Моніторинг поведінки конструкції та цілісності мосту під час складного процесу реконструкції

Природне зношування, збільшення інтенсивності руху та тимчасові пошкодження мосту Герсіліу Луза зумовили необхідність проведення ремонтних робіт. Компанія Teixeira Duarte отримала замовлення на відновлення мосту з використанням технології HBK, в рамках якої було обрано оптичні датчики та інтерогатори з технологією FBG.

Виклик

З моменту введення в експлуатацію міст Герсіліу Луза стикається з різними викликами. Це корозійний вплив морської води, природний знос конструкції і, нарешті, збільшення навантаження та кількості транспортних засобів, що значно перевищують показники, на які міст був розрахований у 1926 році. Проте завдяки постійному профілактичному обслуговуванню міст, навіть через майже 90 років, зберіг свою первісну конструкцію. Зараз, як ніколи раніше, існує необхідність його відновлення з додатковим викликом — збереженням його оригінальності, від геометрії до деталей з’єднувальних елементів.

Рішення

У рамках проекту, реалізація якого може тривати майже 3 роки, компанія Teixeira Duarte була залучена для повної реконструкції мосту Герсіліу Луз, що включає заміну опорних кріплень на головних вежах, зміцнення та відновлення фундаментів, реконструкцію металевої конструкції, заміну поперечних балок, кріплень та головних тросів, а також роботи з перенесення вантажів. Встановлення нових прогонів для руху автомобілів, пішоходів та мотоциклів. Для цього проекту компанія Teixeira Duarte вирішила використовувати технологію HBK, включаючи датчики та оптичні зчитувачі з технологією Fiber Bragg Grating (FBG) для моніторингу деформації в критичних точках конструкції, електричні датчики для зчитування різних сигналів, включаючи нахил, температуру, вітер та морський потік. Все це поєднано з інженерними послугами з установки датчиків, створенням програмних скриптів для моніторингу, запису даних та генерації сигналів тривоги, а також дистанційною підтримкою у разі будь-якої несправності.

Результат

Найбільш відповідальна частина проекту, пов’язана з перенесенням навантаження з центрального прольоту мосту на допоміжні конструкції, була успішно виконана, і існує ймовірність, що після завершення реставрації за станом споруди буде здійснюватися постійний моніторинг.

Архітектура системи

Для оснащення мостової конструкції було обрано гібридну архітектуру, яка передбачає використання як оптичних датчиків на основі волоконних решіток Брегга (FBG), так і традиційних електричних датчиків для вимірювання різних параметрів. Вимірювання деформацій, температури, швидкості вітру та морських течій є частиною загальної системи моніторингу. Загалом 284 оптичні датчики були підключені до 3 інтеррогаторів HBK FiberSensing. Використовуючи оптичну мережу, яка була встановлена для передачі сигналів від оптичних датчиків, було інтегровано комунікацію HBK PMX для зчитування даних з електричних датчиків у двох 24-канальних багатоволоконних кабелях, прокладених вздовж 800 м мосту.

У стратегічних точках для підключення датчиків багатоволоконний кабель було розгалужено, щоб індивідуально підключити кожне волокно до датчиків. Усі з’єднання були захищені спеціальними коробками вздовж конструкції.

З метою спрощення та прискорення процесу монтажу, що є важливою умовою реалізації проекту, оптичні датчики були поставлені у вигляді попередньо зібраних ланцюгів датчиків. Залежно від елементів конструкції, на яких вони мали бути розміщені, було обрано два різні методи монтажу датчиків. Оскільки міст є металевою конструкцією, найбільш очевидним вибором став точковий зварювальний монтаж датчиків. Для центральних ферм та допоміжних опор — елементів, що залишаються в конструкції протягом усього проекту — саме цей варіант монтажу було обрано. Для поперечних балок — деталей, що підлягають заміні — було обрано датчики, що приклеюються. Ланцюги датчиків включали датчики деформації та температури. Поєднання цих двох датчиків необхідне для компенсації впливу температури на вимірювання деформації.

Загальна схема з позначенням основних точок, де встановлено датчики для моніторингу

А) поперечні балки (O);

Б) нижні допоміжні опори (AI);

В) допоміжні опори (TA);

Г) нижні тяги (IC);

Д) верхні троси (CS);

Е) діагональні підсилювальні елементи (DR)

Система збору даних

Усе обладнання для збору даних підключено до диспетчерської. Як оптичні, так і електричні платформи обмінюються даними через мережу Ethernet, а їхнє з’єднання здійснюється за допомогою оптичних комутаторів Ethernet, як це зазвичай буває в мережах такого типу.

Для глобальної системи було використано два комп’ютери: один призначений для моніторингу та запису даних у режимі 24/7, а інший — для подальшої обробки вже записаних даних. Для збору, запису та аналізу даних використовувалося програмне забезпечення catman. Було створено кілька скриптів для автоматизації певних завдань, таких як періодичне формування звітів та сигналів тривоги як для операторів на місці, так і для віддалених інженерів, включаючи компанію HBK, яка мала отримати віддалений доступ у разі потреби.

Важливість вимірювання деформацій під час реконструкції мосту

Під час реконструкції мосту Герсіліу Луз деякі з вищезазначених етапів мали вирішальне значення. Наприклад, перенесення навантаження на початку та в кінці робіт. Ці перенесення навантаження відбуваються в моменти, коли гідравлічні домкрати приводяться в дію для підйому прогону мосту з метою перенесення навантаження, що підтримується анкерними стрижнями, на нижню тимчасову конструкцію, якою є чотири «опорні вежі» або «TA», побудовані для цього проєкту. У конструкції такого розміру та з серйозними пошкодженнями, як у цьому випадку, перенесення навантаження такого типу може спричинити руйнування мосту або тимчасової конструкції, і саме в цей момент вимірювальне обладнання стає надзвичайно важливим. Щоб гарантувати, що весь процес відбувався з максимальною безпекою, вимірювалися сигнали деформації в тимчасовій конструкції для оцінки того, чи рівномірно переноситься навантаження між конструкцією та мостом, а також для перевірки, чи відбувається розвантаження навантаження відповідно до очікувань.

Процес перенесення навантаження здійснювався поетапно, і після кожного етапу результати порівнювалися з чисельними моделюваннями інженерами, відповідальними за проект, щоб підтвердити, що поведінка конструкції відповідає очікуваній.

Вимірювання нахилу також проводилися на опорах тимчасової конструкції та на самому мосту.

Ще одним важливим аспектом є навантаження, що створюються вітром і припливами. Оскільки міст розташований у прибережному регіоні, у місці звуження між островом і материком, швидкість вітру може досягати значних значень, що може завадити проведенню реставраційних робіт. З цієї причини проводилися вимірювання морських течій і вітру, а також зчитувалися дані з усіх датчиків деформації та температури, встановлених уздовж мосту.

Вибір технології оптичного вимірювання деформації

При використанні електричних тензодатчиків у великих конструкціях, де потрібна велика кількість датчиків, кількість електричних кабелів стає серйозною проблемою, оскільки вимірювальні кабелі дорогі та громіздкі. Крім того, вимірювання за допомогою датчиків такого типу на відстані в сотні метрів є неможливими через вплив електромагнітних перешкод у довгих кабельних лініях. У таких випадках необхідно розміщувати системи збору даних по всій конструкції, що є недоліком через ризик пошкодження обладнання, не кажучи вже про проблеми з підключенням між цим обладнанням та системою зберігання даних.

Волоконно-оптичні датчики мають величезні переваги, такі як високі межі втоми, мультиплексування та стійкість до електромагнітних перешкод. Асортимент тензодатчиків та інших оптичних датчиків на основі FBG від HBK FiberSensing є ідеальним вибором для вимогливих завдань тестування та вимірювання. Ознайомтеся з повним асортиментом оптичних датчиків, що пропонує HBK, тут.

Принцип дії оптичних датчиків на основі мереж Брегга. Відбиваються лише певні довжини хвиль, а зміна положення піку відбитої хвилі може бути перетворена на значення величини, що вимірюється.

Відгук

Найбільш технічно складною операцією є процедура перенесення навантаження, яка полягає у знятті натягу з анкерних стрижнів, що дозволяє послідовно замінювати їх. Виконання цієї процедури передбачало оснащення кількох точок оригінальної та тимчасової металевої конструкції датчиками деформації, а також встановлення інших електричних датчиків, таких як інклінометри та кліматичні датчики, загальною кількістю 312 штук. Компанія HBK представила найкращу пропозицію щодо постачання та монтажу, що було досягнуто завдяки оптимізованому використанню комбінованих технологій — оптичної технології для вимірювання деформації та передачі даних до центру управління та електричної технології для інших вимірювань — а також методології своєчасного монтажу, що було необхідним з огляду на фізичний графік робіт.

Компанія HBK продемонструвала високий рівень компетентності під час монтажу всієї системи моніторингу та змогла дотриматися строків завершення робіт, незважаючи на несприятливі погодні умови, що спостерігалися протягом більшої частини періоду монтажу. Після завершення монтажу компанія HBK надавала пряму підтримку протягом перших місяців експлуатації, а потім уклала угоду про технічну допомогу, яка діятиме до завершення передачі вантажу. Технічне обслуговування системи здійснює технічний спеціаліст компанії Teixeira Duarte, який пройшов навчання у компанії HBK, постійно перебуває на об’єкті, а також команда дистанційної підтримки компанії HBK. Такі відносини співпраці дозволили забезпечити належну роботу системи моніторингу.

Ricardo Martins, Project Engineer, Teixeira Duarte