Датчики для мониторинга

Термин "МОНИТОРИНГ", под  которым понимается регулярный (постоянный) контроль изменений в со­стоянии  зданий, применяется достаточно широко, но суть его трактуется и реализуется по-разному. 

Участившиеся случаи катастроф и  разрушений жилых домов и сложных со­оружений заставляют обратить особое внимание  на кон­троль состояния существующих зданий, строительство новых объектов и  организацию их мониторинга. 

Инструментальный мониторинг строительных  конструкций и оснований зданий может проводиться в 4-х взаимно независимых  направлениях: 

1)      Геодезические измерения. Выполняются  как с помощью традиционной нивелировки, так и с использова­нием современных  цифровых датчиков, спутниковых GPS-технологий, возможно лазерное сканирование  объекта. Данные методики позволяют определять перемещение объекта (здания или  отдельных его частей) в пространстве, в том числе, измерять осадки и крены.  Получаемые данные соответствуют состоянию на момент измерений, т.е. для  получения достоверной информации о динамики поведения объекта требуются  постоянный измерения;
2)      Инженерно-геологические наблюдения состояния грунтового массива в основании и в окрестности здания. Существует  набор схем как разной трудоемкости и стоимости, так и разной разрешающей  способности и информативности - от измерений в отдельных скважинах до  межскважинного просвечивания (вплоть до получения 3-х мерного томографического  изображения). В зависимости от выбора датчиков, можно вести мониторинг  дифференциальных (послойных) или суммарных осадок грунтов основания, уровня  воды, порового давления в породах (параметра, используемого в расчетах за  рубежом).   Помимо  скважин,  важную информацию получают  при размещении под фундаментной плитой сети датчиков давления на грунт, в сваях  - вертикальных нагрузок.
3)      Измерения нагрузок и деформаций   в  конструкциях фундамента и надземной части. 

Комплекс  па­раметров, подлежащих измерению для : 

• усилие на опорных конструкциях осно­вания  и инженерной защиты; 
• нагрузки на элементах жесткости (стяж­ки,  стойки); 
• общая и дифференциальная осадка фундамента; 
• усилия и деформации в бетоне и в ар­матуре  фундамента;
• поверхностные и глубинные смещения грунта.
• усилия и деформации в бетоне и в ар­матуре  несущих элементов;
• смещение несущих элементов, отклоне­ние  от вертикали;
• ротационные движения стенок здания.

Наблюдения  могут вестись в автоматическом режиме и, в том числе, непрерывно;

4)  Сейсмометрические измерения. Схемы  наблюдений разнообразны, включают варианты возбуждения колебаний здания как  искусственными (удары, вибраторы), так и естественными (ветер, микросейсмы)  источниками. Сейсмометрические измерения дают «мгновенную» картину состояния  объекта, наблюдая которую во времени можно получить разнообразную информацию об  особенностях динамики сооружения.

Контроль эксплуатационной безопасности  объекта строительства эффективен, а система мониторинга наиболее оптимальна,  если она создается совместно с архитекторами и проек­тировщиками и максимально  учитывает пара­метры состояния основных элементов конструк­ции. Следует учесть,  что часть датчиков техноло­гически может быть установлена только при  строительстве объекта. Для проектирования системы мониторинга мало определить  пере­чень контролируемых элементов и конструкций, необходимо иметь достоверную  информацию о реально существующих технических средствах, применение которых  позволит проблему решить.

Что  и чем измеряется?

 
• Общая и  дифференциальная осадка фундамента.

Измерение осадки грунта в основании здания имеет основное значение в  геотех­нике и может осуществляться различными инструментальными системами.

Мультибазовые (многоточечные) экстенсометры состоят из одного или  несколь­ких стержней из стали, сплава инвар или стекловолокна, свободно  скользящих внутри защитного кожуха и привязанных к по­гружному анкеру. Стержни  передают на измерительную головку относительное смещение между анкерами и поверхностью.

Оптический контроль осадки головки позволяет определить абсолютную  осадку во всех точках установки, зная показания на стержнях относительного  смещения.

Экстенсометры обычно устанавливают­ся в технологические отверстия,  предусмот­ренные по проекту фундамента, или извне в непосредственной близости  от него.

По  тому же принципу анкеровки и вер­тикально перемещающегося стержня может  использоваться точечный измеритель осад­ки, предназначенный также для оптическо­го  нивелирования.

Возможное использование линейных  электрических датчиков смещения при из­мерениях позволяет применять эти инстру­менты  для автоматического сбора данных.

Другие категории инструментов гори­зонтального  расположения измеряют дифференциальные просадки в интересующих нас точках по  линии фундамента. Осадка в точках замеров соотносится с внешней точ­кой,  которая, следовательно, должна быть фиксированной и в любом случае доступной  оптическому контролю, чтобы иметь воз­можность выводить абсолютную величину  просадки из относительных замеров.

• Усилия и  деформации в бетоне и ар­матуре фундаментов

Для контроля уровня напряжений и де­формаций  в бетоне и в арматуре фунда­ментов предусмотрены тензодатчики с виб­рирующей  струной (струнного типа) и тензометрические штанги. Эти приборы  замеряют удельную де­формацию в точке установки, выраженную электрическим  сигналом; давление вычис­ляется по законам поведения материалов при известных  модулях деформации. Тензодатчики могут быть непосредственно по­гружены  (утоплены) в бетон или приваре­ны к арматуре.

Так же как и для элементов конструкции фундаментов, для стоящих над  землей кон­струкций используются тензодатчики с виб­рирующей струной (струнного  типа) и тен-зометрические штанги, сенсибилизирован­ные с резистивными  тензометрами. Балки, опорные  колонны, перекрытия, стены, каж­дый несущий элемент может быть оснащен при  необходимости тензодатчиками в точ­ках приложения наибольшего усилия.

При  наличии изгибающих моментов любого знака следует устанавливать приборы  (тензодатчики) попарно на внутренней и внешней образующей данного элемента, что  позволяет определить позицию нейтральной оси.

Следует предусмотреть специальные каналы  для прохода кабелей и подготовку подходящего помещения для их централи­зации и  ведения измерений.
В режиме эксплуатации надземной конструкции  измерения предпочтительнее ве­сти в автоматическом режиме многока­нальной  системой при дистанционном контроле. 

• Поверхностные и  глубинные смещения грунта

Если с внешней стороны защитной стен­ки котлована ожидаются заметные  горизон­тальные смещения грунта, необходимо ис­пользование традиционной инклинометрической трубки.

Для дополнения инклинометрических измерений – определения профиля смеще­ния  по вертикальной оси трубки – созданы инкрементарный экстенсометр и стационарные  тензоинклинометры  с датчиками  магнитного поля.

Для работы этих приборов нужно предварительно оснастить  уклонометрическую трубку магнитными кольцами на заранее определенной глубине  (высоте), с шагом дискретизации измерений. Из комбинации тензометрических и  инклинометрических измерений (по деформациям инклинометрической трубки) вычисляется амплитуда смещения грунта в трех пространственных измерениях. 

• Смещения  несущих элементов

В случае двух раздельных элементов, которые способны двигаться  независимо друг от друга, могут использоваться измерители соединений с  электрическим потенциометрическим линейным датчиком на подвижной штанге, в  одноосном и трехосном вариантах.

Перемещения потенциометрической штанги,  равные относительному смещению элементов, преобразуются датчиком в элек­трический  сигнал.

В этом случае тоже следует позаботиться  о том, где будут проходить кабели и о месте для централизации и ведения измерений.

Важным показателем считается также  относительное смещение по горизонтали между вершиной надземной конструкции и ее  основанием. Соответствующим инструментом  контроля здесь является прямой маятник, размещенный в специальной или лифтовой  шахте, состоящий из стального троса, закрепленного вверху (в верхней части  здания) и натягиваемого снизу гирей, колебания которого демпфируются в емкости  с минеральным маслом.

Измерения как в ручном, так и в авто­матическом  режиме, проводимые вблизи от емкости, дают координа­ты троса в локальном плане  (по X–Y).

• Ротационные  движения (наклоны) стен конструкции

Измерения ротационного движения стенок  ведутся с применением поверхност­ных наклономеров, выпускаемых в различных  моделях, различающихся между собой типом и характеристиками датчиков наклона.  Наклономеры устанавливаются в на­стенном положении стационарно, на неподвижных  консолях.

• Поверхностные и  глубинные смещения грунта

Для мониторинга смещения грунта поблизости  от уже существующих зданий, которые затрагиваются земляными работами,  применяется несколько инструментальных систем. Мониторинг относительных смеще­ний  между двумя неподвижными точками на поверхности выполняется ленточным дистанциометром  с ручным снятием показаний.

Дистанциометр состоит из градуированной  стальной ленты, связанной с электронным шаблоном в сотых долях миллиметра,  который натягивается между двумя контрольными (сходящимися) анкерными болтами с  функцией неподвижных точек (по сути это эффективный электронно-механический  аналог топографической мерной стальной ленты).В дальнейшем измеряется  изменение расстояния между болтами, соответствующее относительному смещению.

Глубинные смещения измеряются еще и  многоточечными экстенсометрами. В этом случае приборы должны устанавливаться  на субгоризонтальном уровне и быть направлены в сторону зданий, за которыми  ведется наблюдение.

В грунте по фризу (контуру) наблюдаемых  зданий могут еще устанавливаться вертикальные инклинометрические трубки,  возможно с дополняющими замерами вертикальных деформаций посредством  тензометрического магнитного зонда.

• Смещение  конструкций

Один или несколько оптических отражателей  позволят провести топографическое нивелирование в нужных контрольных точках с  одной базы.

Локальные смещения между независимыми  элементами конструкции исследуются обычными измерителями стыков (однобазовый  измеритель трещин) в одноосном и трехосном вариантах. При наличии трещин в  изделиях, изменение расстояния между краями поврежденного места контролируются  измерителем трещин. Снабженные двумя элементами для стационарного крепления в  перекидку над разломом, измерители трещин могут быть механического или электрического  типа. 

• Коммутация и  снятие показаний

Определив параметры измерений и приборы,  для завершения разработки системы и рабочего плана мониторинга необходимо  установить:

• места  прокладки кабелей (электроприборы);
 
• вид  и конструкцию измерительных систем.

Места прокладки кабелей должны оп­ределяться  так, чтобы обеспечить для них должную степень защиты от различных видов  деятельности на стройплощадке.

В общих случаях приборная установка  должна предусматривать режим физической коммутации (кроссировку), наличие  нескольких распределительных коробок, где соединяются на входе несколько  кабелей, в то время как оттуда выходит один или несколько многожильных кабелей.  Коробки могут быть оборудованы внутри противогрозовыми предохранителями.  Многожильные кабели направляются затем в специальные централизованные пункты,  где терминалы связаны с одной или несколькими измерительными панелями. К  панелям с помощью небольшого кабеля с переключателями подключаются универсальные  измерительные приборы и электронные станции для измерений вручную. Если  количество установленных приборов значительно, с продолжением строительных  работ необходим постепенный переход к автоматическим измерениям, подключая  ранее установленные приборы к одной или нескольким системам сбора данных.

Такие системы позволяют обрабатывать данные сотен приборов, хранить в памяти  большой объем считанного материала и выполнять такие функции, как анализ полученных  величин, установка порогов тревоги, передача на отдаленные центры, управляющие  сетью приборов.