Dynamické monitorovanie zdravia štruktúry

Popis

Teleco SHM Systems je nová pobočka spoločnosti Teleco, ktorá sa zaoberá vývojom pokročilých systémov a inteligentných senzorov pre monitorovanie zdravotného stavu budov a stavieb a pre monitorovanie dopravných a leteckých systémov.

Dynamické monitorovanie zdravia štruktúry

Civilné infraštruktúry, ako sú diaľnice, mosty, občianske a priemyselné budovy, prístavy, letiská, železnice, plynovody a vodovody, zohrávajú kľúčovú úlohu v sociálnom a ekonomickom rozvoji krajín. Tieto systémy sa vyznačujú vysokými nákladmi, vysokými dopadmi na kvalitu života ľudí a predĺženým operačným životom.

Optimálne riadenie týchto systémov si vyžaduje starostlivú rovnováhu medzi potenciálne protichodnými požiadavkami, ako je zabezpečenie vysokého bezpečnostného štandardu za prijateľné náklady. Treba tiež poznamenať, že výnimočné udalosti, ako sú zemetrasenia, záplavy alebo hurikány, si môžu vyžadovať veľmi kritické hodnotenia týkajúce sa integrity preživších štruktúr a ich využívania.

Podobné problémy sa týkajú hodnotenia stavu konštrukcií, ktorých životnosť prekračuje návrhové limity a historických budov ohrozených vysokou úrovňou vibrácií v dôsledku mestskej dopravy a podzemných dopravných systémov v mnohých urbanistických súvislostiach.

Závažnosť týchto problémov nie je v žiadnom prípade obmedzená na hodnotenie integrity štruktúr potenciálne poškodených traumatickými udalosťami; technológie používané v niektorých pokročilých realizáciách, ako sú napríklad budovy s aktívnou antiseizmickou kontrolou, vyžadujú sledovanie ich dynamického správania rozšírené na celú ich prevádzkovú životnosť.

Štrukturálne monitorovanie zdravia (SHM) pozostáva zo súboru metodík, ktoré umožňujú charakterizovať správanie fyzických štruktúr s cieľom odhaliť možné poškodenia.

Možno tiež pozorovať, že všetky fyzikálne štruktúry podliehajú počas svojej prevádzkovej životnosti zmenám v dôsledku zmien fyzikálnych a geometrických vlastností materiálov a ich prepojenia s inými štruktúrami a procesmi (napr. zmeny charakteristík pôdy, infiltrácie vody atď.) ktoré môžu poškodiť ich výkony.

Metodiky SHM sú založené na kontinuálnom meraní zrýchlení v niektorých vybraných bodoch sledovanej konštrukcie pomocou snímačov pracujúcich s vhodnou vzorkovacou frekvenciou. Tieto merania sa potom používajú na identifikáciu dynamických modelov, ktoré dokážu odhaliť odchýlky skutočného správania od referenčného. Systémy SHM tak dokážu v reálnom čase odhaliť anomálie s veľkým predstihom vzhľadom na nebezpečné situácie.

Význam metodík SHM v štruktúre riadenia

Dôvody, ktoré môžu naznačovať implementáciu systémov SHM a ktoré viedli niektoré krajiny k presadzovaniu špecifických nariadení, sú nasledovné:

1) Bezpečnosť. Bezpečnosť má viacero aspektov, ktoré sa týkajú povahy uvažovanej konštrukcie a okolností, ktoré by mohli viesť ku škodám. V tomto kontexte zohrávajú primárnu úlohu, dokonca aj bez abnormálnych udalostí, štruktúry s vysokým sociálnym vplyvom. V rámci tejto kategórie môžeme nájsť budovy, v ktorých sa nachádzajú verejné služby (najmä školy a nemocnice), športové zariadenia, cestné a železničné mosty, aby sme uviedli len niekoľko z najrelevantnejších príkladov.

V abnormálnych situáciách, ako sú situácie po zemetrasení, monitorovacie systémy umožňujú kontrolu maximálnych zrýchlení pozorovaných v rôznych častiach konštrukcie v reálnom čase a tiež porovnanie pozorovaného dynamického správania s referenčným. To umožňuje rýchle opätovné použitie nepoškodených štruktúr a rovnako rýchle vylúčenie poškodených; podrobné inšpekcie tak budú vyhradené pre prechodné situácie. To môže byť spojené s relevantnými ekonomickými aspektmi, keď sa vykonáva vo výrobných zariadeniach.

2) Ekonomické aspekty. Súkromní a verejní správcovia neustále čelia ťažkej rovnováhe medzi nákladmi na údržbu infraštruktúr a bezpečnostnými požiadavkami. Najlepšie výsledky možno dosiahnuť naprogramovaním údržby na základe skutočných potrieb, vyhodnotených pomocou vhodných diagnostických nástrojov, čo si v prípade budov vyžaduje spoľahlivé monitorovanie ich správania, aby bola zaistená široká bezpečnosť. marže.

3) Zachovanie kultúrneho dedičstva. Tento sektor musí brať do úvahy mnohé aspekty, často spojené s opačnou ekonomickou hodnotou. Na jednej strane si zachovanie kultúrneho dedičstva krajiny vyžaduje značné investície, ktoré na druhej strane prispievajú k ekonomickým príjmom spojeným s cestovným ruchom. V tejto oblasti môžu systémy SHM zohrávať rôzne úlohy: zrejmá kontrola možných zhoršení s cieľom naplánovať zásahy pred nezvratným poškodením a vytvorenie databázy obsahujúcej popisy dynamického správania najdôležitejších štruktúr s cieľom umožniť budúce akcie navrhnuté s odkaz na pôvodné charakteristiky.

Technická špecifikácia

Systém Teleco SHM602 a rozsah jeho použiteľnosti

Ideálne systémy SHM by mali byť vybavené robustnými a ekonomickými senzormi, vykonávať lokálne A/D konverzie, aby sa mohli spoliehať na digitálne prepojenia, mali by byť minimálne invazívne, mali by mať jednoduchú inštaláciu, sprístupňovať údaje a modely na diaľku a mali by mať obmedzené náklady.

Systém Teleco SHM602, vyvinutý v rámci spolupráce medzi Teleco SpA a Univerzitou v Bologni, vyhovuje špecifikáciám ISO/DIS 18649 a odporúčaniam Fib Task Group 5.1. Vyhovuje tiež štandardu IP67 a umožňuje inštaláciu akcelerometrických a analógových snímacích jednotiek aj v konštrukciách vystavených drsným podmienkam prostredia, ako sú mosty, priemyselné závody atď. SHM602 je tak možné použiť na implementáciu integrovaných systémov monitorovania konštrukcií a životného prostredia nielen občianskych budov. ale aj celý rad ďalších štruktúr bez potreby dodatočnej ochrany snímačov.

Tieto systémy môžu byť obmedzené na získavanie opatrení, ktoré sa majú použiť na analýzu integrity štruktúr, alebo môžu byť všeobecnejšími systémami, ktoré využívajú architektúru systémovej zbernice a záznamníka údajov na získanie rozšíreného rozsahu meraní. V niektorých prípadoch môže byť užitočné využiť flexibilitu SHM602 aj pri realizácii monitorovacích a logovacích systémov, ktoré sa netýkajú SHM (napr. sledovanie spotreby tepla vo veľkých budovách).

Relevantné skúsenosti

Systémy charakterizované rôznymi úrovňami zložitosti boli inštalované v niekoľkých civilných a priemyselných prostrediach. To umožnilo porovnanie výkonu SHM602 v inštaláciách týkajúcich sa budov prevádzkovaných v širokom rozsahu environmentálnych excitácií a v mostoch silne vzrušených hustou cestnou a železničnou dopravou. Z významnejších aplikácií je možné spomenúť Palazzo Saraceni (Bologna), vežu inžinierskej školy Bolonskej univerzity, niektoré školské a priemyselné budovy a Manhattan Bridge (New York).

Štruktúra a komponenty systému SHM602

SHM602 je pokročilý integrovaný systém určený pre aplikácie SHM (Structural Health Monitoring) v civilných a priemyselných stavbách . Je založená na analýze odozvy týchto štruktúr na environmentálne excitácie (vietor, premávka vozidiel) alebo na umelé podnety (pádová hmotnosť alebo iné mechanické generátory impulzov). Na rozdiel od tradičných systémov, zvyčajne založených na drahých seizmických akcelerometroch a na invazívnych radiálnych spojeniach s riadiacou jednotkou, SHM602 sa spolieha na digitálne technológie a na vloženie senzorov na zbernicu; výhody sa týkajú ceny, spoľahlivosti a necitlivosti na elektromagnetické rušenie. SHM602, ktorý bol vyvinutý v kontexte spolupráce medzi Teleco SHM Systems a Bolonskou univerzitou, sa spolieha na proprietárne algoritmy a technológie. Ide o modulárny systém, ktorého hlavnými komponentmi sú:

Úložná a riadiaca jednotka TSD10

Displej: dotykový 10″
Prevádzková teplota: 0°C +70°C
Prevádzková vlhkosť: 0 – 85 % (bez kondenzácie)
Spotreba: 12W
Porty: USB, CF, Ethernet 100Mb, RS232
Autobus: 2 RS485
Max. počet senzorov na každej zbernici: 16@20Hz, 8@40Hz, 4@80Hz

Senzory TSM02

Prevádzková teplota: -20°C +80°C
Prevádzková vlhkosť: 0 – 95 % (bez kondenzácie)
Ochrana životného prostredia: IP67
Rozsah zrýchlenia: ± 1500 mg (dve osi)
Hluk: •= 0,32 mg pri 20 Hz
Rozsah merania teploty: -20°C +80°C
Rozhranie: zbernica RS485

Analógová zberná jednotka TGA102

Dva diferenciálne vstupy
Zisk: 10 100 (TGA102A); 1,2,10,100,200 (TGA102B)
Rozlíšenie: 16 bit (@ 20 Hz)
Vstupný rozsah: ±4,0 V (G=1)
Vstupný offset: ±8,0V
Max. chyba zisku: 0,15%
Prevádzková teplota: -20°C +80°C
Max. chyba v teplotnom rozsahu pri G=100: 0,004 % výstupného rozsahu/°C
Max. chyba v teplotnom rozsahu pri G=100 (konfigurácia mostíka): 0,006 % výstupného rozsahu /°C
Vstupný odpor (dc): 10 GΩ
Max. vstupné napätie: ±20V
Max. rozdielové vstupné napätie: ±20V
Prevádzková vlhkosť: 0 – 95 % (bez kondenzácie)
Rozhranie: zbernica RS485

TSIC485 – napájacia a filtračná jednotka RS485

Prevádzková teplota: -20°C +80°C
Prevádzková vlhkosť: 0 – 95 % (bez kondenzácie)

TSBR485 – Opakovač signálu a jednotka na vkladanie pomocného napájania

Prevádzková teplota: -20°C +80°C
Prevádzková vlhkosť: 0 – 95 % (bez kondenzácie)
Ochrana životného prostredia: IP67

Softvér na konfiguráciu a zber údajov TBH02

Výber vzorkovacej frekvencie (20/40/80 Hz)
Spustenie/zastavenie zberu údajov
Sledovanie chýb pri akvizícii

Analytický a vizualizačný softvér TGH04

Výpočet výkonového spektra meraných signálov
Vizualizácia pólov identifikovaných modelov
Vizualizácia výkonového spektra signálov
Vizualizácia pridelenia senzorov
Analýza spoľahlivosti modelov
Analýza vhodnosti budenia

Multivariačný softvér na analýzu a diagnostiku TGH06

Výpočet a vizualizácia výkonového spektra meraných signálov
Výpočet a vizualizácia priečnych spektier meraných signálov
Porovnanie výkonových spektier a krížových spektier meraných signálov s referenčnými
Vizualizácia pridelenia senzorov
Analýza spoľahlivosti meraných signálov
Diagnostika abnormálnych situácií
Generovanie alarmových správ.