MONOLITICKÝ ŽELEZOBETONOVÝ KOMÍN_MLADÁ BOLESLAV - DYNAMICKÁ CHARAKTERISTIKA NOSNÉ KONSTRUKCE METODOU BRIMOS

Transkript

1 MONOLITICKÝ ŽELEZOBETONOVÝ KOMÍN_MLADÁ BOLESLAV - DYNAMICKÁ CHARAKTERISTIKA NOSNÉ KONSTRUKCE METODOU BRIMOS INDUSTRIAL, MONOLITICAL COMPOSITE CHIMNEY ŠKOENERGO CURRENT CONDITION ASSESSMENT & EVALUATION WITH BRIMOS Dipl. Ing. Robert Veit (PhD Candidate) VCE - Vienna Consulting Engineers Holding s.r.o, Hadikgasse 60, A-1140 Víde, Rakousko Tel.: , Fax.: , veit@vce.at ; Ing. Zdnek Jeábek, Csc. INFRAM a.s, Pelušková 1407, CZ Praha 9 Kyje, eská Republika Tel.: , Fax.: , jerabek@infram.cz ; Anotace: Pedmtem píspvku je úvodní mení dynamické charakteristiky monolitického železobetonového komínu (výška 200m) metodou BRIMOS na areálu firmy ŠKO- ENERGO. Úelem mení je vyhodnocení celkového stavu, ovení souasné funknosti, kontrola bezpeného užívání vzhledem k zaruení únosnosti, provozního stavu a odolnosti prmyslového komínu. Vedle toho je plnn i úel detekce a lokalizace neviditelných poruch a vyhodnocuje se i vliv známých poruch. Výsledky slouží jednak jako báze pro porovnání s teoretickými dynamickými parametry a na druhé stran jako báze pro porovnání s následujícími (budoucími) meními. Mrení podporuje již zahájený proces rozhodování pi plánování investiv s ohledem opatení k údržb a sanaci. Anotation: The industrial, monolitical composite chimney (reinforced concrete, masonry for heat isolation purposes), is located on the premises of ŠKO-ENERGO and has a total height of 200m. In the course of the prevailing monitoring campaign, the global condition of maintenance (the structure s integrity) as well as the load bearing capacity were determined by means of BRIMOS. Along with the conventional bridge assessment this investigation supported determination and location of potential problem zones based on the structure s measured vibration behaviour. Additionally and for enhanced assessment purposes, a Finite Element analysis was performed. These investigations strongly support the decision process of bridge owners in the course of cost planning for maintenance and possible rehabilitation measures. 1. ÚVOD Vyhodnocení celkového stavu, ovení souasné funknosti a kontrola bezpeného užívání pedstavují dležitý aspekt pi zaruení únosnosti, provozního stavu a odolnosti prmyslových komín. Pro tento úkol se v souasné dob dodaten k manuální a vizuální inspekci (lokální diagnostika) používá i nedestruktivní diagnostika mením dynamické charakteristiky nosné konstrukce (globální diagnostika - celkový stav struktry). Vedle 1

2 hlavního úelu detekce a lokalizace poruch se vyhodnocuje i dslednost známých poruch. Diagnostika je provedena na základ metody BRIMOS (BRIdge MOnitoring System) firmy VCE, která je založená na snímání a vyhodnocování dynamických charakteristik. Stav nosné konstrukce a jeho pípadná zmna se totiž projevuje v tzv. relevantních modálních parametrech. Tímto mením je možné identifikovat poruchy nosné konstrukce již mnohem díve, než jsou viditelné. Základy metody a široké spektrum jejího využití bylo v R již pedstaveno v [2] - stedem zájmu provozovatel i investor jsou vtšinou mostní objekty. Metoda byla pvodn vyvinuta pro nedestruktivní dynamickou diagnostiku chování most. Spektrum možností užívání systému BRIMOS pro rzné przkumy a vyhodnocení se mezitím dále rozšíilo. Technologie byla už také úspšn aplikována na výškových domech, prmyslových komínech a budovách atd. Na rozdíl od metody vynuceného podntu je technologie BRIMOS vždy užívána bez narušení provozu a bez použití nákladných budi kmitání. Podnty pro rozkmitání komínu jsou v tomto pípad zpsobeny výhradn vlivy prostedí (=ambientní píiny, napíklad provoz komínu a vítr). 2. ÚEL MENÍ A JEHO PROVEDENÍ Pedmtem píspvku je úvodní mení dynamické charakteristiky monolitického železobetonového komínu metodou BRIMOS na areálu firmy ŠKO-ENERGO, zásobovatele firmy ŠKODA AUTO elektrickou energií a zásobovatele msta Mladá Boleslav teplem. Komín slouží odvodu spalin z kotelny (Obr. 1). Konstrukce má výšku 200m a tvar komolého kužele (zúžení vnjšího polomru ze 7,53 m na 3,62 m). Píný ez ukazuje složenou konstrukci sestavenou ze železobetonové stny, ochranného pouzdra (z kameninových komínovek) a tepelné izolace (z pálených kemelinových cihel), jehož tlouška se také postupn zužuje. Komín byl postaven v roce Úelem mení je vyhodnocení celkového stavu, ovení souasné funknosti, kontrola bezpeného užívání vzhledem k zaruení únosnosti, provozního stavu a odolnosti prmyslového komínu. Pro tento úkol byla aplikována nedestruktivní diagnostická metoda BRIMOS mením dynamické charakteristiky (globální diagnostika - celkový stav konstrukce). Vedle toho je plnn i úel detekce a lokalizace neviditelných poruch a vyhodnocuje se i vliv známých poruch. Dodaten byl zhotoven analytický model nosné konstrukce metodou konených prvk a ureny modální parametry. Porovnání výsledk analytického výpotu s mením podporuje vyhodnocení celkového stavu. Výsledky slouží jednak jako báze pro porovnání s teoretickými dynamickými parametry a na druhé stran jako báze pro porovnání s následujícími (budoucími) meními. Mrení podporuje již zahájený proces rozhodování pi plánování investiv s ohledem opatení k údržb a sanaci. Mení prmyslového komínu bylo provedeno 05.íjna 2005 BRIMOS em (verze 08.06) firmou VCE za pomoci mícího rastru pti trojrozmrn mících senzor zrychlení, které byly rozmístny na ochozech, soubžn s osou komínu - výškový rozdíl ca. 35m (Tab. 1 & Obr. 2). Výchozí situace vyžadovala koncepci mení ve dvou etapách, proto bylo nutné posunout pouze jeden senzor zrychlení (z ochozu. 5 na ochoz. 4). Zbývající mící rastr zstal ve své pvodní konfiguraci (Tab. 1). 2

3 Obr. 1) Monolitický železobetonový komín ŠKO-ENERGO (výška 200m) Obr. 2) Sestavení mícího rastru BRIMOS podél osy komínu Tab. 1 uruje pidlování namených a vyhodnocených soubor k jednotlivým konfiguracím. Tab. 1: Rozmístní mícího rastru na stavební konstrukci (z BRIMOS Software) 3. VYHODNOCENÍ A VÝSLEDKY S pomocí trojrozmrn mících senzor je možné jednoznan urit dynamickou charakteristiku nosné konstrukce v podélném a v obou píných smrech. Vyhodnoceno bylo 3

4 mení za ambientních podmínek (vlivy prostedí), tj. vítr a normální, neomezený provoz. Za použití takzvaného referenního senzoru, který stál bhem celého mení na 3. ochozu (výška = 97,50 m), bylo možné zvážit i vliv stídavé intenzity vtru a provozu na mená data a tím i na výsledky pi vyhodnocení. Obr. 3) Typický signál zrychlení, všechny mící kanály Výpoet byl proveden speciálním software, který byl vyvinut firmou VCE pro vyhodnocení mení na mostních objektech a který poskytuje stanovení následných parametr: 3.1. Vlastní frekvence - Frekvenní analýza (podle BRIMOS ) Frekvenní analýza mících soubor identifikuje v signálu obsažené harmonické, opakující se kmitání, vyjádené základním a následujícími vlastními frekvencemi, které reprezentují dynamicky úinnou tuhost systému. Obr. 4) Hrubé spektrum píných smr X & Y 4

5 Obr. 5) Vyladné spektrum píných smr X & Y Výsledky mení ukazují výraznou dynamickou odezvu za daných podmínek (daná intenzita podntu vtrem). Nízké, dlouhovlnné vlastní frekvence lze identifikovat již v hrubých spektrech namených signál. Tento fakt indikuje potvrzení plánované funknosti mené nosné konstrukce v obou vyhodnocovaných hlavních, píných smrech. Prostednictvím základního mení ve spojení s budoucími, následujícími meními je možné získávat pesné údaje o vývoji stavu a chování komínu v píštích letech. V souvislosti se životností a závisle na etnosti mení lze vytvoit takzvaný trend frekvenních spekter, který pak mže sloužit jako další doklad o rozvoji a psobení trhlin a poruch na dynamickou tuhost konstrukce v asovém úseku provedených mení. Pi urité etnosti mení je možné sestavit pedpov o vývoji stavu a odolnosti komínu v budoucnosti. Pro budoucí kontrolu komínu (monitorováním) s ohledem na vliv otvírajících se trhlin by se parametr vlastních frekvencí musel ovit pod vlivem silného vtru, ímž by bylo možné kvantifikovat dynamickou psobivost relevantních míst (výrazné trhliny i poruchy) Tvary kmitotu Pro identifikaci dominantní vlastní frekvence se z mených dat urují píslušné tvary kmitotu. Tyto tvary kmitotu indikují, jak zkoumaná konstrukce za pozorované frekvence kmitá a z toho velice dobe vyplývá funknost, stav a charakteristika systému. Tímto parametrem se ovuje v oblasti nízkých, dlouhovlnných základních frekvencí, jestli jsou aktuální podmínky uložení stejné, jako byly pvodn. Dodaten lze nalézt vysoce namáhané ásti konstrukce (vysoké zakivení). V pípad tohoto mení odpovídají vyhodnocené hodnoty charakteristickým, pro tuto konstrukci oekávaným tvarm kmitotu. Výrazné tvary kmitotu z mechanického hlediska obvykle indikují uspokující stav. Následující obrázky ukazují nápadné rozdíly mezi pomry 5

6 kivek v píných smrech X a Y. Píinou je hlavn rozdílná geometrie ve jmenovaných smrech (zaústní kouovod do díku dvma otvory ve smru X viz kapitola 4). 4,00 4,00 4,50 4,50 4,00 4,00 Obr. 6) První tvar kmitotu; smr X (vlevo) & smr Y (vpravo) -2,50-2,50-2,50-2,50 Feld 1 Feld 1 Obr. 7) Druhý tvar kmitotu; smr X (vlevo) & smr Y (vpravo) 5,50 5,50 5,00 5,00 4,50 4,50 4,00 4,00-2,50-2,50-3,00-3,00-3,50-3,50-4,00-4,00 6,00 6,00 5,50 5,50 5,00 5,00 4,50 4,50 4,00 4,00-2,50-2,50-3,00-3,00-3,50-3,50-4,00-4,00 Obr. 8) Tetí tvar kmitotu; smr X (vlevo) & smr Y (vpravo) -2,50-2,50 Obr. 9) tvrtý tvar kmitotu; smr X (vlevo) & smr Y (vpravo) 6

7 3.3. Analýza intenzity kmitání (podle BRIMOS ) Vysoké dynamické zatížení podporuje proces únavy nosných konstrukcí. Kmitací intenzita indikuje vnesení energie do konstrukce, vyvolané zvýšeným zatížením. Intenzita kmitání vyplývá z porovnání mených frekvencí kmitající konstrukce se zárove vznikajícími prhyby za neobvyklých podmínek. Tento parametr je uren stanovením maximální hodnoty kmitací amplitudy za urených vlastných frekvencí a zapsán do diagramu, kterým se uruje stupe ohrožení dané stavební souásti. Proto je kmitací intenzita pomocným prostedkem k nalezení míst, ohrožených únavou materiálu. Obvykle jsou za vyšších vlastních frekvencí pípustné menší prhyby. Pekroí-li prhyby mezní hodnotu, lze oekávat možnou poruchu nosné konstrukce i stavební souásti vibraním namáháním. Intenzita kmitání se vždy rozdluje do ty kategorií, od malé pravdpodobnosti poškození dynamickým namáháním (kategorie I) až k velice vysoké pravdpodobnosti poškození (kategorie IV) Amplitude I III II IV 6.4 mm²/s² 64 mm²/s² 2000 mm²/s² 1.EF 2.EF 3.EF 4.EF 5.EF 6.EF 7.EF 8.EF 9.EF 10.EF Amplitude I III II IV 6.4 mm²/s² 64 mm²/s² 2000 mm²/s² 1.EF 2.EF 3.EF 4.EF 5.EF 6.EF 7.EF 8.EF 9.EF 10.EF Frequenz Frequenz Obr. 10) Kmitací intenzita; smr X (vlevo) & smr Y (vpravo) Intenzita kmitání za daných podmínek bhem našeho mení je zaazena do kategorie I. Bezprostední ohrožení ve smyslu náhlé únavové poruchy zpsobené trvale vysokým, dynamickým zatížením - lze vylouit. Pro budoucí kontrolu komínu (monitorováním) s ohledem na únavové poruchy by se hodnota stejného parametru musela ovit pod vlivem silného vtru, ímž by bylo možné kvantifikovat dynamickou psobivost relevantních míst Analýza tlumení Analýza tlumení dobe indikuje celkový stav konstrukce i hlavních stavebních souástí. Pro každou nalezenou relevantní frekvenci se vypoítává parametr tlumení, který nám lokalizuje místa, kde je kmitací energie dissipována (ztráta energie), což se projeví ve zvýšených hodnotách. Tlumení je hlavn ovlivnné pohybem trhlin (tení) nebo poruchami v nosné konstrukci. Proto se tlumení uruje pes celou konstrukci v každém bod mícího rastru. Parametrem tlumení je nejen analyzována aktivita viditelných trhlin, ale jsou detektovány i další, doposud ješt neviditelné poruchy. Przkumy na meném objektu pedstavují zvláštní pípad, jejich výsledky vyžadují zvláštní interpretaci. Napíklad jsou - na rozdíl od mostních objekt - stejnomrn pes celou konstrukci obdržené zvýšené hodnoty tlumení (obzvláš v oblasti vetknutí) dsledek statické soustavy (systémový útlum) a neovlivují zhodnocení stavu meného objektu. 7

8 Z vyhodnocení vyplývající kivky pehledu tlumení pes celou konstrukci potvrzují dominantní vliv systémového útlumu. Zvýšené hodnoty, zpsobené dissipací energie, pohybem trhlin i poruchami zjištny nebyly. Protože se kivka tlumení v oblasti vetknutí asymptoticky rozvíjí smrem k nekonenu, byla na tento údaj k názornému zobrazení stanovena mezní hodnota 20%. Pro budoucí kontrolu komínu (monitorováním) by se i kivka parametru tlumení musela ovit pod vlivem silného vtru, ímž by bylo možné kvantifikovat dynamickou psobivost relevantních míst (výrazné trhliny i poruchy). Dämpfung in % ,00 21,00 20,50 20,50 20,00 20,00 19,50 19,50 19,00 19,00 18,50 18,50 18,00 18,00 17,50 17,50 17,00 17,00 16,50 16,50 16,00 16,00 15,50 15,50 15,00 15,00 14,50 14,50 14,00 14,00 13,50 13,50 13,00 13,00 12,50 12,50 12,00 12,00 11,50 11,50 11,00 11,00 10,50 10,50 10,00 10,00 9,50 9,50 9,00 9,00 8,50 8,50 8,00 8,00 7,50 7,50 7,00 7,00 6,50 6,50 6,00 6,00 5,50 5,50 5,00 5,00 4,50 4,50 4,00 4, Dämpfung in % ,00 21,00 20,50 20,50 20,00 20,00 19,50 19,50 19,00 19,00 18,50 18,50 18,00 18,00 17,50 17,50 17,00 17,00 16,50 16,50 16,00 16,00 15,50 15,50 15,00 15,00 14,50 14,50 14,00 14,00 13,50 13,50 13,00 13,00 12,50 12,50 12,00 12,00 11,50 11,50 11,00 11,00 10,50 10,50 10,00 10,00 9,50 9,50 9,00 9,00 8,50 8,50 8,00 8,00 7,50 7,50 7,00 7,00 6,50 6,50 6,00 6,00 5,50 5,50 5,00 5,00 4,50 4,50 4,00 4, Obr. 11) Pehled tlumen; smr X (vlevo) & smr Y (vpravo) 4. POROVNÁNÍ MENÍ VÝPOET Dodaten byl zhotoven analytický model nosné konstrukce metodou konených prvk s pomocí Software RFEM a ureny modální parametry. Porovnání obdržených výsledk analytického výpotu s mením podporuje vyhodnocení celkového stavu. Obr. 12) Generovaná výpoetní sí element V rámci výpot byly vytvoeny dva mezní modely: 8

9 1) Konstrukci se pipisuje, že v ní psobí dokonalé spojení mezi železobetonovou a dvouvrstvou vyzdívkou. Komín je modelován jako jednovrstevný nosník (beton B250) s ideální tlouškou a ideální hmotností. Z dvod neúplné dokumentace projektu bylo nutno stanovit urité pedpoklady vzhledem k parametrm materiálu vyzdívky. 2) Konstrukci se pipisuje, že v ní nepsobí vbec žádné spojení mezi železobetonovou a dvouvrstvou vyzdívkou. Ochranné pouzdro (z kameninových komínovek) a tepelná izolace (z pálených kemelinových cihel) psobí jako dodatená liniová hmota podél železobetonových konsolek, na kterých jsou vyzdny. Hlavní charakteristika konická geometrie komína vede k tomu, že je shora dol postupn aktivováno spolupsobení mezi železobetonem a cihelnými stnami, což je zpsobeno jednak svislou složkou zatížení (sukcesivní pibývání normálové síly), na druhé stran vodorovnou složkou zatížení, která pibývá ve stejném pomru, jako normálová síla a která je zachycená teprve kruhovou výztuží. Porovnání mení a výpotu - a eventuální odchylky jsou následn interpretovány: Vlastní frekvence analytického výpotu a mení jsou v souladu. Zhodnocení a porovnání tvar kmitotu ukazuje vysokou shodnost (Porovnání Obr.6 až Obr. 9 s Obr. 13 až Obr. 15). Jisté, v analytickém modelu nenalezené vlastní frekvence jsou zpsobeny vtším stupnm volnosti reálné konstrukce oproti teoretickém modelu. Przkum potvrdil, že namené hodnoty byly nalezeny mezi dvma modelovanými mezními pípady. Výsledky modelu prvního mezního pípadu (dokonalá soudržnost) indikují více tuhé chování - výsledky druhého mezního pípadu (vbec žádná soudržnost) indikují daleko mkí chování. Výsledky mení jsou blíže pln spolupsobícímu modelu. Sukcesivní pibývání spolupsobení má samozejm nelineární charakteristiku. Dsledkem daleko pesnjšího modelování metodou konených prvk by byla kompenzace existujících odchylek. Porovnání výpot a mení metodou BRIMOS indikuje degradaci tuhosti systému v horní tvrtin komínu (pokles tetí a tvrté vlastní frekvence). %& %& ž! "#$ $ 1 0,298-1,01 0,295 9,26 0, ,155-4,42 1,104 8,88 1, ,727-5,28 2,583 7,58 2, ,899-5,70 4,620 7,29 4,306 %& %& ž! "#$ $ 1 0,306-0,98 0,303 8,99 0, ,181-5,17 1,120 7,80 1, ,725-7,27 2,527 5,12 2, ,734-2,75 4,604 10,20 4,178 9

10 Tab. 2) Porovnání vlastních frekvencí Obr. 13) První vlastní frekvence (prhyb kolem osy Y = smr X) Obr. 14) Druhá (vlevo) a tetí (vpravo) vlastní frekvence (prhyb kolem osy X = smr Y) 10

11 Obr. 15) tvrtá vlastní frekvence (prhyb kolem osy Y = smr X) 5. ZÁVRENÉ HODNOCENÍ Z przkumu vyplývá, že funknost komínu je zajištna. Selhání se ze souasného hlediska nedá oekávat, na základ provedeného mení nejsou zapotebí žádná okamžitá opatení (dodatená stavební opatení i omezení provozu). Porovnání výpot a mení podle BRIMOS ale indikuje degradaci tuhosti systému v horní tvrtin komínu. Tato degradace vyžaduje ovrit a kvantifikovat dynamické psobení výrazných trhlin za typického, hlavného zatížení (silný vítr), které - na rozdíl mení napíklad silniného mostu za neovlivnného nákladního provozu nebylo pevládající. Ovlivnní únosnosti poškozením a výraznými trhlinami lze ovit a kvantifikovat na základ vlastních frekvencí, intenzity kmitání a tlumení. V tomto pípad by mohl být užíván BRIMOS -Rekorder firmy VCE, ízený v závislosti na stanovených mezních hodnotách rychlosti vtru ( > 80 km/h). Tento rekordér by zaznamenával soubory pouze za zatížení silným vtrem v asovém období jednoho roku. Mené soubory by obsahovaly informace kmitání, teploty a rychlosti vtru. Pípadn je doporueno bhem roního cyklu pozorovat pohyb tí nebo ty vybraných trhlin. Teprve na základ roního permanetního mení lze rozhodnout o pimenosti pípadných sananích opatení. Alternativn je nezbytn nutné, opakovat mení technologií BRIMOS v asovém intervalu tí let - pro další užívání prmyslového komínu vzhledem k ovení zmny i setrvalosti dynamického chování konstrukce. Reference: [1] Wenzel H., Pichler D.: Ambient Vibration Monitoring John Wiley and Sons Ltd, 2005, ISBN [2] Wenzel H., Veit R.: BRIMOS BRIdge MOnitoring System Diagnostika most založená na ambietním mení kmitání ve Sborníku 10. mezinárodního sympozia MOSTY 2005, Sekurkon, Brno, eská Republika, Duben 2005, ISBN