Опыт использования дистанционных систем мониторинга состояния искусственных сооружений

Мосты представляют собой очень важную инфраструктурную основу экономики, поскольку помогают взаимодействовать между собой регионам, территориально разделенным между собой естественными препятствиями, такими как моря, реки, озера, ущелья. Мост представляет собой сложносочлененную линейную конструкцию из множества конструктивных элементов, состоящих из различных материалов. Эксплуатация таких сооружений, кроме работ по очистке проезжей части, покраске конструктивных элементов, водоотведения, требует еще и внимательного постоянного контроля технического состояния несущих конструкций (балок, вант, опор и т.д.). В процессе эксплуатации мосты и путепроводы подвергаются целому ряду эксплуатационных воздействий. Это и динамические нагрузки от проезжающего по проезжей части транспорта, и статические нагрузки от выпадающих осадков, это и коррозионные изменения арматуры.

Важным элементом содержания мостового сооружения является мониторинг состояния его частей и их деформаций, которые имеют место в ходе эксплуатации. Как правило, подобный контроль осуществляется специалистами только путем визуального осмотра и локального непостоянного применения измерительного оборудования. Визуальный контроль не всегда эффективен, поскольку не исключает человеческий фактор. Специалисты, полагаясь на свой опыт, часто неправомерно «закрывают глаза» на те или иные деформации несущих элементов пролетных строений. Так, международным сообществом исследователей состояния строительных сооружений выявлено ненадлежащее состояние мостов даже в благополучной Европе, где около 10% конструкций мостов имеют значительные серьезные дефекты, требующие срочного устранения, а в некоторых случаях и реконструкции всего сооружения. В ходе масштабного исследования, проводимого в 2005 году мировыми специалистами в области мостостроения, было установлено, что около 250 тысяч действующих в мире мостов, требуют безотлагательного обследования и постоянного мониторинга состояния конструкций.

Эксперты пришли к выводу, что на современном этапе одной из самых важных задач задач является разработка и внедрение постоянно действующей технической системы, позволяющей в автоматическом режиме проводить сбор, систематизацию, хранение и анализ данных о контролируемых элементах сооружения в процессе эксплуатации. Помимо этого, мониторинг мостов с высотой пилонов более ста метров необходимо  проводить уже во время строительства, так как по мере возведения эти конструкции начинают испытывать значительные нагрузки от ветра, нарастающего собственного веса и от изменения температуры.

Начиная с 2017 года, сенсорная смарт-система мониторинга состояния мостов, интегрируется строителями практически во все крупные инженерные и архитектурные конструкции и сооружения США. К этому решению власти страны шли почти десятилетие. Главной причиной повсеместного внедрения сенсоров в строительные конструкции явилось обрушение моста «35W» в штате Миннесота, которое произошло немногим более десяти лет назад.

Система удаленно следит за важными параметрами, отражающими реальное состояние частей строительных конструкций. От сенсоров не укроется ни одна деталь – от состояния и качества дорожного покрытия и бетона, до уровня «стресса», оказываемого на конструкции и сооружения факторами внешнего воздействия.

На фото: один из сенсоров, монтируемых в железобетонную плиту при ее изготовлении, которые обеспечивают постоянный дистанционный мониторинг работы изделия в составе мостового сооружения (штат Минесота, США).

Новый восстановленный мост в Миннесоте, который теперь называется «I-35W», оснащен самой наисовременнейшей «state-of-the-artsmartbridge» - технологией, беспрестанно следящей за поведением моста в реальном времени. «Кроме того, эта технология позволяет осуществлять моментальную обратную связь между конструкцией и службами, контролирующими все жизненно важные инженерные и технические системы, и быстро принимать соответствующие решения», - сообщил представитель инженерной компании «Figg Engineering Group», занимающейся внедрением в практику строительных инноваций.

Компания «Figg Engineering Group», опираясь на практические примеры, разработала уникальную сенсорную контрольную систему совместно с Министерством транспорта Миннесоты. «Первоначально мы намеревались установить сенсоры на мосту для того, чтобы иметь более широкое представление о том, как ведет себя мост во время эксплуатации. Нам нужно было понять, правильно ли мы предусмотрели во время проектирования все возможные факторы внешнего воздействия на конструкцию. Но в дальнейшем сама жизнь подсказала нам о дополнительных преимуществах, которые мы можем извлечь из этой системы мониторинга», - сказал Бен Джилк, главный инженер Министерства транспорта Миннесоты.

Таким образом, обычная строительная конструкция превращается в объект с интеллектуальной системой мониторинга, которая следит за всеми жизненно важными параметрами, такими как температура составных элементов, степень отклонение элементов от заданных параметров, а также учитывает любые внешние воздействия и стрессы. Сенсоры, размещенные внутри бетонных оснований, измеряют эксплуатационную нагрузку, движение и температуру, в то время как другие сенсоры, размещенные на внешних элементах конструкций, следят за вибрацией и другими факторами внешней среды.

Для всестороннего изучения эксплуатационных свойств строительных конструкций Министерство транспорта Миннесоты объединилось с научными кадрами университета «The University of Minnesota – Twin Cities». Ученые имеют доступ ко всей информации, получаемой с сенсоров для всестороннего анализа всего, что происходит с мостом в настоящем времени и в реальной ситуации.

На рисунке: Интерфейс непрерывного мониторинга моста «Коммодор Джон Бэрри» (США) в реальном времени. Верхнее левое окно этого интерфейса дает возможность при необходимости затребовать любой из имеющихся 500 каналов поступления данных от моста и рассматривать их в режиме реального времени.

Штат Пенсильвания с недавних пор также начал использовать похожую технологию. Наблюдательная сенсорная система встроена в мост «I-81 Wade Bridge». За последние годы этот мост подвергся значительной реконструкции, на которую было израсходовано $42 млн. долларов. «Как часть недавнего проекта реконструкции наблюдательное оборудование было установлено на мост, чтобы следить за оснащением бетонных конструкций и частями составляющих структур.

«Пока мост «The Wade Bridge» является единственным в штате полностью покрытым мониторингом мостом, но в дальнейшем мы собираемся охватить подобными смарт-системами все моты Пенсильвании», - сказал Ян Хазвар, пресс-секретарь пенсильванского министерства транспорта.

«Сейчас в США подобными системами оснащаются не только автомобильные мосты, вокруг и рядом сенсорными системами мониторинга оснащаются и железнодорожные мосты, а также высотные здания и крупные сооружения. За последние два года мы наблюдаем значительное техническое перевооружение железных дорог, где значительное место уделяется сенсорному мониторингу всех железнодорожных технических сооружений», - заявил Волт Блессер, президент мониторинговой компании «Sensr».

Среднийсрок эксплуатации автомобильного моста в США равен, примерно 42 годам (в соответствии с Федеральной администрацией дорог США). Железнодорожные мосты эксплуатируются гораздо больший период времени, в соответствии с информацией, распространяемой Американской ассоциацией железных дорог. «Когда речь заходит о железнодорожных мостах, их большой возраст можно считать преимущественным активом, т.к. старые мосты были сконструированы для гораздо более тяжелых составов, нежели те, которые эксплуатируются сейчас, но, тем не менее, следить за мостами необходимо в целях безопасности людей», - высказался по этому поводу представитель Ассоциации.

Современный мониторинг дает министерству транспорта очень важную информацию для понимания и осмысления будущих строительных проектов. А значение сенсорной технологии в деле оперативного обнаружения и устранения дефектов конструкций и сооружений, которая становится преимущественной для обеспечения безопасной эксплуатации, вообще невозможно переоценить, по мнению ведущих архитекторов, инженеров и строителей Соединенных Штатов.

В России существует свой опыт дистанционного мониторинга состояния искусственных сооружений. Вопросы применения комплексного мониторинга строящихся мостов начали обсуждаться в нашей стране с 2010 года. ООО «Фирма Г.Ф.К.»,которая более 20 лет занимаясь внедрением современных геодезических технологий в России, реализовала ряд важных проектов по внедрению деформационного мониторинга на основе различного измерительного оборудования, например:мониторинг комплекса высотных зданий «Москва-СИТИ» в 2007–2009 году, мониторинг несущих конструкций Ледового дворца в Крылатском, город Москва, в 2007–2008 году, мониторинг Алабяно-Балтийского автодорожного тоннеля на Ленинградском шоссе в 2008–2009 годах.

«Фирма Г.Ф.К.» совместно с ОАО «Русгидро» внедряет Экспериментальную комплексную систему деформационного мониторинга на таких гидротехнических сооружениях, как Бурейская ГЭС, Саяно-Шушенская ГЭС, Богучанская ГЭС.

По мнению специалистов компании, автоматизированная система мониторинга мостов должна быть комплексной и развиваться с момента начала строительства сооружения. На первом этапе стройки должна быть создана современная геодезическая инфраструктура, включающая разбивочную основу и спутниковые базовые станции, которые транслируют различные дифференциальные поправки. Примостовое планово-высотное опорное обоснование должно быть увязано со спутниковыми базовыми станциями, которые, в свою очередь, должны быть привязаны к пунктам государственной геодезической сети с вычислением параметров трансформации координат в различные системы координат.

Среди отечественных программ мониторинга выделяется система «СТКМ-ИС», разработанная НИИ мостов в городе Санкт-Петербург. На основе этой системы создан принцип мониторинга состояния пролетных строений мостов. Данная система предназначена для получения информации о напряжениях, возникающих в мостовых и других сооружениях в процессе эксплуатации и испытаний. Результаты передаются в цифровом и графическом виде на пульт управления, который расположен непосредственно на объекте. Система совместима с различными типами датчиков напряжений, температуры, перемещений, отклонений и прогибомерами. Вся информация передается на ЭВМ пользователя для дальнейшей обработки.

Схожая система контроля разработана также ВНИИ транспортного строительства и Сибирским Государственным Университетом путей сообщения. В этой система инновационной является лазерный прибор для измерения угловых перемещений объекта, сконструированный ВНИИ транспортного строительства. Этот уникальный прибор состоит из двух блоков: лазерного передатчика и линейки фотоприемников. По команде лазера фотоприемник определяет мгновенное значение наклона луча в вертикальной плоскости и горизонтальное смещение относительно этой плоскости.

Санкт-Петербургским Техническим Университетом на основе метода рентгеновской тензометрии создано устройство для рентгенографического определения напряжений (ТРИМ). В основе метода лежит измерение деформации поликристаллического материала при помощи дифракции рентгеновских лучей.

Опыт использования дистанционных систем мониторинга состояния несущих элементов искусственных сооружений в России только набирается. По мнению специалистов, данное направление является очень перспективным и найдет применение как на вновь возводимых искусственных сооружениях, так и на давно построенных.