from 01.01.2019 until now
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI) (Obscheinzhenernye discipliny, professor)
from 01.01.1980 to 01.01.2019
Moskva, Moscow, Russian Federation
Moscow State University of Civil Engineering (Department of Information Systems, Technology and Automation of Construction)
Novocherkassk, Rostov-on-Don, Russian Federation
The article provides an analysis of techniques and devices used in monitoring and evaluating the parameters of the stress-strain state of load-bearing structures of buildings and structures. The prototype and the principle of operation of converters for measuring linear displacements under dynamic loads are described. The description of a new innovative linear sensor developed on the basis of an "electro-chemical converter" is given. At the end of the article, the tasks and directions of further research are given.
Structural Health Monitoring, magnetic sensor, linear sensor, cracks, bridges
Важным вопросом технического состояния строительных конструкций являются дефекты, возникающие в результате агрессивных техногенных и природных воздействий, эксплуатационных нагрузок и климатических явлений [1-8]. Эти негативные факторы приводят к изменению эксплуатационных характеристик конструкций и снижению их эксплуатационных свойств, в том числе несущей способности, а также снижению их остаточного ресурса [9]. В связи с этим точная и своевременная оценка различных дестабилизирующих факторов, безусловно, может способствовать безопасности и снижению экономических рисков. Для этих целей в инженерной практике используются системы мониторинга инженерных конструкций (СМИК) [10-14]. Однако такие системы далеко не всегда используются при строительстве и эксплуатации объектов гражданской инфраструктуры.
В работе [15] обратили внимание, что основным ограничением практики мониторинга мостов является отсутствие подробной информации о поврежденных участках. Существующие методы обследования, по-видимому, не совсем адекватны для точного отражения истинного состояния конструктивных элементов моста [16], а информация о состоянии, полученная в результате проверок, часто не имеет прямого отношения к общему состоянию всей конструкции [17]. Авторы работы [18] сообщают, что исследований по мониторингу и раннему предупреждению рисков при реконструкции существующих мостов мало, а точных методов оценки и прогнозирования состояния строительства все еще нет. Эта ситуация, вероятно, связана с необходимостью сбора относительно большого количества данных при мониторинге конструкций, чтобы правильно судить о техническом состоянии и повреждениях моста.
Несвоевременная работа по выявлению и устранению дефектов гидротехнических сооружений может привести к выходу из строя как конструктивного элемента, так и самого сооружения. Гидротехнические сооружения требуют особого внимания и соответствующего управления, что не всегда возможно при использовании устаревших стратегий мониторинга. [19]
Исходя из вышеизложенного, большинство методов обследования и оценки технического состояния объектов гражданской инфраструктуры до сих пор используют относительно простую инструментальную базу с ограниченными функциональными возможностями [20]. Обладая высокой достоверностью, эти методы контроля могут выполняться только в период планового осмотра, ремонта или реконструкции. Кроме того, процесс мониторинга может быть очень трудоемким и, следовательно, неэффективным при выполнении задач на технически сложных объектах.
Среди ряда аспектов мониторинга состояния конструкций в рамках данной работы авторы акцентируют внимание на измерении линейных перемещений потенциально отрицательного характера: выявление трещин и деформационных швов, изменение геометрического положения конструкций в стыках. Одним из решений существующих проблем могут стать современные разработки в области электромагнетизма. Большое количество исследований посвящено новым усовершенствованным датчикам положения [21], перемещений [22] и контроля трещин [23] на основе магнитных эффектов. Однако использование магнитных датчиков часто связывают со сферой машиностроения и автомобилестроения.
В качестве метода измерения линейных перемещений был выбран магнитный, как наиболее предпочтительный, поскольку он превосходит электрические (LVTD-датчики, потенциометры) и оптические (оптические энкодеры) по всем ключевым показателям: простота, стоимость, надежность. Как и LVDT, магнитные датчики обеспечивают бесконтактное измерение, которое решает проблему трения и требования к износу. Кроме того, высокая линейность и стойкость к вибрациям, создаваемым другими рабочими органами, делают магнитные датчики более предпочтительными [24].
Функциональная схема прототипа линейного датчика (см. рис. 1) предполагает наличие двух отдельных конструктивных элементов: измерительной части с датчиком Холла и электронной платы управления в герметичном корпусе. Измерительная часть формирует выходной сигнал при возникновении в системе входного воздействия и передает его на аналоговый вход электронной платы управления. Далее производится операционная обработка аналогового сигнала, содержащего информацию о линейном перемещении, результатом которой является передача данных по беспроводному каналу связи.
Рис. 1. Функциональная схема прототипа линейного датчика
Следует отметить, что в описываемой измерительной системе предусмотрена техническая возможность использования сразу двух аналоговых датчиков (датчика Холла или другого), что позволяет увеличить количество регистрируемых параметров, а также общую эффективность и надежность работы.
Измерительная часть состоит из двух линейно перемещающихся друг относительно друга рельсов с пазами, на одном из которых установлен датчик Холла, а на другом с воздушным зазором менее 1 мм расположен магнит прямо под датчиком. Соединение выполнено шарнирным, что позволяет рельсам менять свое пространственное положение сразу в двух плоскостях, параллельных поверхности объекта.
Вторым конструктивным элементом датчика является корпус, устанавливаемый в непосредственной близости с необходимым набором разъемов и гермовводов, в котором размещена электронная палат управления, соединенная с датчиком Холла проводным интерфейсом.
Электронная плата управления прототипа линейного датчика представляет собой диэлектрическую печатную плату, включающую в себя ряд электронных компонентов и измерительный блок, соединенные электронной измерительной схемой. Основная функция платы заключается в приеме, обработке и передаче сигнала, формируемого преобразователем (датчиком Холла), с информацией о линейном перемещении исследуемого объекта. Основные электронные компоненты платы:
- ПОУ (программируемый операционный усилитель) со встроенным аналого-цифровым преобразователем сигналов;
- микроконтроллер;
- блок питания: аккумулятор;
- GSM-модуль
- датчик температуры и влажности;
- набор резисторов, конденсаторов, диодов.
Результаты проектирования измерительной части прототипа линейного датчика для его дальнейшего изготовления методом FDM-печати (3D-печать полимером PETG) представлены на рис. 2 и 3.
Рис. 2. Модель МП датчика (нулевое положение)
Рис. 3. Модель МП датчика (крайние положения)
Дальнейшее развитие работы может быть связано с многоосевым измерением перемещений, что возможно благодаря наличию магнитных датчиков, способных решить такую задачу. В данном случае речь идет о реализации конструкции измерительной части датчика с несколькими степенями свободы и разработке развитой математической логики аппаратуры определения пространственного положения.
Также стоит отметить, что обработка, сокращение и хранение данных являются принципиальными проблемами СМИК, в частности наличием большого количества датчиков, установленных на контролируемой конструкции. Доступность процедур, способных уменьшить объем передаваемых данных, является ключевым аспектом надежности и устойчивости систем. Предложенное решение, в котором датчик выполняет еще и функции регистратора данных, объединяет сразу две подсистемы СМИК – собирающую и передающую данные. Это может снизить необходимую мощность системы для анализа данных, затраты на развертывание и повысить надежность и оптимизацию ресурсов, что имеет решающее значение для современных систем мониторинга [25], а также продолжает ранее выполненные работы [26-29].
1. Krakhmalny T.A., Evtushenko S.I. Defects and damages of ground bases of industrial buildings // Construction and architecture (2019). Volume 7. Issue 3 (24) 2019. - pp.45-49. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2019-7-3-45-49
2. Krakhmalny T.A., Evtushenko S.I. Defects and damages of columnar foundations of buildings // Construction and architecture (2019). Volume 7. Issue 4 (25) 2019. - pp.36-40. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2019-7-4-36-40
3. Krakhmalny T.A., Evtushenko S.I. Defects and damages of reinforced concrete concrete industrial buildings // Construction and architecture (2020). Volume 8. Issue 2 (27) 2020. - pp.5-10. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2020-8-2-5-10
4. Krakhmalny T.A., Evtushenko S.I. Defects and damages of metal columns of industrial buildings // Construction and architecture (2021). Volume 9. Issue 2 (31) 2021. - pp.11-15. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2021-9-2-11-15
5. Krakhmalny T.A., Evtushenko S.I. Damage to reinforced concrete panels of industrial and water buildings // Construction and architecture (2021). Volume 9. Issue 2 (31) 2021. - pp. 66-70. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2021-9-2-66-70
6. Krakhmalny T.A., Evtushenko S.I. Defects and damages of metal tints-new beams of industrial buildings // Construction and architecture (2021). Volume 9. Issue 3 (32) 2021. - pp. 11-15. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2021-9-3-11-15
7. Krakhmalny T.A., Evtushenko S.I. Damage to the Vertical Braces of Industrial Buildings // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 1079 (2021) 052086 doi:https://doi.org/10.1088/1757-899X/1079/5/052086
8. Krakhmalny T.A., Evtushenko S.I. Typical defects and damage to the industrial buildings’ facades // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 775 (2020) 012135, doi:https://doi.org/10.1088/1757-899X/775/1/012135.
9. Krakhmalny T.A., Evtushenko S.I., Krakhmalnaya M.P. On the issue of the residual resource of long-term bridges over drainage channels // Bulletin of the Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Russia: Construction and Architecture. 2014. Issue 35 (54). pp. 166-170.
10. Krakhmalny T.A., Evtushenko S.I., Krakhmalnaya M.P. New system of monitoring of a condition of cracks small reinforced concrete bridge con-structures // In the collection: Procedia Engineering. 2016. pp. 2369-2374.
11. Information technologies in the study of industrial buildings / Evtushenko S.I., Krakhmalny T.A., Krakhmalnaya M.P., Chutchenko I.A. // Construction and architecture. 2017. Volume 5. Issue 1 (14). pp. 65-71. doi:https://doi.org/10.12737/article_592eb1694d6262.73142749
12. Evtushenko S.I., Krakhmalny T.A., Krakhmalnaya M.P. System for monitoring the condition of cracks and joints of buildings and structures // Patent for invention RU 2448225 C1, 04/20/2012. Application no. 2010140257/03 dated 01.10.2010
13. Improvement of research methods for facades of industrial buildings / Evtushenko S.I., Krakhmalnaya M.P., Shapka V.E., Babets N.N. // Construction and architecture. 2017. Volume 5. Issue 2 (15). pp. 140-144. doi:https://doi.org/10.12737/article_5950d228c2ae96.86803061
14. Evtushenko S.I. New systems for monitoring and control of defects and damages of building structures / Evtushenko S.I., Krakhmalny T.A., Firsov V.V., Lepikhova V.A., Kuchumov M.A. // Construction and architecture (2020). Volume 8. Issue 1 (26) 2020. - pp. 11-18. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2020-8-1-11-18
15. McGuire B.M., Atadero R., Clevenger C., Ozbek M. Using Building Information Modeling to Track and Assess the Structural Condition of Bridges / Mountain-Plains Consortium, 2016 - p. 12
16. Zhou, G.-D.; Yi, T.-H. Recent developments on wireless sensor networks technology for bridge health monitoring. Math. Probl. Eng. 2013, p. 2
17. Rafiq M.I. Structural health monitoring for maintenance management of deteriorating structures: Current practice and state of the art / In Proceedings of the 2nd International and 6th National Conference on Earthquake & Structures, Kerman, Iran, 14-15 October 2015 - pp. 1-19
18. Meizhen Fu, Yuxiong Liang, Qingsong Feng. Research on the Application of Multi-Source Data Analysis for Bridge Safety Monitoring in the Reconstruction and Demolition Process / Buildings 2022, 12, 1195. doi:https://doi.org/10.3390/buildings12081195 - p. 2-3
19. Nowak B., Ptak M., Sojka M. Monitoring of the Technical Condition and Optimisation of the Functioning of Small Hydraulic Structures in Poland: The Case Study of the O´swiecim Weir / Buildings 2022, 12(10), 1527; doi:https://doi.org/10.3390/buildings12101527
20. Rodriguez G., Casas J.R., Villaba S. Cracking assessment in concrete structures by distributed optical fiber / 2015 Smart Mater. Struct. 24 035005
21. Vega R.C., Cubas G., Sandoval-Chileño M.A., Castañeda Briones L.A. / Position Measurements Using Magnetic Sensors for a Shape Memory Alloy Linear Actuator / Sensors 2022, 22(19), 7460; doi:https://doi.org/10.3390/s22197460
22. Zhang J., Shi Y., Huang Y. A Displacement Sensing Method Based on Permanent Magnet and Magnetic Flux Measurement / Sensors 2022, 22(12), 4326; doi:https://doi.org/10.3390/s22124326
23. Gkantou, M., Muradov, M., Kamaris, G.S., Hashim H., Atherton, W., Kot P. Novel electromagnetic sensors embedded in reinforced concrete beams for crack detection / Sensors (Switzerland) 19(23), 5175.
24. Papoutsidakis M., Drosos C., Chatzopoulos A. Position Sensors - A Brief Guide of Use of the Most Common Types / International Journal of Computer Applications - March 2018 - p. 11.
25. Nong S.-X., Yang D.-H., Yi T.-H. Pareto-Based Bi-Objective Optimization Method of Sensor Placement in Structural Health Monitoring / Buildings 2021, 11(11), 549; doi:https://doi.org/10.3390/buildings11110549
26. Evtushenko S.I., Kuchumov M.A. New Soil Stress Measurement Sensor Based on the Effect of Elastic Charging of Electrodes // Buildings 2022, 12(3), 327; doi:https://doi.org/10.3390/buildings12030327
27. Evtushenko S.I., Lepikhova V.A., Kuchumov M.A., Scibin E.G., Krachmalniy T.A. Automated monitoring systems for defects and damages of building structures and materials // (2021) IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 1083 012079. doi:https://doi.org/10.1088/1757-899X/1083/1/012079
28. Evtushenko S.I., Adamcevich L.A., Kuchumov M.A., Zheleznov E.M. Determination of dynamic stresses in railway infrastructure construction facilities // Construction and architecture (2022) Volume 10, Issue 1 (34). - pp. 16-20. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2022-10-1-16-20
29. Evtushenko S.I., Adamcevich L.A., Kuchumov M.A., Zheleznov E.M. Automated system for monitoring dynamic parameters of the stress-strain state // Information resources of Russia. - 2022. - Issue 2 (186). - pp. 27-35. doi:https://doi.org/10.52815/0204-3653_2022_02186_27
