Акселерометрите в мониторинга на големи строителни конструкции

Значимостта на големите строителни конструкции прави наблюдението, анализа и оценката на състоянието им изключително важни. Стабилността на такива структури се разглежда в зависимост от последствията от евентуалното им компрометиране, засягащи човешкия живот, поддържане на комуникациите и икономическите загуби. Колкото по-рано се установят наличия и дори предпоставки за възникване на смущаващи фактори, толкова по-подходящи мерки за решение могат да бъдат приложени.
Високите сгради изискват обстоен и непрекъснат мониторинг. Чрез използване на структурен мониторинг на експлоатационната пригодност се намаляват инспекциите и експлоатационните разходи, като същевременно се осигуряват информация и защита в реално време. Създаването на системи за проследяване на състоянието на значимите инженерни съоръжения има дълга история, а тук ще разкажем за безценната помощ на акселерометъра в това начинание.

Терминът "акселерометър" дава първоначалната представа - това е уред, който измерва ускорение. Идеята за използване на акселерометъра е проста - той може да осигури данни за определяне на движението и вибрациите на конструкция, която е подложена на динамични въздействия. Така се осъществява контрол на показателите, свързани с надеждността на сградата или съоръжението, за да се предотвратят ситуации, при които стойностите на регистрираните параметри превишават граничните.

Използването на акселерометри налага създаване на цялостна система. Тя включва, най-общо казано, определен брой акселерометри, комуникационен център и софтуер за запис и анализ на данните. Системата може да използва три акселерометъра, всеки от които е комплект от сензор, рекордер, защита от пренапрежение и оптична връзка, които са взаимно свързани в мрежа, или три акселерометъра в общ блок, окомплектован по същия начин. И при двата подхода е необходимо наличието на GPS антена за синхронизация - интеграцията на GPS и акселерометър може да се използва като надежден инструмент за характеризиране на динамичното поведение на големи конструкции, подложени на натоварвания от околната среда. Данните от софтуера за запис и анализ се подават в комуникационния център. Записаната информация се обновява и показва на монитор от софтуер за визуализация, за да се следи от оператора. Задължително е осигуряването на всички системи да става през уред за непрекъсваемо захранване - UPS, който се избира според конкретните необходими мощности.

Няколко думи за акселерометрите
Тези "датчици" могат да измерват ускорение в една, две или три равнини. Най-често използвани са триосовите апарати, състоящи се от три едноосови, всеки един от които измерва ускорението в три различни направления - Х, Y и Z. Ако върху акселерометъра не действа външно ускорение, датчикът ще измерва само гравитационното ускорение. Ако приемем, че датчикът по оста Z е насочен надолу, уредът ще покаже нулеви стойности по X и Y, и понеже мерната единица е g, показаната стойност по Z ще бъде 1[g]. Аналогично, при отклонение в някоя от другите посоки, ще бъдат отчетени съответните стойности. Подразбира се, че ако ускорението е в посоката, в която е насочен сензорът, то ще бъде отчетено с положителна стойност, и обратно - ще има отрицателна стойност, ако е действало в противоположната посока. Тези положения при измерване на ускорението се използват от алгоритмите на системите, основани на работата на акселерометрите.

Видове акселерометри
Има три основни вида електромеханични акселерометри - капацитивни, пиезорезистивни и пиезоелектрични. Може би трябва да добавим и микроелектромеханични. Тук няма да се спираме на други разновидности, макар че има такива. Капацитивните, при които се закрепва тежест върху единия край на пружини, са най-евтините и най-малките. Другият край на пружините се прикрепва към кондензатор, тип "гребен". Когато възникне наблюдаваното явление и датчикът го регистрира, тежестта се движи върху пружините, разстоянието между масата и кондензатора се променя и това влияе на промяната на капацитета. Този вид акселерометри се използват предимно в потребителската електроника. Пиезорезистивните са оборудвани с пиезорезистивен материал, който се деформира под въздействието на външна сила и предизвиква промяна в съпротивлението. Приемник, интегриран с акселерометъра, преобразува тази промяна в електрически сигнал. Този вид уреди имат широк честотен диапазон, но ниска чувствителност. Те могат да регистрират вибрации с големи амплитуди и честоти, затова са много използвани при краш-тестове.

Пиезоелектричните акселерометри генерират електрически заряд при механично натоварване и са едни от най-използваните за измерване нивото на вибрации. При ускорение те генерират електрическо напрежение, но без да променят съпротивлението си. Това се дължи на използването на специален елемент за датчиците, който генерира електрически заряд при деформиране. Такъв е например оловният цирконат титанат PZL (Plumbum Zirconate-Titanate) - пиезоелектричен керамичен материал с кристална структура. Този вид акселерометри са с висока чувствителност и точност. Изходният сигнал обикновено се усилва. Използват се за прецизни сеизмични изследвания, при краш-тестове и дори при разрушителни изпитвания. Именно уредите от този вид са залегнали в системите за мониторинг на отговорни инженерни съоръжения.

Уредът може да е електромеханичен, триаксиален, конструиран като пакет сензори и проектиран за наблюдение на земетресения и явления, изискващи високочувствителни и здрави сензори, но поддръжката да е минимална, а периодичното тестване да се извършва по прост и лесен метод. Масата на движещата се бобина с окачване подобрява съотношението сигнал/шум. Магнитната система и капацитивните датчици за положение осигуряват симетрични контроли за точното електронно центриране на масата. В покой механизмът е в равновесие и не се генерира електрическа мощност. Ако възникне движение в земната кора или в изследваната строителна конструкция, тогава се създава електрическа мощност, пропорционална на тока, който е използван за поддържане на масата центрирана. Това е изходният сигнал, който е калибриран така, че да осигурява максимална точност при възможно най-ниско ниво на шум. Дори при тежки условия мащабирането и калибрирането се запазват, благодарение на интегрирането на системата за симетрично позициониране с принципа за баланс на силата. Поведението/реакцията на правия ток (DC response) позволява сензорът лесно да се тества, калибрира и поправя, и то на място.

Много удобно за потребителя е наличието на електронни функции за регулиране на преместването, защото с тях инсталирането е улеснено, не е нужно механично регулиране и прецизно нивелиране. Захранването може да става от източник за прав ток от 9,5 до 18V. Входната мощност е изолирана от електронните сензори. Така се избягва необходимостта от заземителни контури и се намалява шума, индуциран през захранването. Аналоговият акселерометър става още по-удобен, ако е с цифров интерфейс, съвместим с подходящите записващи устройства.

Къде и защо се поставят акселерометрите?
Инсталират се директно върху наблюдаваните обекти, което им позволява да преобразуват енергията от вибрациите в електрически сигнал, пропорционален на моментното ускорение на обекта. Местата трябва да бъдат указани в проектната документация. Избират се особено отговорни части или възли от конструкцията. Наблюдението и анализът в такива точки трябва да осигурят данни за цялостното поведение на структурата. Ще разгледаме последователно някои съоръжения, изискващи мониторинг.

Приложение при високи сгради
Говорим за високи сгради, но всъщност мониторинг е необходим за всички конструкции на сгради, които попадат в групата, дефинирана, съвсем ориентировъчно, от следните критерии: височина над 75m, конструктивни отвори над 100m, конзоли над 20m, подземна част повече от 15m, разполагане в активна сеизмична зона, и ако конструкциите са разработени по нестандартни изчислителни методи. Акселерометрите трябва да осигурят данни за движението и вибрациите на конструкцията, която е подложена на динамични натоварвания, произлизащи от различни източници: Човешки дейности - ходене, бягане, танцуване, скачане; Работещи машини - в сградата или в околността; Строителни дейности в близост до сградата - разрушителни работи, набиване на пилоти или сондажи за пилоти, дълбоки изкопи; Сблъсък с превозно средство; Вътрешни или външни експлозии; Разрушаване на конструктивни елементи; Ветрово натоварване и силни пориви на вятъра; Поддаване на земната основа; Земетресения и др. Измерването и записването на това как структурата реагира динамично на различни въздействия е от решаващо значение за оценката на безопасността и жизнеспособността на конструкцията. Именно за да се осъществи мониторинг на структурното състояние, без да се засяга самата структура, се използват различни сензори, вградени или прикрепени към конструкцията. Чрез тях се открива дали има превишаване на допустимите критерии за ефективност и се проследява поведението на конструкцията.

Необходим ли е такъв мониторинг? Отговорът е абсолютно положителен. Опитът е показал, че експлоатационната годност на сградата може да бъде значително намалена от природни събития или от превишено натоварване. Чрез мониторинг на реакциите се наблюдава поведението на конструкцията и могат да се генерират навременни предупреждения за проблеми. При ранно откриване на повреди разходите за ремонт са по-малки. Намаляват се рисковете, избягват се бедствията, могат да се спасяват животи. В случай на евакуация при земетресение системата прави бърза оценка на проследяваните възли и тяхното влияние за общата структурна стабилност на сградата. Решението дали обитателите могат да се върнат, или са необходими по-задълбочени проверки, може да се вземе възможно най-бързо. Натрупаните данни и анализи дават възможност за по-добро управление на съществуващите сгради и по-целесъобразни инвестиции. Системите за мониторинг на сгради с използване на акселерометри в общи линии са описани по-горе - сензори за измерване на ускорение, скорост, преместване, деформация, наклон и др., записващи устройства и софтуерни решения.

Акселерометрите се разполагат на места, в които може да се следи състоянието на фундаменти, стени, носещи греди от покритието, т.е. на конструктивните елементи, които поемат основните натоварвания. При особено сложни случаи, заради размери или форма, е много трудно да се подбере най-подходящата система за мониторинг, както и местата на поставяне на акселерометри. С възхищение ще кажем, че има специалисти, които се справят, и могат да намерят решение и при най-предизвикателните структури.