Monitoring obiektów budowlanych na terenach górniczych laserowymi czujnikami drgań, wychyleń i deformacji
Deformacje ciągłe i dynamiczne powierzchni wywołane eksploatacją podziemną wpływają w istotny sposób na stan techniczny obiektów znajdujących się na terenach górniczych. Okresowe pomiary geodezyjne czy pomiar przyspieszenia w gruncie lub w budynku (kryteria oceny wartości użytkowych, warunki normowe) okazują się często daleko niewystarczające. Ciągły, automatyczny pomiar zmian wychyleń statycznych i dynamicznych oraz mierzalna zmiana podstawowych parametrów drgań swobodnych tłumionych budynku - okresu drgań własnych T i dekrementu tłumienia mogą być podstawą dla oceny stanu konstrukcji. Bezpośrednią i optymalną ocenę rzeczywistych, a nie obliczeniowych wartości tych parametrów, można przeprowadzić dzięki zastosowaniu technik pomiarowych z wykorzystaniem laserowych czujników wychyleń i drgań, laserowych aliniometrów, czujników przemieszczeń i deformacji, z cyfrowym zapisem, transmisją, archiwizacją i analizą danych pomiarowych. W szczególnych przypadkach stan konstrukcji jest analizowany z zastosowaniem skaningowego wibrometru laserowego. Przedstawiono wybrane przykłady badań (w tym monitoringu automatycznego) różnych obiektów.
1 STOSOWANIE LASEROWYCH CZUJNIKÓW DRGAŃ I WYCHYLEŃ W MONITORINGU CIĄGŁYM
Sposób ciągłego pomiaru wychyleń budynków jest ściśle związany z budową i zasadą działania laserowego czujnika drgań i wychyleń, który jest opatentowanym rozwiązaniem Głównego Instytutu Górnictwa. Czujnik ten nagrodzony został m.in. złotym medalem na 53 Targach Wynalazczości, Badań Naukowych i Nowych Technik Brussels EUREKA’2004.
Laserowy czujnik drgań i wychyleń budowli pozwala na dokładny i ciągły pomiar wielkości wychyleń obiektu, zapewniając automatyzację pomiarów geodezyjnych. Wynik w formie graficznego wydruku komputerowego (lub zapisu na taśmie rejestratora) daje pełny obraz zmian zarówno co do wartości wychyleń (w mm wychylenia na każdy metr wysokości [mm/m]) ich kierunków (np. względem stron świata) jak i czasu w którym wystąpiły. Zasada pomiaru oparta jest na rejestrowaniu odchylenia wiązki laserowej od jej wyjściowego - pionowego położenia zerowego- po przejściu przez klin cieczowy [3],[6].
Poziom cieczy jest bezwzględnym pomiarowym układem odniesienia. Na fotodetektorze, w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach, jest dokonywany bezpośrednio pomiar przemieszczenia plamki świetlnej. Wartość przemieszczenia plamki jest funkcją kąta tworzonego przez ciecz, współczynnika załamania światła w cieczy i w szklanej płytce płasko równoległej. Kąt pomiędzy normalną do powierzchni cieczy, a osią czujnika, jest kątem wychylenia czujnika i obiektu, na którym jest on zainstalowany. Sygnał z każdej części krzemowego fotodetektora jest funkcją oświetlonej powierzchni. Wzmocniony wprowadzany jest przy pomocy karty A/D do komputera, gdzie następuje programowa analiza i rejestracja sygnału.
Parametry pomiarowe czujnika, to: zakres pomiaru: + 5 mm/m (z możliwością przestrajania od 1 do 50 mm/m), rozdzielczość + 0.01 mm/m, częstotliwość drgań < 10 Hz. System rejestracji danych oparty jest na wielokanałowej karcie przetwornika A/C o rozdzielczości 12-bitów, komputerze klasy IBM PC. Pakiet o nazwie REJESTRATOR GIG (rys.2). Pozwala na rejestrację i analizę zarówno amplitudy poprzecznych drgań chwilowych o czasie relaksacji > 0.05 sek., jak i amplitudy wychyleń długoterminowych w okresach wielomiesięcznych. Rejestracja odbywa się w sposób ciągły z częstością > 4000 próbek w sekundzie. Istnieje również podprogram transformacji danych pt. Przetwarzanie plików, który tworzy tabele plików pomiarowych w postaci plików tekstowych widzianych przez arkusze kalkulacyjne i inne przeglądarki graficzne. Służą one do graficznej wizualizacji przebiegów czasowych w arkuszu kalkulacyjnym Microsoft Excel oraz do dalszej analizy danych w programie: TŁUMIENIE, w którym zachodzi wybór wszystkich kolejnych maksymalnych wartości wychyleń w funkcji czasu drgania budynku. Wartości te umożliwiają dopasowanie liniowe funkcją y = a*exp(b*x) do obwiedni wykresu drgań gasnących badanej konstrukcji. Przeprowadzane są analizy parametrów drganiowych, takich, jak: amplitudy wychyleń i przyspieszeń, okres drgań własnych, dekrement tłumienia drgań, częstotliwości drgań po analizie falkowej i FFT, jak i operacyjnej analizie modalnej.
Metoda pomiaru pozwala na analizę zmian wychyleń w kolejnych minutach, godzinach, dobach (rys.3), miesiącach. Istotna jest możliwość przeprowadzenia bezpośredniej analizy odpowiedzi dynamicznej budynku (konstrukcji) poprzez rejestrację w czasie amplitudy niskoczęstotliwościowych wychyleń, a następnie wyznaczenie okresu drgań gasnących i dekrementu tłumienia (rys.4)
2. MONITORING WPŁYWU WSTRZĄSÓW GÓRNICZYCH NA BUDYNKI
Rejestrowano drgania budynków wywołane wstrząsami górniczymi. Na rys. 5 przedstawione są dwie fazy reakcji 12- kondygnacyjnego budynku na wysokoenergetyczny wstrząs górniczy w polskim zagłębiu miedziowym – w Polkowicach (rys.6),[4]. Wstrząsy górnicze na terenach górniczych są najistotniejszym, ale bardzo specyficznym źródłem wymuszeń. Różnią się bowiem energią, odległością źródła od obiektu ( w tym głębokością), kierunkiem propagacji fali i rodzajem ośrodka (budowa geologiczna), a zatem mogą istotnie różnić się amplitudą, widmem częstotliwości jak i czasem trwania.
Reakcja obiektu będzie zależała od wymienionych wyżej uwarunkowań. Szczególnie udział w widmie fali sejsmicznej częstotliwości zbliżonej do częstości drgań własnych budynku może wywołać jego większe wychylenia w fazie oddziaływania bezpośredniego wymuszenia (rys.5 góra). Obliczenia parametrów dynamicznych dokonujemy dla fazy drgań własnych – gasnących – rys. 5 dół.
W trakcie długookresowych pomiarów, w ramach przeciwdziałania skutkom szkód górniczych, wykonane było dosztywnienie klatki schodowej do istniejących elementów konstrukcyjnych poprzez: dodatkową ścianę żelbetową o grubości 15 cm.
od fundamentu do 11 kondygnacji – połączoną z istniejącą ścianą boczną klatki schodowej i wzmocnienie oparcia biegów schodowych na płytach spocznikowych.
Zaowocowało to usztywnieniem konstrukcji budynku, co bezpośrednio przełożyło się na zmniejszenie maksymalnych amplitud wychyleń i wyraźną zmianę okresu i częstotliwości drgań własnych (T1=0,89 s, f1 = 1,12 Hz; T2 = 0,75 s; f2 = 1,31 Hz z dekrementem tłumienia 0,13)
W analogiczny sposób prowadzony jest automatyczny monitoring statycznych i dynamicznych wychyleń takich obiektów, jak: wieże wyciągowe [5], galerie nawęglania [13], suwnice [14], kominy [ 7], kościoły [11], hale produkcyjne itd. Często jest to jedyny sposób na dokładne określenie w czasie wpływu postępów eksploatacji podziemnej na badany obiekt oraz na rozróżnienie wpływów dokonanej eksploatacji górniczej od reakcji obiektu na inne poza górnicze czynniki. Mogą to być zmiany, najczęściej okresowe, stosunków wodnych w gruncie, czy innych istotnych czynników, takich jak: własne obciążenie eksploatacyjne konstrukcji obiektu, wpływy komunikacyjne związane z ruchem drogowym czy kolejowym, odkształcenia spowodowane czynnikami termicznymi (nasłonecznienie) i wiatrem. Wieloletnie pomiary szczególnie konstrukcji stalowych wykazują, że wpływy te są wyraźne, lecz okresowe w skali jednej doby i mogą wpływać na dokładność np. cyklicznych pomiarów wypadkowego wychylenia wieży wyciągowej metodami geodezji klasycznej.
3. Laserowy pomiar przemieszczeń, ugięć i deformacji
Wszędzie tam, gdzie jest konieczny precyzyjny pomiar ugięć dźwigarów i innych elementów konstrukcji, także dylatacji i szczelin - od milimetrowych do centymetrowych - najkorzystniejszym wariantem jest zastosowanie fotodetekcji bezpośredniej z zastosowaniem czynnych detektorów promieniowania laserowego.
W monitoringu szerokości szczelin i dylatacji (rys.7), czy ugięć dźwigarów mostu stosowano kilka wersji optoelektronicznych systemów pomiarowych z automatyczną detekcją małych przemieszczeń milimetrowych (zakres + 2 mm z dokładnością + 0,02 mm) z możliwością zmiany wyjściowego – zerowego położenia detektora w zakresie + 30 mm z dokładnością + 0,1 mm.).
W wersji aliniometru laserowego do pomiaru ugięć mostu, stałą prostą odniesienia wytwarza moduł laserowy (rys.8) złożony z lasera półprzewodnikowego i lunety kolimacyjnej. Położenie prostej w przestrzeni jest ustalane przy pomocy elementów nastawczo-mocujących złożonych z obrotowego uchwytu i spodarki geodezyjnej. Względne wstępne wytyczenie kierunku pomiaru i wysokości stojaków geodezyjnych (poziome usytuowanie celowej) uzyskano przy pomocy klasycznego niwelatora i tarczy celowniczej. Ugięcie mostu jest mierzone przy pomocy fotooptycznego detektora (rys.8, prawa strona), którym jest Fotodetektor kwadrantowy. Jest to centrownik, w który wbudowana jest kwadrantowa fotodioda o dużej czułości. Przemieszczanie się plamki po powierzchni detektora w osi X potwierdza poprawne funkcjonowanie systemu, a zmiana położenia w osi pionowej – Y opisuje bezpośrednio wartość ugięcia badanej konstrukcji. Czułość tej metody pomiaru przemieszczenia jest rzędu 0,02 mm; jest ona szczególnie przydatna dla kontroli elementów sztywnych, mało podatnych (np. dźwigary żelbetowe). Sygnały z fotodiody przesyłane są za pomocą kabla do karty przetwornika analogowo-cyfrowego, a następnie do laptopa.
Wizualizację wyniku w czasie rzeczywistym uzyskano przy pomocy własnej aplikacji programowej opracowanej w języku graficznym G Środowiska LabView.
PSV-400 firmy Polytec, jest najnowocześniejszym laserowym przyrządem do badań nieniszczących elementów maszyn, urządzeń i konstrukcji (rys.9).
Umożliwia on bezkontaktowy pomiar metodą optyczną drgań badanego obiektu, analizę parametrów drgań i wizualizację wyników.
Aparatura wyróżnia się szerokim pasmem częstotliwościowym, pozwalającym na analizę drgań od częstotliwości bliskich zera do częstotliwości ultradźwiękowych.
Skanowanie i układ przetwarzania obrazu umożliwia wizualizacje rozkładu amplitud drgań (przemieszczenia, prędkości, przyspieszenia) obiektów o powierzchni od kilku mm2 do kilkudziesięciu m2. Zastosowana metoda pomiaru obejmuje kolejno: wybór obszaru skanowania, dobór parametrów geometrycznych siatki, ustalenie parametrów częstotliwościowych skanowania, sygnału referencyjnego i analizy, uruchomienie pomiaru, wizualizację wyników. Wyniki pomiarów obrazowane są w postaci widma drgań po analizie FFT oraz animacji przestrzennej drgań badanego obszaru obiektu (ekranu, ściany, dźwigarów) dla określonej, wybranej przez użytkownika częstotliwości. Skaningowy wibrometr laserowy jest idealnym narzędziem do oceny wibracji zarówno pierwotnych, jak i wtórnych, do wykrywania wad ukrytych konstrukcji.
Podsumowanie
Zarówno przedstawiona praca jak i rozwiązania prezentowane wcześniej, wykazały, że wszędzie tam, gdzie wymagana jest automatyzacja pomiarów wychyleń, przemieszczeń, i odkształceń budowli (wysokie budynki komunalne, mieszkaniowe i przemysłowe, kościoły, mosty, wiadukty, kominy, wieże, maszty, chłodnie, hale fabryczne, suwnice) lub elementów konstrukcji (dźwigary, wsporniki, słupy podporowe, kratownice) możliwe jest stosowanie laserowych i optoelektronicznych czujników.
Systemy pomiarowe są projektowane dla każdego obiektu indywidualnie, z uwzględnianiem parametrów konstrukcyjnych, ekonomicznych oraz szczegółowych wymagań Inwestora i/lub Użytkownika.
W pracy przedstawiono wybrane własne rozwiązania, które umożliwiają zarówno prowadzenie pomiarów próbnych, jak i ciągłych z rejestracją wyników. Ich zastosowanie umożliwia kontrolę pracy konstrukcji w czasie (pod wpływem zmieniających się obciążeń czy warunków klimatycznych) oraz na prognozowanie ogólnie pojętej trwałości i bezpieczeństwa obiektu.
Wszystkie rozwiązania oparte są oparte są na zasadzie fotodetekcji zmiany położenia plamki laserowej. Uzyskiwane dokładności pomiarów statycznych i dynamicznych są porównywalne lub lepsze, w zakresie podstawowych częstotliwości drgań, z klasycznymi i innymi fizycznymi metodami pomiarowymi.
Laserowe czujniki GIG pozwalają na ciągłą i automatyczną rejestrację zmian statycznych i dynamicznych wychyleń obiektów z oceną zmian podstawowych parametrów drgań swobodnych tłumionych budynku - okresu drgań własnych T i dekrementu tłumienia Przemieszczenia, deformacje, ugięcia elementów konstrukcyjnych obiektów badane są laserowymi aliniometrami, czujnikami przemieszczeń i skaningowym wibrometrem laserowym, które pozwalają na szczegółowe badania konstrukcji, łącznie z wykrywaniem wad ukrytych.
