Практические задачи по

Для создания систем мониторинга фасадных конструкций возможна разработка волоконно-оптических сенсорных систем, конкретно ориентированных на задачи, поставленные инженерами-строителями. В этом случае разумно пользоваться специально созданной системой мониторинга на базе амплитудных волоконно-оптических датчиков, а не применять приборы широкого спектра возможностей. В результате пользователи системы мониторинга фасадных конструкций будут иметь инструмент, контролирующий только заданные параметры с необходимой точностью, обладающий разумной ценой.
В качестве варианта рассмотрим фасад, облицованный плиткой (рис. 1).

 

 

Установка волоконно-оптического датчика перемещений и деформаций возможна как при монтаже фасада, так и на эксплуатируемую конструкцию. Поскольку фасад состоит из определенного количества плиток, то в качестве базового объекта контроля уместно выбрать одну из них. Плитка может иметь два варианта аварийного события: смещение вследствие ослабления кронштейна или деформация самой плитки и, как результат, зарождение или развитие трещины по её поверхности. Естественно, возможен вариант сочетания этих ситуаций (наложение или суперпозиция аварийных событий). Для отслеживания этих ситуаций достаточно иметь датчик в виде многоканального оптического тестера, световоды которого приклеены к поверхности контролируемой плитки. Выбрав топологию размещения световода на плитке, мы получим датчик деформаций (рис. 2). Для определения относительного смещения нужно приклеить два световода - один в горизонтальном, а другой в вертикальном направлении так, чтобы помимо контрольной плитки, световод был приклеен к ближайшим соседним (рис. 3).
Принцип действия датчиков деформаций и перемещений основан на контроле оптической мощности светового излучения, посылаемого источником и пропускаемого через световод. Измеритель оптической мощности позволяет фиксировать выходное напряжение преобразованного оптического сигнала, в зависимости от степени деформации или смещения контролируемой плитки.
В итоге датчик, при наличии недопустимого отклонения от проектного положения, сигнализирует об аварийном событии, поскольку имеет место уменьшение выходного напряжения ниже пределов, соответствующих безопасным условиям эксплуатации.
Сказанное относится как к датчику перемещений, так и к датчику деформаций, которые могут контролировать любые другие элементы фасадной системы.
Простота и легкость организации системы мониторинга деформаций и перемещений элементов фасада сочетаются с точностью фиксации начала аварийного события. Учитывая тот факт, что оптический световод обладает высокими прочностными качествами и повышенной чувствительностью к изменению своих геометрических размеров и форм (в случае растяжения или сжатия, появления микроизгибов, микротрещин и разрывов), предложенный датчик на базе оптического тестера дает недорогой и качественный инструмент мониторинга.
В случае необходимости система контроля может быть модифицирована на любые другие фасады. При этом оптическое волокно приклеено по всей поверхности фасада с максимальным охватом зоны контроля (рис. 4). Подобная методика позволит применять более сложные, но существенно более чувствительные интерферометрические схемы. В этом случае диагностика состояния волоконного световода осуществляется, как правило, с помощью различных типов рефлектометров, позволяющих анализировать разновидности обратно рассеянного в световоде излучения: Релеевского, Рамановского и Бриллюэновского.

Экспериментальные исследования

В НИиППЛ МГСУ намечена и последовательно проводится программа экспериментальных исследований, ориентированная на исследования волоконно-оптических и пьезокерамических датчиков в качестве элементов системы мониторинга строительных конструкций.
В рамках этого этапа цементно-песчаные призмы с заложенными отрезками световодов различных конфигураций и топологии закладки подвергались нагрузкам в прессе. Контроль оптической мощности светового излучения, пропускаемого через световод, позволял фиксировать выходное напряжение преобразованного оптического сигнала, в зависимости от степени нагрузки на испытуемый образец.
Проведенные испытания однозначно свидетельствуют о необходимости и возможности построения эффективных систем строительного мониторинга на базе этих измерительных систем. В частности, при исследовании волоконно-оптических датчиков основные вопросы первого цикла испытаний базовой программы были сформулированы следующим образом.
1. Определение оптимальных физических и структурных параметров световода как измерительного элемента.
2. Определение топологии и способа закладки световода для достижения максимальной чувствительности к нагрузкам.
3. Влияние защитной оболочки световода на его чувствительность к нагрузкам.
4. Влияние микроизгибов световода на его чувствительность к нагрузкам.
5. Измерение пропускательной способности световода, расположенного, в основном, в срединной части призмы, с целью устранения влияния неравномерного профиля нагрузки вблизи поверхности образца (иллюстрация принципа Сен-Венана).
6. Определение различий в измерении нагрузок на призму при горизонтальном и вертикальном положении образцов в рабочей части пресса.
7. Определение нагрузки, соответствующей началу изменения мощности излучения, в процентах по отношению к максимальной нагрузке.
Анализ полученных результатов свидетельствует о перспективности выбранного направления и дает богатый материал для разработки волоконно-оптической системы мониторинга состояния железобетонных конструкций в строительстве.
Дальнейшее направление исследований целесообразно сконцентрировать в следующих областях:
-использование различных конфигураций закладки световодов;
-испытания реальных образцов ЖБИ;
-испытания других материалов, входящих в состав строительных элементов: металл, кирпич, пластик;
-контроль напряженно-деформированного состояния при внешнем закреплении световодов на поверхности образцов;
-испытание различных типов световодов для достижения наилучшего сочетания следующих свойств:
-чувствительность к малым нагрузкам,
-прочность при линейном растяжении/сжатии;
-применение рефлектометрии;
-использование регистрирующей аппаратуры, фиксирующей, кроме нагрузки, температуру, линейный ход пластины пресса и т.д.;
- использование в проведении экспериментов других датчиков наряду с волоконно-оптическим световодом;
- испытания образцов не только на сжатие, но и на растяжение.

Заключение

Актуальность создания систем строительного мониторинга диктуется самой жизнью, если учесть соотношение темпов роста, увеличения нестандартных проектных решений и количества аварий в строительстве. Развивать строительную индустрию без инструментов качественного и оперативного контроля сегодня становится невозможным. Разработчика строительного мониторинга будет решать следующие вопросы:
- теоретические и нормативные обоснования механизма строительного мониторинга;
- построение оптимальной технико-экономической модели строительного мониторинга;
- разработка эффективных контрольно-измерительных систем;
- технологическое обеспечение внедрения строительного мониторинга в практику.
По вопросам строительного мониторинга в НИиППЛ "ПиК" МГСУ ведутся постоянные исследования, некоторые материалы которых представлены выше. Перспективы этих исследований включают в себя дальнейшее изучение теоретических и практических аспектов строительного мониторинга.

По материалам информационного научно-технического журнала "Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века".
Дополнительная информация - (095) 231-44-55.
e-mail:ivanov@stroymat21.ru