Вибродиагностика строительных конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

8

Оглавление

Определения

Введение

1. Задачи технического диагностирования

2. Виды вибрационной диагностики

3. Методика испытаний. Анализ и моделирование

4. Диагностические параметры

5. Основные приборы измерения вибрации (виброметры)

Заключение

Список используемых источников

Определения

В данном реферате применяют следующие термины соответствующими определениями:

Техническая диагностика - область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов.

Дефект - любое несоответствие свойств объекта заданным, требуемым или ожидаемым его свойствами

Техническое диагностирование - определение технического состояния объекта.

Отказ - событие нарушения работоспособности объекта.

Техническое состояние объекта - состояние, которое характеризуется в определенный момент времени, при определенных условиях внешней среды, значениями параметров, установленных технической документацией на объект.

Система технического диагностирования - совокупность средств, объекта и исполнителей, необходимая для проведения диагностирования (контроля) по правилам, установленным в технической документации.

Алгоритм технического диагностирования совокупность предписаний, определяющих последовательность действий при проведении диагностирования (контроля).

Технический диагноз - результат диагностирования.

Вибрационная диагностика -- метод диагностирования строительных конструкций зданий и сооружений, основанный на анализе параметров вибрации, возникающей за счёт естественных или техногенных факторов.

Вибрация - движение точки или механической системы, при котором происходят колебания характеризующих его скалярных величин.

Виброперемещение составляющая перемещения, описывающая вибрацию.

Виброскорость - производная виброперемещения по времени.

Введение

Современные города стремительно меняют свой облик. Буквально на глазах вырастают небоскребы, реконструируются исторические здания, меняется инфраструктура. В рамках такого масштабного строительства особо актуальным становится вопрос о безопасности, поскольку здания становятся все выше, сроки исполнения все короче, материалы все дешевле, а насыщенность технологическим оборудованием и загруженность зданий - все больше. Поэтому в настоящее время возрастают требования и к методам диагностики состояния объектов - они должны давать возможность быстро и в полной мере оценить действительные характеристики конструкций зданий, а также быть просты и мобильны, чтобы использоваться на этапах проектирования, строительства, эксплуатации, ремонта и реконструкции и сноса зданий.

Не смотря на все это, истории известны случаи аварий и обрушений во время строительства и эксплуатации зданий, порой с человеческими жертвами. Причинами трагедий чаще всего становятся ошибки, допущенные при оценке запаса прочности конструкции, неудовлетворительная диагностика, не принятие своевременных мер по усилению и ремонту.

Избежать подобных событий в будущем позволят более ответственное отношение к эксплуатации зданий, совершенствование методов расчётов, используемых при проектировании, но самое главное - полноценная и своевременная диагностика. Она позволит не только предупредить аварийные ситуации и определить меры, необходимые для предотвращения, но и выявить причины обрушений и избежать допущенных ошибок или просчетов в будущем.

Техническая диагностика определяется как научная дисциплина, изучающая технические системы (в том числе здания и сооружения, а также их элементы), устанавливающая причины возникновения отказов и дефектов, разрабатывающая методы их обнаружения и оценки.

Под дефектом подразумевается любое несоответствие свойств объекта заданным, требуемым или ожидаемым его свойствами. Обнаружение и оценка дефектов - это процессы определения технического состояния объекта, объединяющиеся под общим термином диагностирование. Результатом последнего является диагноз.

1. Задачи технического диагностирования

Основной задачей технического диагностирования является сокращение затрат на техническое обслуживание объектов, и на уменьшение потерь от простоя в результате отказов.

Функции диагностирования:

* оценка технического состояния объекта;

* обнаружение и определение места локализации дефектов;

* прогнозирование остаточного ресурса объекта;

* мониторинг технического состояния объекта.

Диагностические параметры:

Различают прямые и косвенные диагностические параметры. Первые непосредственно характеризуют состояние объекта, а вторые связаны с прямыми параметрами функциональной зависимостью.

Методы диагностирования:

В зависимости от технических средств и диагностических параметров, которые используют при проведении диагностирования, можно составить следующий неполный список методов диагностирования:

органолептические методы диагностирования, которые основаны на использовании органов чувств человека (осмотр, ослушивание);

вибрационные методы диагностирования, которые основаны на анализе параметров вибраций технических объектов;

акустические методы диагностирования, основанные на анализе параметров звуковых волн, генерируемых техническими объектами и их составными частями;

тепловые методы; сюда же относятся методы диагностирования, основанные на использовании тепловизоров;

специфические методы для каждой из областей техники (например, при диагностировании гидропривода широко применяется статопараметрический метод, основанный на анализе задросселированного потока жидкости; в электротехнике применяют методы, основанные на анализе параметров электрических сигналов.

Техническая диагностика осуществляется либо человеком непосредственно, либо при помощи диагностической аппаратуры или диагностической программы. Объект и средства его диагностирования в совокупности образуют систему диагностирования. Взаимодействуя между собой, объект и средства реализуют некоторый алгоритм диагностирования. Результатом является заключение о техническом состоянии объекта -- технический диагноз.

Различают системы тестового и функционального диагностирования. Системы первого вида применяют при изготовлении объекта, во время его ремонта и профилактики и при хранении, а также перед применением и после него, когда необходимы проверка исправности объекта или его работоспособности и поиск дефектов. Системы второго вида применяют при использовании объекта по назначению, когда необходимы проверка правильности функционирования и поиск дефектов, нарушающих последнее.

Алгоритм диагностирования предусматривает выполнение некоторой условной или безусловной последовательности определённых экспериментов с объектом. Эксперимент характеризуется тестовым или рабочим воздействием и составом контролируемых признаков, определяющих реакцию объекта на воздействие.

Данные диагностики используются:

в процессе эксплуатации - для определения необходимых мер, по усилению и ремонту здания,

на этапе проектирования - для повышения качества разрабатываемых проектов,

в процессе строительства и ремонта - для совершенствования технологии изготовления конструкций и методов монтажа.

При проведении технического диагностирования выделяют две основные проблемы:

вероятность пропуска неисправности;

вероятность «ложной тревоги», то есть вероятность ложного сигнала о наличии неисправности.

Чем выше вероятность «ложной тревоги», тем меньше вероятность пропуска неисправности, и наоборот. Задача технической диагностики состоит в нахождении «золотой середины» между этими двумя проблемами.

За время эксплуатации, конструкции здания подвергаются воздействию вибрации как естественной природы (связанной с такими явлениями, как ветер или землетрясение), так и техногенной (вызванной деятельностью человека, например строительными работами, движением транспорта). Из опытов обследований очевидно, что вибрация может стать одной из причин повреждения конструкции здания, снижения его эксплуатационной надежности: уменьшая устойчивость, ухудшая несущую способность конструкций. Вибрацию сооружения следует контролировать, для определения, насколько действующие вибрационные нагрузки опасны как для конструкции в целом, так и для ее частей.

Вибрационный (динамический) мониторинг является инструментом оперативной корректировки хода производства работ и выполняется как для обеспечения сохранности конструкций строящегося или реконструируемого здания (сооружения), так и соседней застройки. Основной задачей динамического мониторинга является своевременная фиксация превышений критериев безопасного ведения работ.

Вибрационная (динамическая) диагностика метод диагностирования строительных конструкций зданий и сооружений, основанный на анализе параметров вибрации, возникающей за счёт естественных или техногенных факторов.

Цели вибрационного диагностирования:

Диагностика сооружений проводится с целью обнаружения аномалий и дефектов, появившихся в результате конструктивных, технологических или

эксплуатационных ошибок. Сооружение подвергается динамическому воздействию и определяются параметры отклика. Они анализируются и далее, используя конечноэлементное моделирование, определяется реальное напряженно деформированное состояние конструкции.

2. Виды вибрационной диагностики

1) Пассивная диагностика сводится к измерению колебаний сооружения от случайного воздействия. Для сооружений любого типа этим воздействием является фоновый шум - микросейсмы, ветер и техногенные вибрации. Для мостов, эстакад и путепроводов к ним добавляется временная статическая и динамическая нагрузка от проходящего по ним транспорта.

2)Активная диагностика, более точная, опирается на нагружение конструкции вынужденным запрограммированным и точно измеряемым динамическим воздействием. Этот способ имеет достаточно много разновидностей исполнения, но условно, все строительные конструкции нагружаются собственной массой и внешней силой. При нагружении собственной массой вибрации на сооружение передаются через грунтовый массив и этот способ подходит для любых строительных сооружений, он превосходит по простоте реализации, но уступает по точности второму способу нагружению внешней силой. Вторым способом обычно нагружаются мосты, путепроводы и эстакады, на которых непосредственно может располагаться вибратор. Остальные строительные сооружения, такие как здания, дымовые трубы и градирни обычно нагружаются через грунтовый массив. В обоих случаях силовое воздействие выбирается достаточно большим, чтобы превысить естественный шумовой фон, но достаточно слабым, чтобы вызвать какие-либо повреждения в конструкции.

3. Методика испытаний. Анализ и моделирование

В общем случае динамическая диагностика конструкций осуществляется в три этапа:

Расчет по конечноэлементной программе эталонной модели сооружения.

1) Определение собственных частот и нормированной реакции на вынужденное воздействие в частотной области.

2) Составление плана динамических испытаний.

Собственно испытания также делятся на три этапа. На первом этапе подтверждаются или уточняются с необходимой гарантией теоретические результаты предыдущего этапа и назначаются режимы испытаний. На втором этапе проводятся непосредственно подробные испытания. На третьем этапе все результаты испытаний объединяются и просматриваются в виде анимации измеренных колебаний конструкции. Уточняются собственные частоты и формы. Если необходимо, делаются дополнительные измерения. Формируется база данных. Дополнительно делаются обмеры, описание и фотографирование дефектов, нивелировка, выборка проб, образцов и другие вспомогательные работы. После этого производится оценка состояния конструкций, обобщение экспериментальных данных, сравнение с эталонными (расчетными или осредненными) данными, статистическая обработка, расчет по уточненной модели, в том числе на нагрузки по СНИП и завершается написанием отчета.

В настоящее время одной из актуальных проблем в строительстве является диагностика технического состояния конструкций, которая позволяет прогнозировать состояние конструкций, предотвратить аварийные ситуации, и, соответственно, повысить сроки эксплуатации конструкций. При реконструкции зданий и сооружений зачастую возникает проблема усиления конструкций под новые технологические нужды, поэтому разработка новых и совершенствование существующих неразрушающих методов контроля параметров, характеризующих качество изготовления конструкции и её работоспособность в здании или сооружении, весьма актуальна. В связи с этим нашел свое применение интегральный метод неразрушающего вибрационного контроля, оценка показателей качества в котором осуществляется по некоторым обобщенным характеристикам (форме, частоте, логарифмическому декременту колебаний и др.). В большинстве разработанных методах основным динамическим критерием оценки качества конструкций является их первая резонансная частота колебаний. Результаты проведенных исследований свидетельствуют от том, что данный параметр является весьма чувствительным ко многим дефектам строительных конструкций.

Преимущества вибрационного метода заключаются, прежде всего, в его "интегральности", способности отражать совместную работу арматуры с бетоном, избирательности по отношению к наиболее опасным дефектам. С помощью вибрационного метода возможна не только качественная оценка изделий, но и количественное определение характеристик прочности, жесткости и трещиностойкости.

Объектами данного исследования являются железобетонные конструкции (балки и плиты), а предметом исследования - методы вибрационной диагностики.

Сущность, рассматриваемых в данной работе методов локализации дефектов, состоит в сравнении динамических характеристик эталонной конструкции с соответствующими динамическими характеристиками модели с дефектом.

В рамках данного исследования при помощи разработанной информационной системы была построена трехмерная эталонная модель железобетонной балки и модель конструкции в которой моделировался дефект призматической формы. Рассматривается шарнирно-опертая балка 6,00 метров в длину, с размерами поперечного сечения 40Ч70 см. Размеры призматического дефекта, расположенного в 3 метрах от торца балки равны 15 Ч 15 см, глубина 3 см. Задачи которые были выполнены в рамках проведенного исследования:

1) построены трехмерная эталонная модель железобетонной конструкции и модель с призматическим дефектом в программном комплексе конечно-элементных расчетов;

2) разработана APDL программа для решения задачи модального анализа построенной КЭМ для определения собственных частот и форм колебаний;

3) разработана программа на языке высокого уровня с реализацией методов вибродиагностики, передачи решения в программный комплекс конечно-элементных расчетов ANSYS и графического представления данных расчетов;

4) проведен сравнительный анализ возможностей реализованных методов вибродиагностики по локализации поврежденных областей конструкции.

В ходе работы был проведен численный эксперимент, результаты которого свидетельствуют о том, что при увеличении размера дефекта значения частот собственных колебаний уменьшаются, а также свидетельствуют о том, что изгибная форма колебаний, является наиболее информативной характеристикой для локализации дефектов в конструкции.

Рис. 1. Схема железобетонной балки с визуализацией повреждений



Рис. 2. Изменения нормализованных частот собственных колебаний в зависимости от стадии загружения.

Из рис. 2 видно, что состоянию балки на первой стадии загружения свойственны наибольшая частота собственных колебаний, что свидетельствует о максимальной жесткости сечения. Моделирование повреждений балки выполнялось при помощи уменьшения модуля упругости бетона в середине пролета при одновременном увеличении участка повреждения балки. При увеличении области повреждений происходит уменьшение жесткости сечений балки, что вызывает уменьшение величин частот собственных колебаний.

Проведенные исследования подтверждают, что на частоту собственных колебаний конструкций существенно влияет изменение размеров и формы сечения, длины элемента, модуля упругости материала, плотности материала, защитного слоя арматуры, а также наличие таких дефектов, таких, как выкрашивание бетона, пустоты, необходимые для проведения коммуникаций, зоны недоуплотнения бетона. Нельзя не отметить тот факт, что вибрационный метод интегральной оценки качества и надежности железобетонных конструкций может быть успешно применен для выявления места расположения дефекта изделия по его длине, что подтверждено исследованием, проведенным в данной работе. По сравнению с известными методами неразрушающего контроля (ультразвуковой, акустической эмиссии и др.) вибрационный метод отличается простотой реализации и невысокой трудоемкостью.

Отметим, что разработанная в рамках данного исследования информационная система, позволяет сопоставить динамические характеристики эталонной КЭ модели и экспериментальные данные конструкции, полученные в результате проведения натурного эксперимента.

Собственные частоты и соответствующие формы колебаний приведены на рис. 3.

Рис. 3. Формы колебаний балки (a) 1-ая частота [26.767 Гц], (b) 2 частота

Основная собственная частота эталонной модели равна 26,774 Гц, частота модели с дефектом составляет 26,738 Гц. Наилучшие результаты о местоположении дефекта в конструкции получены при помощи метода изменения формы колебаний эталонной модели конструкции и модели с повреждением. Основой данного метода является критерий модальной сходимости (MAC). Входными параметрами являются частоты собственных колебаний конструкции и соответствующие им формы колебаний.

Значения МАС при использовании форм колебаний ? и ?* (значения перемещений формы колебаний конструкции в поврежденном и неповрежденном состоянии соответственно в j-ой точке мониторинга по длине балки) определяется как:

строительный конструкци

я технический вибрационный

где x - расстояние от левого торца балки до точки мониторинга (точки измерения перемещения соответствующей моды колебаний),

n - число точек измерения перемещений формы колебаний.

Значение МАС, таким образом, показывает степень корреляции между двумя модами колебаний конструкции и изменяется от 0 до 1, где 0 соответствует отсутствию корреляции, а 1 - идеальной корреляции. Отклонения от 1 значений МАС, полученные в результате сравнения значений двух форм колебаний, измеренных в определенной конструкции, может быть интерпретировано как идентификация повреждения в данной конструкции.

Рис. 4. Локализация призматического дефекта

Результаты локализации призматического повреждения балки, при помощи метода изменения формы колебаний приведены на рис. 4.

На рис.4. приведен график изменения формы колебаний модели конструкции, на котором четко выраженный пик точно указал расположение поврежденной области. Погрешность локализации повреждения балки составила 7-9 см при использовании 7 точек мониторинга. Отметим также, что при увеличении числа точек мониторинга вдоль балки величина погрешности уменьшается.

В ходе проведения численных исследований были получены достоверные значения о локализации места повреждения, это свидетельствует о том, что при помощи реализованных методов вибродиагностики с достаточной степенью точности можно спрогнозировать место повреждения конструкции. Было установлено, что вероятность успешной локализации повреждений зависит от размеров повреждения конструкции, числа точек мониторинга а также расположения места повреждения на конструкции. Также было выявлено что при расположении дефекта близ опоры погрешность локализации увеличивается и зависит от количества точек мониторинга.

Применение разработанной информационной системы на практике позволит сократить время обследования конструкций за счет предварительного определения мест, на которые необходимо обратить особое внимание при проведении комплексного обследования конструкции. Реализованные в данной работе вибрационные методы диагностики состояния строительных конструкций могут найти широкое применение при обследовании зданий и сооружений.

4. Диагностические параметры

При вибрационной диагностике анализируются виброскорость, виброперемещение, виброускорение.

1) Виброскорость позволяет учитывать наличие высокочастотных составляющих в спектре вибрации и, кроме того, является исходным параметром для определения вибрационной мощности. Поэтому в последнее время наблюдается тенденция к переходу нормирования по виброскорости. Виброскорость принято оценивать по эффективному значению, которое позволяет легко сравнивать гармонические и сложные колебания по их энергии.

2) Виброперемещение наиболее целесообразно характеризовать размахом колебания, так как при наличии четных гармоник наибольшие значения положительного и отрицательного отклонений могут быть различными. Поэтому только размах, т.е. сумма абсолютных значений наибольших положительного и отрицательного отклонений, может быть принята за меру виброперемещения.

3) Виброускорение - в свою очередь, производная по времени от виброскорости. Характеризует инерционную силу, которая воздействует на объект при вибрации

Применение метода:

Наибольшее развитие метод получил при диагностировании подшипников качения. Также вибрационный метод успешно применяется при обследовании строительных конструкций зданий и сооружений.

Преимущества:

• метод позволяет находить скрытые дефекты;

• метод, как правило, не требует вскрытия конструкции;

• малое время диагностирования;

• возможность обнаружения дефектов на этапе их зарождения.

Недостатки:

• особые требования к способу крепления датчика вибрации;

• зависимость параметров вибрации от большого количества факторов и сложность выделения вибрационного сигнала, обусловленного наличием неисправности

• низкая точность диагностирования

5. Основные приборы измерения вибрации (виброметры)

Измерители параметров вибрации - Вибран-2.2

Назначение:

* Мониторинг и вибродиагностика конструкций, оснований, сооружений, мостов, машин, механизмов, вибрационного оборудования, компрессорных станций

* Обнаружение и оценка влияния случайных импульсных и краткопериодических воздействий на объект обследования

* Исследование виброустойчивости объектов

Преимущества:

* Широкие возможности прибора при весьма малых габаритах

* Возможность продолжительного непрерывного мониторинга при высоком разрешении

* Широкий динамический и частотный диапазоны, высокая чувствительность

* Вибродатчики с встроенной электроникой

Основные функции:

* Работа в режиме вибросборщика в течение длительного времени

* Режим виброанализатора с выбираемыми частотными диапазонами и типом спектра

* Режим непрерывного спектрального анализа по 100...800 линиям спектра

* Режим виброметра с вычислением СКЗ виброскорости

Виброметр низкочастотный ВИСТ-3

Назначение и применение:

* Низкочастотный контроль вибрационного оборудования, машин, механизмов, фундаментов, трубопроводов, компрессорных станций и т.п.

* Технологический контроль виброустановок, применяемых для уплотнения бетона в производстве железобетонных изделий

Преимущества:

* Имеет функции анализатора и с визуализацией вибросигнала

* Оцифровка, визуализация и запись выборок сигналов виброколебаний

* Широкий динамический диапазон - до 80 дБ

Основные функции:

* Измерения СКЗ виброскорости / виброускорения

* Измерение амплитуды виброперемещений

* Вычисление спектра сигнала виброколебаний

* Запись и оцифровка выборки сигналов виброколебаний

* Регистрация 1 тыс. протоколов измерений в реальном времени, всех параметров объекта и результатов

5.Примеры реализации применительно к строительным конструкциям ЗиС.

Реальный опыт применения вибрационной диагностики, я решил показать на примере вибрационного обследования конструкций мостов.

Ниже даны АФЧХ (амплитудно-фазовые частотные характеристики) консоли моста через р.Волга в г.Старица (рис.1). Белым цветом показана амплитуда, красным - действительная, синим - мнимая часть. Ось X - частота, ось Y - вертикальное перемещение среднего сечения соответствующей балки в метрах на одну тонну динамического усилия. АФЧХ не зависят от силы возбуждения, если сооружение работает линейно. С их помощью определяются собственные частоты и демпфирующие свойства сооружения. Дополнительно, используя эти характеристики, можно получить анимационную картину колебаний сооружения на любой частоте возбуждения. Во время испытаний моста измерения проводились в 1300 точках конструкции.

На следующем рисунке (рис.2) представлена картина первой формы колебаний пролетного строения моста через р.Тверца в г.Тверь. Цифры 1 и 4 соответствуют положению береговых устоев, 2 и 3 - русловых опор.

Рис.1

Рис.2

Работа проведена лабораторией ВДИ ОАО ЦНИИС. Организация обладает широким спектром возможностей для проведения испытаний строительных конструкций динамическим методом.

Наиболее универсальным с точки зрения решаемых задач, по их мнению, является мобильный диагностический комплекс ВДИК-1-10. Он смонтирован на базе двух автомобилей повышенной проходимости и предназначен для натурных испытаний в жестких климатических условиях.

Источником возбуждения колебаний является мощный сейсмовозбудитель типа СВ-5-150, на базе автомобиля Урал-4320, модифицированный для целей испытания сооружений. Информационно-измерительная система реализована на базе автомобиля Зил-131Н. Диагностический комплекс ориентирован на полевые испытания различных типов наземных сооружений, но возможны испытания моделей строительных конструкций динамическим (вибрационным) методом и в лабораторных условиях.

Конструктивное исполнение кабельной системы приборов позволяет проводить измерения без перебазирования системы на сооружениях протяженностью до 200 м, что сократило время работ при вибродиагностике моста через р. Волга в г. Старице

Заключение

вибрационный диагностика строительный

Техническая диагностика позволяет объективно решать задачи своевременного обнаружения и распознавания имеющихся дефектов и потенциально опасных зон, узлов, деталей и т.п.

В результате появляется возможность сосредоточить прогрессивные меры по ремонту на проблемных участках, вместо непроизводительных затрат на устранение последствий аварий или неоправданно высоких объемов ремонтных работ.

Фактически потребность в высококачественной технической диагностике прослеживается на всех стадиях жизненного цикла объектов.

В свою очередь метод вибрационной диагностики сегодня приобретает всё большее распространение при обследованиях строительных конструкций зданий и сооружений, так как метод позволяет находить скрытые дефекты, существенно экономит время и не требует вскрытия конструкции.

Растущая конкуренция в области вибродиагностики и связи с этим удешевление электронных вычислительных средств и упрощение анализа вибрационных сигналов привело к интенсивному развитию этого метода в последние годы.

Таким образом, познакомившись с вибрационной диагностикой, можно сделать вывод, что метод имеет метод множество положительных черт при обследовании конструкций зданий и сооружений.

Список используемых источников

1) http://beskit-spb.ru

2) http://www.ndt.ru

3) http://hardprom.ru

4) http://www.tehnoplast.ru

5) http://www.interpribor.ru

6) ГОСТ 20911-89 Техническая диагностика. Термины и определения.

7) ГОСТ 24346-80 Вибрация. Термины и определения.

8) СП 13-102-2003

9) ГОСТ 53778-2010

10) Пархоменко П. П. М Основы технической диагностики. В 2-х книгах. Кн.I. Модели объектов, методы и алгоритмы диагноза, «Энергия», 1976.

Размещено на Allbest.ru