BRIMOS BRIdge MOnitoring System - DIAGNOSTIKA MOSTŮ ZALOŽENÁ NA AMBIENTNÍM MĚŘENÍ KMITÁNÍ

Transkript

1 BRIMOS BRIdge MOnitoring System - DIAGNOSTIKA MOSTŮ ZALOŽENÁ NA AMBIENTNÍM MĚŘENÍ KMITÁNÍ Dr. Dipl. Ing. Helmut Wenzel VCE, Vienna Consulting Engineers Dipl. Ing. Robert Veit VCE, Vienna Consulting Engineers Abstract Bridges are essential for the transportation infrastructure of any country. The peak of construction of the European Transportation Infrastructure happened in the 197s. It is estimated that nowadays 76, bridges are serving within the Trans-European Network (TEN) and the primary and secondary road networks. Owners of bridges expect that the critical age where rehabilitation and retrofit works at bridges become essential starts after 3 years of service (Obr.1). Considering the time of construction a huge peak of repair and retrofit investment is expected for the years starting from 25 onwards. Studies carried out show that the required effort should be more than tripled compared to present values. In times of shrinking budgets, as prevailing now, alternative methods to deal with this problem are necessary. 1. ZÁKLADY Každá nosná konstrukce má výraznou dynamickou charakteristiku. Tato se dá měřit prostřednictvím senzorů zrychlení, které jsou rozmístěny na celém mostě v předem stanoveném měřícím rastru. Stav nosné konstrukce a jeho případná změna se projevuje v tzv. spektru kmitočtové odpovědi. Tímto měřením je možné, identifikovat poruchy nosné konstrukce již mnohem dříve, než jsou viditelné. Ambientní vibrační metoda (= Ambient Vibration Method - AVM), kterou tento příspěvek představuje, byla vyvinuta pod podmínkou použití bez narušení dopravního provozu. Výhody této metody spočívají - na rozdíl od metody vynuceného podnětu - v menších nákladech na provedení a zaznamenání měření, protože se obejde bez nákladných přístrojů (např. budič kmitání). Podněty pro rozkmitání konstrukce jsou způsobeny jak dopravou, tak i vlivy prostředí (=ambientní příčiny, například vítr). Tato úspora času umožňuje šetření nákladů. Podmínkou je mimořádně citlivý měřící systém, který je schopen zaznamenat a identifikovat i minimální ambientní kmitání. Ambientní vibrační metoda diagnostiky se dá užívat na každém druhu konstrukce nebo materiálu. Metoda měření dává objektivní výsledky, nezávislé na lidském faktoru měřících osob. Doposud běžnou visuální a manuální inspekční metodu je možné systémem BRIMOS zlepšit a zdokonalit. Následující graf znázorňuje vztah mezi investičními náklady do mostních novostaveb a investicemi do údržby mostů v Evropě. Je zde zřejmý účinek a trend využití diagnostické technologie BRIMOS, která investiční náklady zmenšuje. Důvodem jsou včasně zahájené opravy a sanace mostů, kdy se ještě naplno neprojevila závažnost vad a poruch. 1

2 roční náklady do novostaveb EURO [milliardy] investice do novostaveb investice do údržby Obr. 1) Působení systému BRIMOS a jeho aplikace 23 EURO [milliardy] odhad budoucí údržby ovlivnění BRIMOSem odhad budoucího nového stavění rok roční náklady na údržbu Analýza a zhodnocení současného stavu konstrukce Porovnání původních a aktuálních podmínek uložení Plánování údržby a rekonstrukce Předpověď zbývající doby použitelnosti Kontrola bezpečného užívání Analýza dopravního provozu Analýza vlivu prostředí na konstrukci Vyhodnocení seizmických vlivů a účinků Určení kmitací intenzity a mnoho dalších odvozených možností 2. DYNAMICKÉ PARAMETRY Pro vyhodnocení mostů je používáno 5 základních dynamických parametrů. Vypočítávají se pomocí BRIMOS -Software firmy VCE, který byl vyvinut postupně do dnešní podoby, kdy splňuje všechny teoretické i praktické požadavky Frekvenční spektrum Působící zrychlení konstrukce je vnímáno senzory. Frekvenční analýza - za pomoci tak zvané Fast Fourier Transformace (FFT) - identifikuje v signálu obsažené harmonické kmitání. Frekvenčním spektrem se zjistí dynamická signatura, která podává informaci o současné tuhosti konstrukce. Následující příklad (Obr. 2) ukazuje porovnání frekvenčních spekter u jednoho určitého mostu jednou bez a jednou pod vlivem jízdy nákladních automobilů. První špička ve spektru vzniká při 2,5 (vertikální průhyb), druhá špička při 3,3 (torzní křivka). Během výskytu torzního namáhání ukáže spektrum vliv otvírajících se trhlin dodatečnými špičkami a tak indikuje dynamicky účinnou tuhost. V tomto případě bylo doporučeno omezit zatížení nákladními automobily na 2 tun. Kanal_2_b Kanal_5_b Kanal_7_b Kanal_8_b Kanal_9_b Kanal_15_b µg Kanal_2_b Kanal_5_b Kanal_7_b Kanal_8_b Kanal_9_b Kanal_12_b Kanal_15_b µg Obr. 2) Úsek frekvenčního spektra ambientního prostředí (2-4, vlevo) a indikátor poruchy ve spektru, obsahující vliv nákladního provozu (2-4, vpravo). 2

3 2.2. Měřený tvar příslušející k vlastní frekvenci Pozorování měřeného charakteristického tvaru kmitočtu v souvislosti s nízkými, dlouhovlnnými základními frekvencemi indikuje, jestli jsou aktuální podmínky uložení stejné, jako byly původně (Obr. 3 vlevo). Obr. 3 vpravo ukazuje most, u kterého se tak našlo nejen snížení pilíře vlivem provozu, ale i porucha kloubu v poli č. 4, což vedlo k instalování přechodného systému vyztužení a během tří let k odstranění mostu a k novostavbě. Obr. 3) Očekávaný charakteristický tvar (vlevo) a tvar, vyplývající ze snížení pilíře 2.3. Tlumení - Klasifikace Pro každou nalezenou relevantní frekvenci se vypočítává parametr tlumení, který nám lokalizuje místa, kde je kmitací energie dissipována (ztráta energie). Základ tohoto výpočtu se opírá o tak zvanou Random Decrement Technique (RDT), která byla vyvinutá v sedmdesátých letech pro NASA. Přehled tlumení přes celou konstrukci lokalizuje, kde je dissipace v konstrukci očekávaná (nad ložisky), na rozdíl od míst, kde se dají nalézt poruchy (trhliny - defekty v předpětí). Dämpfung in %, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 1, 11, 125, 5, 5, 4,5 4,5 4, 4, ,5 3,5 3, 3, 2,5 2,5 2, 2, 1,5 1,5 1, 1, ,5, Dämpfung in %, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 1, 11, 125, 6, 6, 5,5 5,5 5, 5, 4,5 4, , 4, 3,5 3,5 3, 3, 2,5 2,5 2, 2, 1,5 1,5 1, 1, ,5, ,, Feld 1 Feld 2 Feld 3,, Feld 1 Feld 2 Feld 3 Obr. 4) Dissipace kmitací energie nad ložisky (vlevo) a dodatečně i v poli, způsobená trhlinami (vpravo) Výsledky metody jsou zobrazené na Obr. 4, a sice na stejném mostě, jehož trhliny byly už objevené (viz Obr. 2). Diagnostika je provedena srovnávacím výpočtem tlumení bez vlivu (vlevo) a pod vlivem dopravního provozu (vpravo). Zařazení mostu do klasifikace na základě stanovení tlumení podle BRIMOS u dobře indikuje jeho celkový stav (Obr. 5) a podporuje proces rozhodování při plánování investic s ohledem na možná opatření k údržbě a sanaci. 3

4 Obr. 5) Klasifikace: A velmi dobrý stav B dobrý stav s trhlinami C problematický stav s trhlinami 2.4. Kmitací intenzita Intenzita kmitání vyplývá z porovnání měřených frekvencí kmitající konstrukce se zároveň vznikajícími průhyby za neobvyklých podmínek. Proto je kmitací intenzita pomocným prostředkem k nalezení míst, ohrožených únavou materiálu. Identifikace výrazně zvýšených hodnot na převislých koncích mostu na dálnici Brenner, (Obr. 6) vyvolaných zatížením nákladním provozem, vedla k omezení rychlosti na tomto jízdním pruhu. Obr. 6) Kmitací intenzita - Europabrücke na dálnici Brenner 2.5. Vytvarování trendu frekvenčních spekter Závěrečný parametr - hlavně v souvislosti se životností je takzvaný trend frekvenčních spekter. Frekvenční spektra různých, v určitém časovém odstupu (2-3 roky) opakujících se měření na stejné konstrukci a za stejných podmínek, jsou zobrazena chronologicky za sebou (Obr. 7 vlevo). Pohled shora ukazuje frekvenční špičky a změnu jejich hodnoty v čase (barevná škála zdůrazňuje energetický obsah). Obr. 7 ukazuje, jak může být u stejného mostu (viz Obr. 2 a 4) tzv. trendkarta použitá i pro měření v krátkých časových intervalech, jako další doklad o působení trhlin a tím ovlivněnou dynamickou tuhost konstrukce. R e K7_g f _ gk8_g K9_g K1_g K12_g K17_g max µg Obr. 7) Axonometrie trendu (vlevo) a trendkarta, obsahující vliv dopravního provozu ( viz Obr. 2 ). min 4

5 3. BRIMOS - RECORDER Firma VCE vyvinula kromě měřícího systému BRIMOS i příslušný BRIMOS - Recorder, který je vybaven jedním trojrozměrně měřícím senzorem zrychlení. Pro zhodnocení malých mostů stačí jeden Recorder, umístěný na reprezentativním místě (Obr. 8). Pro urychlení měření se dají dodatečně připojit externí senzory zrychlení a teploty. Přístroj byl vyvinutý tak, aby provozovatelé mostů mohli sami provést měření. Vyhodnocení a interpretace je pak prováděna experty. Tento postup umožňuje vyhodnocení velkého množství mostů v jednom roce a zvyšuje bezpečnost jejich uživatelů. Obr. 8) BRIMOS Recorder s dodatečnými senzory (vlevo) a jeho umístění na menších mostech (vpravo) 4. RESUMÉ Technologie BRIMOS se zaměřuje nejen na diagnostiku železobetonových mostů - jak bez, tak i s předpětím: Byla a je rovněž úspěšně užívána u ocelových mostů. U zavěšených mostů lze dodatečně určit účinné kabelové síly během stavebních fází, po jejich dokončení a po letech zatížení. Stejným způsobem se určují i účinné kabelové síly předpjatých mostů s volnou výztuží. Technologie BRIMOS však navíc umožňuje speciální aplikace, například: Kontrolní měření při provádění demoličních pracích (dozor nad dodržením mezní hodnoty zatížení a kmitací intezity). Zhodnocení odolnosti a stavu mostu před a po přepravě mimořádně těžkého nákladu. Určení tlakové síly v provizorním nebo montážním vyztužení atp. Diagnostická technologie BRIMOS se opírá o zkušenosti z více než 4 měřených a zhodnocených mostů a 15 permanentních monitorovacích systémů na celém světě. Je na čase užívat tuto diagnostickou metodu v širším měřítku. Reference: [1] Wenzel H., Pichler D.: Ambient Vibration Monitoring John Wiley and Sons Ltd, 25, ISBN [2] Forstner E., Wenzel H.: IMAC Final Technical Report (European Comission FP5), 24 Kontakt: Národní partner: VCE INFRAM a.s. Vienna Consulting Engineers Holding s.r.o Kancelář Brno Hadikgasse 6 Ptašinského 1 A 114 Wien veit@vce.at 62 Brno jerabek@infram.cz 5