Локализация повреждений металлических ферменных конструкций при помощи вибрационных методов
Аннотация
Дата поступления статьи: 18.11.2013Рассматривается вопрос о диагностике состояния строительных конструкций при помощи неразрушающих методов обследования. Данные методы позволяют прогнозировать состояние конструкций, предотвратить аварийные ситуации, и, соответственно, повысить сроки эксплуатации конструкций. Основная цель исследования – оценка возможностей вибрационного метода изменения форм колебаний по обнаружению повреждений конструкции, при отсутствии вынужденного загружения. В статье приведена математическая реализация вибрационного метода идентификации и локализации повреждений металлических ферменных конструкций. Приведены результаты расчета по локализации дефектов треугольной стальной фермы.
Ключевые слова: Вибродиагностика, дефектоскопия, диагностика, конструкция, пролетные конструкции, фермы, ферменные конструкции, дефект, повреждение, вибрация, локализация, идентификация
Диагностика состояния и идентификация повреждений строительных конструкций в рамках масштабного строительства являются особо актуальными задачами, поскольку позволяют прогнозировать состояние конструкций, предотвратить аварийные ситуации, и, соответственно, повысить сроки эксплуатации конструкций. Поэтому в настоящее время возрастают требования к методам диагностики состояния объектов – они должны быть просты и мобильны, чтобы использоваться на этапах проектирования, строительства, эксплуатации, ремонта и реконструкции.
Проведение обследований строительных объектов, в особенности большепролетных металлических конструкций, является весьма сложным вопросом, так как необходимо проведение многочисленных инструментальных и визуальных обследований. Уменьшение расходов на проведение натурных обследований при увеличении информативности применяемых методик об идентификации и локализации повреждений является актуальной научно-исследовательской задачей. Один способов решений данной задачи состоит в применении неразрушающих методов диагностики при проведении натурных испытаний. Цель проведения диагностики с применением вибрационных методов – локализация повреждений в исследуемых элементах конструкций, которые способствуют появлению отклонений динамических параметров сооружения от расчетных.
Определение динамических параметров сооружения, в частности собственных частот и форм колебаний механических систем – одна из важнейших задач, которая позволяет получить интегральную информацию о состоянии конструкции.
В настоящей работе приведены результаты расчета по локализации дефектов треугольной стальной фермы, пролетом L=5 (м), высотой H=1 (м), выполненной из равнополочного стального уголка hр=0.05 (м).
Рис. 1. – Стержневая модель стальной треугольной фермы с указанием расположения повреждения
Основная цель исследования – оценка возможностей вибрационного метода изменения форм колебаний по обнаружению повреждений конструкции, при отсутствии вынужденного загружения. При проведении исследования был использован многофункциональный программный комплекс конечно-элементных расчетов ANSYS, а также разработан программный модуль по локализации повреждений конструкции.
В ходе проведения исследования были построены две модели треугольной стальной фермы:
- модель без повреждения;
- модель с повреждением (длина смоделированного дефекта составляет 0.15 м на расстоянии 2.25 метра относительно левого торца балки, дефект задан путем уменьшения сечения конструкции на 10%).
Стержневая модель конструкции и местоположение дефекта приведены на рис. 1. В общей сложности было смоделировано 10 случаев местоположений повреждений, расположенные в разных местах нижнего пояса фермы. Для 10 различных случаев, продольное расположение центра повреждения варьировалось между 0,15 (м) и 2,25 (м) от опорных точек.
Исходными данными для применения рассматриваемого вибрационного метода являются данные о геометрических параметрах и свойствах материала конструкции, а также собственные частоты конструкции и соответствующие им формы колебаний. На основе этих данных происходит идентификация повреждений в конструкциях с помощью сравнения результатов вибрационного анализа поврежденной и эталонной конечно-элементной моделей.
Результатом модального анализа в программном комплексе ANSYS являются матрицы перемещений форм колебаний которые требуют нормализации, то есть полученные значения должны быть разделены на сумму всех значений в матрице. Далее рассчитывается параметр 
, при помощи которого происходит анализ конструкции на повреждения. Значения параметра 
при использовании значений форм колебаний 
и 
определяются как:
где n – число точек интерполяции формы колебаний (n=50),
– значения перемещений в i–ой точке эталонной конструкции,
– значения перемещений в i –ой точке конструкции с повреждением.
На графиках, приведенных ниже, рассмотрены результаты исследований конструкции на наличие повреждений. Контролируемые параметры рассчитываются с использованием основной формы колебаний, измерение перемещений выполняется в 7, 15 и 30 точках конечно-элементной модели конструкции, при этом повреждение удалено от левой опоры на 2,15 (м).
Рис. 2. – Локализация повреждения треугольной фермы
Корреляции значений прогнозируемого и фактического места повреждения для всех 10 случаев различного расположения повреждений, рассчитанные при помощи рассматриваемого метода, приведены на рисунке 3.
Рис. 3. – Локализация повреждения треугольной фермы (a – 7 точек мониторинга, b – 15 точек, с – 30 точек)
Графики представленные на рисунке 2 (b) и (c), соответствующие 15 и 30 точкам измерения показывают, что рассматриваемый метод позволил с достаточной степенью точности идентифицировать местоположение повреждения конструкции. При уменьшении количества точек измерения, точность определения местоположения повреждений снизились.
Полученные в ходе проведения исследования результаты свидетельствуют о том, что значения 
являются хорошим индикатором наличия и расположения места поврежденной области конструкции. При мониторинге в 7 точках (случай, когда повреждение удалено от левой опоры на 2.25 м) погрешность локализации дефекта составила 0.35 м, в 10 точках - 0.3 м и при мониторинге перемещений в 30 точках погрешность равна 0.15 м.
Стоит отметить, что были получены достоверные значения о локализации места повреждения, это свидетельствует о том, что при помощи рассмотренного вибрационного метода с достаточной степенью точности можно спрогнозировать место повреждения конструкции, при условии точного определения основной (изгибной) формы колебания конструкции.
В данной работе на примере конечно-элементной модели шарнирно-опертой ферменной конструкции выявлено, что максимальная абсолютная величина изменений в кривизне форм колебаний эталонной и поврежденной конструкции сосредоточена в местах повреждений.
Литература:
- ГОСТ Р 53778-2010. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. – М.: Стандартинформ, 2010. – 90 с.
- ГОСТ Р 22.1.12-2005. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений. Общие требования. – М.: ИПК «Издательство стандартов», 2005. – 26 с.
- ГОСТ Р 52892-2007 «Вибрация и удар. Вибрация зданий. Измерение вибрации и оценка ее воздействия на конструкцию»
- Ермолов И. Н. Останин Ю. Я. Методы и средства неразрушающего контроля качества. М.: Высшая школа, 1988. - 368 с.
- Живаев, А.А. Корреляционный анализ показаний датчиков системы мониторинга строительного объекта. – Пенза: ПДЗ, 2010. – С. 34-37.
- А. Н. Бескопыльный, М. И. Кадомцев, А. А. Ляпин. Методика исследования динамических воздействий на перекрытия пешеходного перехода при проезде транспорта [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2011, №4. – Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1368 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
- М. И. Кадомцев, А. А. Ляпин, Шатилов Ю.Ю. Вибродиагностика строительных конструкций [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, №3. – Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/941 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
- Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов. — 2-е. — СПб.: Питер, 2007. — С. 751.
- Salawu, O.S. Bridge Assessment Using Forced-Vibration Testing, 1995. — p. 751.
- Zhengjie Zhou. Vibration-Based Damage Detection of Bridge Superstructures, VDM Verlag, 2008. — p. 751