modalni oblici i prigušenja, baziraju na fizičkim karakteristikama cele kosntrukcije kao masa, prigušenje i krutost. Dakle, kada konstrukcija doživi oštećenje odgovarajuće modalne karakteristike se promene. Detekcija oštećenja je nominalno definisana u tri koraka ili nivoa:

Nivo-1: Određivanja da li je oštećenje prisutno u konstrukcijiNivo-2: Određivanje geometrijske lokacije oštećenjaNivo-3: Kvantifikacija ozbiljnosti oštećenja

Ponekad je prisutan i nivo-4: Predikcija preostalog veka upotrebljivosti konstrukcije.

Strategije stanja: Detekcija oštećenja

10


Strategija opterećenja je uglavnom pitanje kako se merenja sprovode tokom vremena:n Statički monitoringn Dinamički monitoring

Statički monitoringMerenja fenomena kao što su pomernja, obrtanja, slenjanja, širine prslina, korozije i fenomeni uzrokovani karakteristikama okoline, npr. temperaturom, vžnosti, vetrom su uglavnom tokom kvazi-statički s obzirom da variraju sporo tokom vremena. Kada se prate karakteristike ovih fenomena, preko parametara, najčešće je dovoljno meriti ekstremne vrednosti tokom dužeg perioda vremena zavisno od brzine dejstva koji uzrokuje fenomen.Ovo se definiše kao statički monitoring. Tipični primer statičkog monitoringa je probno opterećenje mostova, gde precizno definisano opterećenje se aplicira na most kako bi se odredilo ponašanje, u najvećem broju slučajeva deformacioni fenomen.

Strategije opterećenja


Dinamički monitoring se sprovodi kada je mnogo veća brzina uzorkovanja u poređenju sa statičkim monitoringom sa ciljem da se dobije kontrukcijsko ponašanje pod dejstvom dinamičkih opterećenja. Tipičani primeri kada je dinamički monitoring preporučljiv su konstrukcije sa pokretnim opterećenjima ili u konstrukcijskim ispitivanjima za određivanje modalnih karakteristika.

Strategije opterećenja: Dinamički monitoring

11


Metodi procene utiču na CSHM strategiju u smislu da model koji se koristi za predikciju ponašanja određuje parameter koji se osmatraju. Ako performance konstrukcije treba da se poboljšaju i projektni proračuni ne potvrđuju dovoljno sigurnost, monitoring u kombinaciji sa naprednim računskim alatima, kao nelinearni FE analize se koriste. Takođe, izlaz iz osmatranja treba da bude interpretiran tako da možemo razumeti odgovor i predvideti konstrukcijske performance konstrukcije.

Metode procene


U potpunim CSHM primenama preporučljivo je koristiti pristup baziran na verovatnoći, poredeći efekte opterećenja sa kapacitetom konstrukcije.

Uobičajen način da se ovo sprovede je upotreba klasifikaciju baziranu na pouzdanosti. Projektantske regulative bazirane na verovatnoći u većini slučajeva koriste različite faktore za opterećenja i materijalne karakteristike bazirane na raspodelama.Štaviše, izbor ima uticaj na CSHM strategiju s obzirom da dosta podataka treba da se sakupi ako hoćemo da napravimo procenu rezultata prema verovatnoći. Često, s obzirom na ograničen budžet, većina metoda procene koristi determinističke faktore iz regulative.

Metode procene: Procena prema verovatnoći

12


MKE-modeli mogu biti kreirani da oponašaju rezultate iz monitoringa. Koristeći kontinualni monitoring ili periodični dugotrajni monitoring, osmatrane promene mogu biti interpretirane modelom i budući scenariji karakteristika mogu se predvideti.MKE-metode u kombinaciji sa optimizacionim alatima se takođe mogu razviti za identifikaciju materijalnih i konstrukcijskih parametara iz odgovora konstrukcije.Ovo, tzv. reverzno modeliranje kao pristup u kombinaciji sa dugotrajnim monitoringom može potvrditi važnost alata u CSHM primenama u budćnosti.

Metode procene: MKE modeli


Tabela prikazuje primere kako konstrukcijski fenomeni mogu biti povezani sa strategijama monitoringa i preporuke za tipove odgovarajućih senzora. Slova “C”, “T”i “L”, označavaju strategije koje odgovaraju Condition (Uslovima) pod kojima se meri, kako će merenje biti tokom vremena Time, i dinamičko ponašanje apliciranog opterećenja Loads.Sistem senzora mora biti izabran za konstrukcijiski fenomen koji se osmatra i izabrana strategija monitoringa. Kvalitet rezultata iz CSHM operacija zavisi od karakteristika primenjenog senzora i sistema senzora. Ograničenje u budžetu je uvek prisutno i ovo može uticati na kvalitet sistema senzora. Za svaki sistem senzora planirane karakteristike svakog pojedinačnog dela moraju se istražiti. Parametri koji utiču na izbor senzora su brzina uzorkovanja, rezolucija ulaza i izlazni signal, mogućnost ponovljenog monitoringa, temperaturni efekti, drift-senzora, itd.

CHM strategije i sistemi senzora

13


Fenomen Monitoring strategija Adakvantni tipovi senzora Napomena

1

Pomeranja fundamenata i sleganje

Lokalna C / KontinualnaT / Statička merenja L / DugotrajnaT

LVDT Laser Hidrostatički sistemi Svi tipovi

Referentna pozicija je bitna; Zavisno od vremenskih uslova Ograničenja tačnosti

2

Pomeranja fundamenata i sleganje

GlobalnaC Kratkotrajna ili dugotrajna T / Periodična ili trigerovana T / Statička ili dinamička T

LVDT Laser GPS

Referentna pozicija je bitna; Zavisno od vremenskih uslova

Ograničenja tačnosti

3Obrtanja i rotacije

LokalnaC Kratkotrajna ili dugotrajnaT / KontinualnaT

Klinometri Mala brzina uzorkovanja

4Detekcija prslina i

lokalizacijaDetekcija oštećenjaC; /

GlobalnaC; / inamičkaTFiber-optički senzori za

tetekciju prslina Nepraktična

5

Širina prslina LokalnaC; Detekcija oštećenjaC; PeriodičnaT; StatičkaL LVDT Senzori za prsline

Stabilna; Samo lokalni monitoring je moguć;

Mogućnost detektovanja prslina

6

Vibracije

GlobalnaC; KratkotrajnaT; PeriodičnaT; / KontinualnaT; / TrigerovanaT; / inamičkaL

Akcelerometri Skupo

7Korozija LokalnaC; DugotrajnaT;

KontinualnaT; StatičkaLSenzori za skeniranje;

Ugrađeni seznori

Ručno trigerovana; Jedino moguća instalacija na novoj

konstrukciji

Primeri konstrukcijskih fenomena, strategija i senzora


Ako je potrebno unaprediti performance konstrukcije to je sa ekonomskog aspekta mnogo povoljnije ako je moguće preciznijom analizom potvrdititi da je bezbednost dovoljna. Uobičajen put da se ovo uradi je upotreba metoda koji baziraju na pouzdanosti. Probabilistički koncepti (koji baziraju na verovatnoći) primenjuju se u većini tehničke regulative pošto većina bazira na probabilističkim pretpostavkama gde otpornost konstrukcije, R, mora biti veća od efekata opterećenja, S. Ovaj kriterijum pri projektovanju izražava se izrazom:

R ≥ S (1)

Probabilističke procene

14


Kako bi se odredili efekti opterećenja, S, neophodne su informacije o raspodeli opterećenja (položaj i veličina). Kako bi se dobile ove raspodele za sva opterećenja, opsežan monitoring program je neophodna tokom dužeg vremena. Statistike ili istorije opterećenja mogu biti dobijene iz merenja drugih opterećenja. Npr. na železničkim mostovima usvaja se da je saobraćajno opterećenje locirano duž koloseka. U mnogim slučajevima moguće je dobiti aktuelne težine transportnih vagona, ali ovustatistiku ne možemo usvojiti za dobijanje maksimalnog opterećenja teretnim vagonom za most. Ako transportne kompanije preopterete voz, u mnogim slučajevima neće prijaviti tu činjenicu. Maksimalna osovonska opterećenja su takođe zavisna od položaja tereta u vagonima isl.

...Probabilističke procene


Dakle, ove vrednosti su od velike važnosti za procenu efekata opterećenja u CSHM operacijama. Projektantske vrednosti opterećenja mogu se naći u propisima ili iz merenja na drugim lokacijama od aktuelne konstrukcije, kao što su saobraćajna opterećenja, opterećenja vetrom i temperaturna opterećenja. Ostali tipovi opterećenja su specifični za aktuelnu konstrukciju. Primeri ovih oterećenja su pritisak tla, sopstvena težina, varijacija temperature, itd.

...Probabilističke procene

15


Šema tipičnog monitoring sistema

Senzori

(različiti tipovi)

Akvizicioni sistem

(na licu mesta)

Komunikacioni sistem

(telefonske linije i dr.)

Skladištenje podataka

(CD, Hard Disk,....)

Pregled registrovanih veličina

(sa donošenjem odluka)

Procesiranje podataka

(automatski)

Dijagnostika


Primer-1: Monitoring mostaAnemometar

Akcelerometar

Temperaturni senzor

Merna traka

GPS stanica

Senzor pomeranja

Metereološki instrumenti

Senzor korozije

Digitalna kamera

Merenje pri kretanju

Ukupna broj senzora > 1200

Senzori na STONECUTTER-mostu

Istočni pilon

Zapadni pilon

16


B C D A

6000 12000 12000 12000 12000

Optical fiber

Design of Health Monitoring System for ZhangJang Primer-2: Monitoring mosta


Monitoring deformacija krovne konstrukcije koja je renovirana posle defekata usled vetra i snega prečnika D=128m (Univ. Severna Iowa - Dome – USA)n Loger, deformacijski senzori, alarmi i povezan sa lokalnom

univerzitetskom mrežom

Primer-3: Monitoring mosta

17


Automatski sistem za praćenje i obaveštavanje sa logovanjem podataka

(pritisak, nivo, alarmne funkcije, ...)

Primer-4: Monitoring rezervoara za derivate


Long-term monitoring AB kolovoznih tabli sa FRP (karbonski materijali umesto armature) sa ugrađenim senzorima

Primer-5: Monitoring pokretnog mosta

18


Primer-6: Monitoring betonske brane


Primer-7: Monitoring nasute brane

19


Primer-7: Monitoring tunela

Documents

12 Konstrukcijski monitoring.ppt