Наука

Система мониторинга на базе волоконно-оптических датчиков деформаций НПК «Мониторинг-Центр»

В настоящем разделе представлены результаты исследования мониторинга технического состояния строительного сооружения на базе волоконно-оптических датчиков двух видов: внутреннего и внешнего крепления. Представленная система решает задачу контроля напряженно-деформированного состояния некоторого элемента железобетонной конструкции.

Принципиально мониторинг организован следующим образом. В результате численного моделирования и последующего анализа строительной конструкции на стадии проектирования определяются места установки датчиков, или области контроля. В указанных областях контроля крепятся волоконно-оптические датчики по следующей схеме (Рис.1).

Волоконно-оптический датчик первого типа (ВОДД-1) размещается внутри железобетонной конструкции при заливке, причем возможно крепление датчика как на арматуре, так и внутри бетонной массы. Волоконно-оптический датчик второго типа (ВОДД-2) крепится на внешней части контролируемого элемента. ВОДД-1 представляет собой локальный датчик, длина которого не превышает 50 мм, ВОДД-2 — напротив, датчик длиннобазовый, может иметь линейный размер от 200 до 2000 мм. Соответственно, задачи, решаемые с помощью датчиков этих двух типов, различны и состоят в следующем. ВОДД-1 позволяет получать информацию о деформациях арматуры и бетона в области, отдаленной от арматуры. Эта информация дает понятие о распределении напряжений внутри железобетонной конструкции между арматурой и собственно бетоном. ВОДД-2 — датчик, информирующий наблюдателя о величине общей, интегральной деформации данного элемента строительной конструкции на довольно большом линейном отрезке.

Полученные три величины деформаций ε₁, ε₂, ε₃, соответственно от всех трех указанных типов датчиков, позволят получить представление о напряженно-деформированном состоянии исследуемого элемента строительной конструкции. Следующий этап — анализ информации, полученной от всех областей контроля, в которых установлены датчики типов ВОДД-1 и ВОДД-2.

Волоконно-оптический датчик внутреннего крепления (ВОДД-1)

Принцип действия ВОДД-1 изложен в №№ 3, 5 «Технологии строительства» за 2005 г. Принципиальная схема датчика представлена на Рис.2. Здесь величина деформации объекта контроля ε равна ΔL, где ΔL — величина изменения линейного размера датчика при нагрузке. При этом геометрические и физико-механические параметры корпуса датчика рассчитаны и доработаны таким образом, что ΔL = Δz, где Δz — приращение расстояния между торцом вмонтированного в корпус световода и зеркалом, отражающим поток света, идущий от излучателя. Регистрируемая величина интенсивности обратно отраженного светового потока имеет линейную зависимость от величины z. В результате величина интенсивности отраженного светового потока I, преобразованная фотоприемником в электрическое напряжение U, после обработки с помощью специальной программы, дает величину деформации ε. По изложенному алгоритму определяется искомая величина деформации элемента строительной конструкции при текущих нагрузках.

Волоконно-оптический датчик внешнего крепления (ВОДД-2)

Волоконно-оптический датчик внешнего крепления устроен следующим образом (Рис. 3). Жестко закрепленные пластины на расстоянии L определяют контролируемую базу элемента строительной конструкции, который испытывает деформации при нагрузках. Между пластинами находится стальной стержень, один конец которого зафиксирован на одной жестко закрепленной пластине, а другой упирается в одну из обжимных пластин. Другая обжимная пластина зафиксирована на другой жестко закрепленной пластине. Между обжимными пластинами расположен упругий преобразователь с намотанными на него N витками световода. Упругий преобразователь имеет возможность сжиматься и разжиматься под действием обжимных пластин вследствие нагрузок.

Последовательность регистрации деформаций следующая. Элемент конструкции подвергается нагрузке и деформируется (сжимается или растягивается) в направлении, вдоль которого закреплен стальной стержень. Стержень одним концом жестко закреплен на строительном элементе, а другим упирается в правую (Рис.3) обжимную пластину. Поэтому при сжатии объекта контроля стержень давит на эту обжимную пластину и тем самым сжимает упругий преобразователь, или — при растяжении объекта контроля — оттягивает обжимную пластину и растягивает упругий преобразователь.

На Рис. 7-9 представлены данные контроля усилий в пилонах с помощью трех датчиков ВОДД-1 в сравнении с данными проектных расчетов по мере возведения этажей дома (Раздел «Новости», Установка системы мониторинга на базе волоконно-оптических датчиков). Достаточно удовлетворительное соответствие данных измерений и расчета свидетельствуют о том, что представленный вариант системы мониторинга на базе волоконно-оптических датчиков — не только качественный научно-технический продукт, но и надежный, точный и стабильный инструмент контроля напряженно-деформированного состояния реальных строительных конструкций.