CZ201614A3 - A method of experimental verification of the state of fatigue failure of building structures - Google Patents
A method of experimental verification of the state of fatigue failure of building structures Download PDFInfo
- Publication number
- CZ201614A3 CZ201614A3 CZ2016-14A CZ201614A CZ201614A3 CZ 201614 A3 CZ201614 A3 CZ 201614A3 CZ 201614 A CZ201614 A CZ 201614A CZ 201614 A3 CZ201614 A3 CZ 201614A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- model
- load
- response
- traffic
- building
- Prior art date
Links
Landscapes
- Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
Abstract
Způsob posuzování zbytkové životnosti dopravních staveb na základě pozorování změn parametrů statistických charakteristik odezvy pozorovaných staveb na jejich provozní dopravní zatížení řeší problém stanovení vztahu mezi pozorovanými změnami odezvy na provozní zatížení a mírou vyčerpání funkční životnosti této životnosti. Metodika vychází z numerického modelu únavové destrukce vyjádřené posloupnosti destrukčních stavů odpovídajících stejnému počtu modelových nízkocyklických přetížení v intervalu modelové životnosti. Je doporučeno při každém dosažení 10% úbytku životnost experimentálně ověřit parametry reálné odezvy na provozní zatížení, nalézt nejbližší odezvu z modelové destrukční posloupnosti, provést příslušnou korekci matematického modelu včetně stanovení upřesněného odhadu zbytkové životnosti a upřesněného odhadu 10% intervalu pro termín dalšího experimentálního ověření reálné odezvy na provozní zatížení získávané monitoringem pomocí strunových tenzometrů, umístěných ve vytipovaných místech s minimálním rizikem narušení experimentu vznikem blízkých poruch předvídaných matematickým modelem.The method of assessing the residual lifetime of traffic structures by observing changes in the parameters of the statistical characteristics of the observed structures response to their traffic load solves the problem of determining the relationship between the observed changes in operating load response and the depletion life of this lifetime. The methodology is based on the numerical model of fatigue destruction expressed by the sequence of destruction states corresponding to the same number of model low-cycle overloads in the model life interval. It is recommended that each time a 10% reduction is reached, the lifetime of the experimental response to the operational load is determined experimentally, the closest response from the model destructive sequence is found, the mathematical model corrected including an estimate of the residual lifetime estimate and a 10% interval estimate for the next experimental verification of the real response to the operating load obtained by monitoring by means of string strain gauges located in selected locations with minimal risk of disruption of the experiment by the formation of near faults predicted by the mathematical model.
Description
Způsob experimentálního ověřování stavu únavového porušení stavebních konstrukcí Oblast technikyMethod of experimental verification of the state of fatigue failure of building structures
Vynález se týká metodiky experimentálního posuzování a odhadu zbytkové životnosti stavebních konstrukcí, zejména dopravních staveb pro potřeby optimalizace jejich údržby.The present invention relates to a methodology for the experimental assessment and estimation of the residual lifetime of building structures, in particular for traffic structures, for the purpose of optimizing their maintenance.
Dosavadní stav technikyBackground Art
Doposud se zatím nepodařilo, zejména pro předepjaté a spřažené silniční mosty, nalézt a zavést spolehlivější, ekonomicky realizovatelnou nedestruktivní metodiku odhadu zbytkové životnosti než ty, které se využívají i pro klasické mostní stavby, neboli stavby, u kterých poruchy vznikají a šíří se od povrchu a proto dostačuje průběžná, obvykle jen vizuální kontrola. Tento stav nevyhovuje především v případě předepjatých a spřažených strategických silničních mostů, kde zárodky poruch vznikají často uvnitř konstrukce.Until now, a more reliable, economically viable, non-destructive methodology for estimating residual lifetime than those used for conventional bridge structures, or structures where faults occur and spread from the surface, has not been found, particularly for prestressed and composite road bridges. therefore, a continuous, usually just a visual check is sufficient. This situation is not particularly satisfactory in the case of prestressed and coupled strategic road bridges, where germs often occur within the structure.
Dosud známé metodiky komplexního testování stavu mechanické funkce stavební konstrukce vycházejí z potřeby realizovat soubor dílčích, případně i komplexních zatěžovacích zkoušek s vyloučením provozu během experimentu.So far known methods of complex testing of the mechanical function of the building structure are based on the need to implement a set of partial or complex load tests excluding operation during the experiment.
Je samozřejmě teoreticky možné realizovat dlouhodobé pozorování systémem dynamické měřicí ústředny a zajistit následné statistické zpracování mezně rozsáhlého souboru měřením získaných dat.Of course, it is theoretically possible to realize long-term observation of a dynamic measurement system and to ensure subsequent statistical processing of a large-scale, large-scale measurement file.
Teorie experimentální statistické dynamiky jako obecná teorie přístupu k třídění informací získávaných experimentem nabízí nejrůznější alternativy popisu mechanické funkce stavební konstrukce, vhodné jako výstup testování pro reprodukovatelné pozorování vývoje příslušné vlastnosti stavební konstrukce během její životnosti, cestou opakovaných jednorázových testů. Problémem je, že u dosud známých, ale spíše jen zatím teoreticky uvažovaných metodik, nebylo nalezeno řešení, které by dávalo současně potřebný soubor testovaných vlastností dostačující pro vytvoření komplexnějšího obrazu o stavební konstrukci a zajišťovalo zároveň naději i na ekonomickou přiměřenost a tím i dostupnost specializovaného testovacího zařízení pro svou aplikaci. Také u dosud ekonomicky reálných metodik založených na periodicky opakovaných zatěžovacích zkouškách naráží tento přístup nepřijatelně často na meze ekonomické realizovatelnosti a to i z důvodu nákladnosti, resp. ztrát souvisejících s výlukou, jelikož právě u těch staveb, které je třeba diagnosticky pozorovat, je nejobtížnější a nejnákladnější zajistit provozní výluku na realizaci experimentů zatěžovacích zkoušek.The theory of experimental statistical dynamics as a general approach to the sorting of experimental information offers a variety of alternatives for describing the mechanical function of a building structure, suitable as a test output for reproducible observation of the development of the relevant building structure during its lifetime, through repeated one-off tests. The problem is that for the hitherto known, but rather only theoretically considered methodologies, no solution was found that would give the necessary set of tested properties sufficient to create a more comprehensive picture of the building structure and at the same time provide hope for economic adequacy and thus the availability of a specialized test device for your application. Also in the case of economically realistic methodologies based on periodically repeated loading tests, this approach often encounters unacceptably the limits of economic feasibility, even for reasons of cost, respectively. losses due to lock-out, as it is the most difficult and costly to ensure operational closure for the implementation of load test experiments for those structures that need to be diagnostically observed.
Pokusem, jak tento problém vyřešit je řešení podle patentu CZ 297527. Toto řešení nově doporučuje kontrolovat stav únavového porušení na základě změn parametrů statistických charakteristik odezvy na dopravní zatížení posuzované stavby, zejména na snadno ON-LINE monitorovatelné autokorelační funkce. Podmínkou praktického využití tohoto vynálezu je ovšem znalost, respektive způsobilost důvěryhodného odhadu vztahu mezi mírou poškození stavby a změnami monitorované statistické charakteristiky.The attempt to solve this problem is a solution according to the patent CZ 297527. This solution newly recommends checking the state of fatigue failure based on changes of parameters of statistical characteristics of the response to traffic load of the assessed building, especially on easy ON-LINE monitorable autocorrelation functions. However, the practical application of the present invention requires knowledge of, or eligibility for, a reliable estimate of the relationship between damage to the structure and changes in the monitored statistical characteristic.
Současně se proto jedná o řešení, které zatím nelze v plném rozsahu využívat, protože vyžaduje příliš velký rozsah praktických zkušeností, který zatím nebyl zajištěn, takže plánování údržby a oprav je nadále prováděno podle harmonogramů navrhovaných často již jako součást projektu.At the same time, this is a solution that cannot yet be fully exploited because it requires too much practical experience, which has not yet been secured, so that maintenance and repair planning continues to be carried out according to timetables often proposed as part of the project.
Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION
Nevýhody a nedostatky dosud známých metod ověřování mechanických vlastností stavebních konstrukcí, zejména metody podle čs. vynálezu 297527 zásadním způsobem omezuje řešení podle vynálezu, které řeší zejména problém potřeby získání zkušeností. Nové řešení je vůči tomuto vynálezu vynálezem návazným, a řeší metodiku získání a upřesňování zatím chybějícího vztahu mezi stavem únavového narušení konstrukce a pozorovatelnými parametry statistických charakteristik odezvy. Jeho podstata spočívá vtom, že posouzení míry únavového poškození ve smyslu zkrácení zbytkové životnosti stavební konstrukce vychází z porovnání monitoringem získávaných charakteristik dynamického zatěžování a to odezvy na provozní zatížení konstrukce v bodech pozorování, se stavem předpokládaným v těchto bodech numerickým modelem při postupném nízkocyklickém přetěžováním. Tento způsob experimentálního ověřování stavu únavového porušení stavebních konstrukcí, zejména mostů a dalších dopravních staveb, za účelem odhadu zbytkové životnosti ověřované stavby pro potřeby optimálního organizování údržby staveb strategického významu. Tento způsob využívá korelační souvislosti mezi mírou porušení stavby dopravním zatížením a změnami experimentálně zjišťovaných statistických parametrů odezvy stavby na dopravní zatížení. Jedná se především o parametry vyhodnocovaných autokorelačních funkcí odezvy na základě pomocného numerického modelu. Na numerickém modelu se vypočítá postupná únavová destrukce ověřované dopravní stavby. Způsob vychází z předpokladu, že dominantní příčinou vzniku únavových poruch dopravní stavby je přetěžování této stavby dopravními prostředky s hmotností větší, než je přípustná nosnost modelované dopravní stavby. V numerickém modelu se skutečné zatížení nahrazuje nízkocyklickým zatěžováním jako modelovanými přejezdy zátěže s hmotností větší než je povolená nosnost modelované stavby. Počet potřebných modelových přejezdů je stanoven tak, aby bylo dosaženo destrukcí takového porušení, že by při statickém zatížení stavby na úrovni předepsané bezpečnosti došlo ke zhroucení modelové stavby. Tento stav je modelem považován za moment vyčerpání životnosti stavby. Následně se počet potřebných zatížení na vyčerpání modelové životnosti rozdělí přibližně na 100 dílů a pro stavy modelového porušení stavby odpovídající dovršení každé setiny počtu cyklů neboli setiny modelové životnosti stavby se vypočtou modelové předpokládané parametry funkcí statistické dynamiky, které lze jako odezvu na provozní resp. dopravní zatížení experimentálně ve vytipovaných bodech konstrukce pozorovat a monitorovat. Následně se porovnáním experimentálně zjištěných parametrů statistických charakteristik odezvy na provozní (dopravní) zatížení s parametry vypočtenými pomocí výchozího numerického modelu uvedou porovnávané soubory parametrů do souladu cestou upřesnění materiálových parametrů konstrukčních prvků diagnostikované stavby. V případě potřeby se výchozí numerický model koriguje též podle míry výchozích poruch vzniklých v důsledku technologických a jiných chyb při výstavbě diagnostikované stavby. Korekce numerického modelu je současně upřesněním odhadu zbytkové životnosti, na základě kterého se stanovuje termín provedení dalšího experimentálního diagnostického testu se stanovením nového souboru parametrů sledovaných statistických charakteristik odezvy na provozní zatížení. Na základě porovnání nového experimentálně zjištěného souboru parametrů statistických charakteristik odezvy na provozní zatížení s numerickým modelem po poslední upřesňující korekci se stanoví aktuální zbytková životnost stavby a provede se další upřesňující korekce numerického modelu na základě, kterého se opět stanoví termín provedení dalšího experimentálního diagnostického testu, který by měl být zajištěn dříve, než v termínu kdy se předpokládá odčerpání 10% aktuální zbytkové životnosti. Tento experimentální diagnostický postup se opakuje až do přiblížení stavu stavby ke konci životnosti. Numerický model, který již v opakovaných diagnostických cyklech nevyžaduje korekční úpravy větší, než íj% zjišťovaných změn lze využít jako potřebná experimentální zkušenost pro stavby stejného typu, která je podmínkou aplikace postupu podle výchozího patentu 297527 na stavbách méně strategického významu, kde dostačuje jen orientační odhadování zbytkové životnosti podle změn grafického vyjádření monitorovaných statistických charakteristik odezvy na provozní zatížení. V jednom možném provedení postupnou únavovou destrukci modelové stavby výchozí numerický model řeší jako statický problém opakovaného kvazistatického zatěžování a odlehčování při konstantním maximálním zatížení^ během jednotlivých zatěžovacích cyklů a dynamické vlastnosti diagnostikované stavby výchozí numerický model postihuje pouze při výpočtu modelových charakteristik statistické dynamiky pro posloupnost stavů postupně únavovými poruchami destruované modelové stavby, přičemž modelové charakteristiky jsou součinem dvou složek a to charakteristiky modelového provozního zatížení a funkcí dynamické mechanického filtru, který je tvořen porušenou modelovou stavbou, kterým se průběh modelového zatěžování převádí na průběh odezvy. Průběh modelového provozního zatížení, který vychází z předpokládaného odhadu, se potom v rámci postupného upřesňování numerického modelu koriguje podle reálně změřených průběhů provozního zatížení, respektive se podle reálně změřeného zatížení modelové zatížení normalizuje.Disadvantages and drawbacks of the known methods of verification of mechanical properties of building structures, especially methods according to MS. of the Invention 297527 fundamentally limits the solution of the invention, which in particular addresses the problem of the need to gain experience. The new solution is related to the present invention and solves the methodology for obtaining and refining the yet missing relationship between the state of fatigue distortion of the structure and the observable parameters of the statistical response characteristics. The essence of this is that the assessment of fatigue damage in terms of reducing the residual lifetime of the structure is based on a comparison of the monitoring of the dynamic loading characteristics obtained, the response to the load on the structure at the points of observation, with the state assumed in these points by the numerical model for gradual low cycle overloading. This method of experimental verification of the state of fatigue failure of building structures, especially bridges and other traffic structures, in order to estimate the residual lifetime of the verified building for the needs of optimal maintenance of buildings of strategic importance. This method uses the correlation between the rate of failure of the traffic load and changes in the experimentally determined statistical parameters of the building's response to the traffic load. It is mainly the parameters of the evaluated autocorrelation response functions based on the auxiliary numerical model. Gradual fatigue destruction of the verified transport structure is calculated in the numerical model. The method is based on the assumption that the dominant cause of the fatigue failure of the transport structure is the overloading of this structure by means of vehicles with a weight greater than the permissible load capacity of the modeled transport structure. In the numerical model, the actual load is replaced by a low-cycle load as a modeled load crossing with a mass greater than the permitted load capacity of the modeled structure. The number of required model crossings is set in such a way as to achieve the destruction of such a breach that the model building would collapse under static load of the building at the prescribed safety level. This state is considered by the model as the moment of exhaustion of the building's life. Subsequently, the number of required model lifetime loads is divided into approximately 100 parts, and the model assumed parameters of the statistical dynamics function are calculated for model violation states corresponding to the completion of each hundredth of the number of cycles or hundredths of the model lifetime of the construction. to observe and monitor the traffic loads experimentally at the selected points of the structure. Subsequently, by comparing the experimentally determined parameters of the statistical response to the traffic load with the parameters calculated using the default numerical model, the compared parameter sets are brought into line by specifying the material parameters of the structural elements of the diagnosed building. If necessary, the baseline numerical model is also corrected for the degree of initial failures resulting from technological and other errors in the construction of the diagnosed building. At the same time, the correction of the numerical model is a refinement of the residual life estimate, based on which the next experimental diagnostic test is determined, with a new set of parameters of the observed traffic load response characteristics. Based on the comparison of the new experimentally determined set of parameters of the statistical response to the operational load with the numerical model after the last refinement correction, the current residual life of the building is determined and a further refinement of the numerical model is performed based on the next experimental diagnostic test. it should be ensured before the time when 10% of the current residual life is expected to be pumped out. This experimental diagnostic procedure is repeated until the end of life is approached. The numerical model, which does not require correction adjustments greater than%% of the changes detected in repeated diagnostic cycles, can be used as the necessary experimental experience for buildings of the same type, which is a prerequisite for the application of the patent patent 297527 on buildings of less strategic importance, where only approximate estimation is sufficient residual lifetime according to changes in the graphical representation of the monitored traffic load response characteristics. In one possible embodiment, the gradual fatigue destruction of the model structure is solved by the initial numerical model as a static problem of repeated quasi-static loading and unloading at constant maximum load ^ during the individual load cycles and dynamic properties of the diagnosed structure, the initial numerical model only affects the model characteristics of statistical dynamics for the sequence of states gradually fatigue failures destroyed model building, while model characteristics are the product of two components namely the characteristics of the model operating load and the function of the dynamic mechanical filter, which is formed by a broken model structure, which the course of model loading transforms to the response. The course of the model operating load, which is based on the assumed estimate, is then corrected according to the real measured loads under the gradual refinement of the numerical model, or the model load is normalized according to the real measured load.
Modelové zavedení statistických charakteristik reálného dopravního zatížení lze zajistit při způsobu experimentálního ověřování stavu únavového porušení stavebních konstrukcí tím, že reálné zatížení diagnostikované stavby je nahrazeno pozorováním odezvy na skutečné dopravní zatížení, kterou vykazuje místně blízká v sérii zařazená stavební konstrukce, u které lze předpokládat řádově větší životnost.The model implementation of the statistical characteristics of the real traffic load can be ensured by the method of experimental verification of the state of fatigue failure of the building structures by replacing the real load of the diagnosed building with the observation of the response to the actual traffic load, which is locally close to the building structure included in the series. life.
Extrémně dlouhodobou kontinuitu měření lze zajistit tak, že pro monitoring průběhu odezvy ověřované stavby na reálné dopravní zatížení jsou použity strunové tenzometry s oddělitelnou mechanickou částí trvale instalovanou v povrchové partii konstrukce v místech vytipovaných výchozím numerickým modelem tak, aby v průběhu dlouhodobého pozorování bylo minimalizováno riziko narušení kontinuity měření lokální poruchou v těsné blízkosti instalovaného tenzometru, přičemž by tenzometrem sledovaný parametr byl v tomto místě dominantní příčinou monitorovaných změn snímaných tenzometrem.Extremely long-term continuity of measurement can be ensured by using string strain gauges with a detachable mechanical part permanently installed in the surface of the structure at the locations selected by the initial numerical model so that the risk of disruption during long-term observation is minimized to monitor the response of the verified structure to the real traffic load. the continuity of the measurement by a local fault in close proximity to the installed strain gauge, the strain gauge being monitored at that point would be the dominant cause of the monitored changes sensed by the strain gauge.
Ve výhodném provedení lze prakticky všechny diagnosticky potřebné parametry získávat prostřednictvím monitoringu autokorelačních funkcí tak, že z měřených průběhů odezvy jsou Online vyhodnocovány a monitorovány statistické charakteristiky autokorelačního typu založené na integraci rozdílu časově posunutých signálů odpovídajících odezvě. Interval vyhodnocovaných zpoždění odpovídá dvojnásobku doby přejezdu kontrolované dopravní stavby obvyklou rychlostí. Rozdíl časových zpoždění mezi jednotlivými vyhodnocovanými koeficienty autokorelační funkce je alespoň o řád menší než odpovídá periodě dvou základních frekvencí vlastního kmitání konstrukce. Z měřených průběhů odezvy jsou Online vyhodnocovány a monitorovány rozdíly nebo podíly amplitud výchozích signálů nebo rozdíly nebo podíly amplitud z nich vyhodnocovaných autokorelačních funkcí a to z tenzometrů umístěných ve stejné příčné svislé rovině ohybově namáhaného prvku ověřované dopravní stavby. Významné úspory množství monitorovaných dat lze dosáhnout tak, že průběh odezvy a průběh dopravního zatížení je vyhodnocován pouze v intervalech, kdy je zatížení v kontrolovaném ohybově namáhaném prvku větší než odpovídá 5o|jt% nosnosti ověřované mostní stavby.In a preferred embodiment, virtually all diagnostically necessary parameters can be obtained by monitoring autocorrelation functions such that statistical characteristics of the autocorrelation type based on the integration of the difference in time-shifted signals corresponding to the response are evaluated and monitored from the measured response patterns. The interval of the evaluated delays corresponds to twice the travel time of the controlled traffic structure by the usual speed. The difference of time delays between individual evaluated coefficients of the autocorrelation function is at least an order of magnitude less than the period of two fundamental frequencies of the structure's own vibration. Differences or proportions of the amplitudes of the initial signals or differences or proportions of the amplitudes of the evaluated autocorrelation functions from the strain gauges located in the same transverse vertical plane of the flexurally stressed element of the verified transport structure are evaluated and monitored from the measured response patterns. Significant savings in the amount of monitored data can be achieved by evaluating the response pattern and the traffic load course only at intervals when the load in the controlled bending stress element is greater than 5% |
Experimentální pozorování lze urychlit přidáním přídavných impulzů k provoznímu zatížení zajištěných instalací zpomalovacího prahu pouze v průběhu experimentu.Experimental observation can be accelerated by adding additional pulses to the operating load provided by the installation of the deceleration threshold only during the experiment.
Hlavním přínosem řešení podle vynálezu je, že byla nalezena metodika jak stanovit vztah mezi změnami monitorovaných statistických charakteristik odezvy na dopravní zatížení a únavového poškození respektive snížení zbytkové životnosti, a to nově cestou vypracování matematického modelu, který nahrazuje reálnou destrukci modelovou destrukcí nízkocyklickým přetěžováním.The main benefit of the solution according to the invention is that a methodology has been found to determine the relationship between changes in the monitored statistical characteristics of the response to traffic load and fatigue damage, respectively to reduce the residual life, by developing a mathematical model that replaces the real destruction by model destruction by low cyclic overloading.
Vynález dále specifikuje metodiky optimálního využití nových možností strunové tenzometrie. Souborným výsledkem těchto přínosů je, že byla nalezena i ekonomicky reálná metodika řešení mimořádně závažného problému jakým je kontrola bezpečnosti funkce strategických staveb. Příklady uskutečnění vynálezuThe invention further specifies methodologies for optimizing the use of new string strain gauges. The overall result of these benefits is that an economically realistic methodology for solving an extremely serious problem, such as controlling the security of strategic buildings, has been found. Examples of carrying out the invention
Jako příklad pro objasnění vynálezu je uveden obecný návod postupu diagnostiky železo-betonové konstrukce za účelem průběžné aktualizace odhadu její zbytkové funkční životnosti. Toto je extrémně žádoucí zejména u strategických staveb, jejichž selhání vede ke katastrofálním důsledkům a hospodářským ztrátám. Tímto typem jsou například důležité mostní konstrukce, jejichž provozní výluka je extrémně nákladná a proto ekonomicky prakticky nereálná, takže diagnostické ověřování míry únavového porušení konstrukce pro potřeby odhadu zbytkové životnosti, respektive doby, kdy mostní konstrukce ztratí způsobilost s předepsanou a proklamovanou bezpečností plnit svou mechanickou funkci, musí probíhat za plného dopravního provozu.As an example of the invention, a general guide to the procedure for diagnosing the iron-concrete structure is provided to continuously update the estimate of its residual service life. This is particularly desirable for strategic buildings whose failure leads to disastrous consequences and economic losses. This type is, for example, important bridge structures whose closure is extremely costly and therefore economically unrealistic, so that diagnostic verification of the fatigue failure rate for the purpose of estimating the residual lifetime, or the time when the bridge structure loses its ability to perform its mechanical function must be carried out in full traffic.
Diagnostická metodika podle vynálezu proto předpokládá následující postup.The diagnostic methodology of the invention therefore assumes the following procedure.
Nejprve se vypracuje numerický model postupné destrukce mostní stavby opakovaným přetěžováním modelovými přejezdy zátěží podstatně větší, než odpovídá projektové nosnosti mostu, a to větší než odhadované maximum přetěžování v reálném provozu. Přetěžování by mělo vést k modelové destrukci mostu na úroveň ztráty způsobilosti odolat statickému zatížení odpovídajícímu normou předepsané bezpečnosti, až po více než stu opakovaných zatížení. Interval modelového zatěžování mostní modelové konstrukce přejezdy, a to ve stavu od výchozího, podle projektového předpokladu, až do stavu ztráty způsobilosti konstrukce plnit s požadovanou bezpečností mechanickou funkci, se rozdělí na přibližně 100 dílčích intervalů se stejným počtem zatěžovacích přejezdů. Stavy konstrukce na počátku dílčích intervalů jsou pro modelový popis chápány jako posloupnost únavové destrukce posuzované mostní konstrukce. Na základě modelem očekávaného vývoje poruch se určí, které změny parametrů bude třeba při diagnostice monitorovat a do jaké míry bude nutné výjimečně kontrolovat něco dalšího než pozorování změn polohy neutrální roviny ohybového namáhání a relativní změny amplitud a frekvencí prvních tří vlastních frekvencí, zejména mostovky. Poté se vytipují místa pro instalaci snímačů, s výhodou strunových tenzometrů, tak, aby jejich funkci neohrozila modelovým výpočtem předpokládaná porucha a změny kontrolované veličiny v maximální míře dominantnosti souvisely se změnami vyhodnocovaného parametru charakteristiky statistické dynamiky odezvy na předpokládaném dopravním zatížení. Do takto vytipovaných míst se nainstalují strunové tenzometry, respektive alespoň jejich mechanické části, které se doplňují elektrickým vybavením až v rámci aktivace diagnostického systému před zahájením monitorovaného cyklického pozorování. Je výhodné předcházející přípravné kroky zahrnout již do projektové přípravy, a tedy je vhodné a žádoucí provést v maximální míře instalaci mechanické části tenzometrů již v průběhu výroby konstrukce, která má být novou metodou kontrolována.First, a numerical model of the gradual destruction of the bridge structure by repeated overloading with model load crossings substantially larger than the bridge's design carrying capacity is developed, greater than the estimated maximum overload in real operation. Overloading should result in a model bridge destruction to the level of loss of capability to withstand static loads corresponding to the standard of prescribed safety, up to more than a hundred repeated loads. The interval of the model loading of the bridge model structure of the level crossing, in the state from the initial, according to the project assumption, to the condition of the loss of the structure with the required safety function, is divided into approximately 100 partial intervals with the same number of loading passes. Structure states at the beginning of partial intervals are understood as a sequence of fatigue destruction of the assessed bridge structure for the model description. Based on the anticipated evolution pattern, it is determined which parameter changes will need to be monitored for diagnosis and to what extent it will exceptionally need to be controlled beyond observation of changes in the position of the neutral bending plane and the relative variation in amplitudes and frequencies of the first three intrinsic frequencies, especially the deck. Thereafter, the locations for the installation of sensors, preferably string strain gauges, are selected so that their function is not compromised by the model calculation of the assumed failure and the changes of the controlled quantity to the maximum degree of dominance are related to changes in the evaluated parameter characteristic of the statistical dynamics of response to the expected traffic load. String strain gauges, or at least their mechanical parts, are installed in the locations so selected, which are supplemented by electrical equipment only during the activation of the diagnostic system before the beginning of the monitored cyclic observation. It is advantageous to include the previous preparatory steps in the design preparation and therefore it is desirable and desirable to install the mechanical part of the strain gauges as much as possible during the manufacture of the structure to be controlled by the new method.
Takto je umožněno provedení experimentálního testovacího programu s vyhodnocením a monitoringem souboru parametrů statistických charakteristik pro porovnání s parametry vypočtenými na základě výchozího numerického modelu respektive numerického modelu, který odpovídá jeho poslednímu korekčnímu upřesnění. Následně se porovnáním experimentálně zjištěných parametrů statistických charakteristik odezvy na provozní respektive dopravní zatížení s parametry vypočtenými pomocí výchozího numerického modelu cestou upřesnění materiálových parametrů konstrukčních prvků diagnostikované stavby, uvedou porovnávané soubory parametrů do souladu. Jinými slovy to znamená, že se úpravou materiálových a dalších parametrů uvedou do shody modelové předpoklady a experimentálně zjištěné hodnoty parametrů sledovaných statistických charakteristik. V případě potřeby se výchozí numerický model koriguje též podle míry výchozích poruch vzniklých v důsledku technologických a jiných chyb při výstavbě diagnostikované stavby. Korekce numerického modelu je současně upřesněním odhadu zbytkové životnosti, na základě kterého se stanovuje termín provedení dalšího experimentálního diagnostického testu se stanovením nového souboru parametrů sledovaných statistických charakteristik odezvy na provozní zatížení. Na základě porovnání nového experimentálně zjištěného souboru parametrů statistických charakteristik odezvy na provozní zatížení s numerickým modelem po poslední upřesňující korekci se stanoví aktuální zbytková životnost stavby a provede se další upřesňující korekce numerického modelu, na základě kterého se opět stanoví termín provedení dalšího experimentálního diagnostického testu. Další diagnostický test by měl být zajištěn dříve, než v termínu kdy se předpokládá odčerpání dalších 1(j% aktuální zbytkové životnosti. Tento experimentální diagnostický postup se opakuje až do přiblížení stavu stavby ke konci životnosti. Numerický model, který již v opakovaných diagnostických cyklech nevyžaduje korekční úpravy větší, než 5^/o zjišťovaných změn lze využít jako potřebná experimentální zkušenost pro stavby stejného typu, která je podmínkou aplikace postupu podle výchozího patentu 297527 na stavbách méně strategického významu, kde dostačuje jen orientační odhadování zbytkové životnosti podle změn grafického vyjádření monitorovaných statistických charakteristik odezvy na provozní zatížení.In this way, an experimental test program with evaluation and monitoring of a set of parameters of statistical characteristics is possible for comparison with parameters calculated on the basis of the initial numerical model or numerical model, which corresponds to its last correction refinement. Subsequently, the compared parameter sets are compared by comparing the experimentally determined parameters of the statistical response to the operating or traffic load with the parameters calculated using the initial numerical model by specifying the material parameters of the structural elements of the diagnosed building. In other words, by modifying the material and other parameters, model assumptions and experimentally determined values of the parameters of the observed statistical characteristics are brought into agreement. If necessary, the baseline numerical model is also corrected for the degree of initial failures resulting from technological and other errors in the construction of the diagnosed building. At the same time, the correction of the numerical model is a refinement of the residual life estimate, based on which the next experimental diagnostic test is determined, with a new set of parameters of the observed traffic load response characteristics. Based on the comparison of the new experimentally determined set of parameters of the statistical characteristics of the response to the operational load with the numerical model after the last refinement correction, the current residual life of the building is determined and another refinement correction of the numerical model is performed, on the basis of which the next experimental diagnostic test is again determined. A further diagnostic test should be performed before the next 1 (j% of the current residual life is expected to be pumped out). This experimental diagnostic procedure is repeated until the end of life is approached. Numerical model that does not require repeated diagnostic cycles correction adjustments greater than 5 ^ / o of the observed changes can be used as a necessary experimental experience for constructions of the same type, which is a prerequisite for application of the process according to the initial patent 297527 on buildings of less strategic importance, where only approximate estimation of residual life is sufficient according to changes in the graphical representation of monitored statistical responses to operating loads.
Pro postupnou únavovou destrukci modelové stavby je výchozí numerický model, který je řešen jako statický problém opakovaného kvazistatického zatěžování a odlehčování při konstantním maximálním zatížením během jednotlivých zatěžovacích cyklů. Dynamické vlastnosti diagnostikované stavby jsou výchozí až pro numerický model při výpočtu modelových charakteristik statistické dynamiky vyhodnocované pro posloupnost stavů konstrukce postupně narušované únavovými poruchami destruované modelové stavby. Tyto modelové charakteristiky jsou součinem dvou složek, a to charakteristiky modelového provozního zatížení a funkce konstrukce jako dynamický mechanický filtr. Ten je tvořen porušenou modelovou stavbou, podle které se průběh modelového zatěžování převádí na průběh modelové odezvy. Průběh modelového provozního zatížení, který vychází z předpokládaného odhadu, se potom v rámci postupného upřesňování numerického modelu koriguje podle reálně změřených průběhů provozního zatížení, respektive se podle reálně změřeného zatížení modelové zatížení normalizuje.For the gradual fatigue destruction of the model structure, the numerical model is the default, which is solved as a static problem of repeated quasi-static loading and unloading at a constant maximum load during individual load cycles. The dynamic properties of the diagnosed structure are the default for the numerical model to calculate the model characteristics of the statistical dynamics evaluated for the sequence of construction states gradually disrupted by the fatigue failures of the destroyed model building. These model characteristics are the product of two components, namely the model operating load characteristics and the design function as a dynamic mechanical filter. It consists of a broken model structure, according to which the course of model loading is converted to the course of the model response. The course of the model operating load, which is based on the assumed estimate, is then corrected according to the real measured loads under the gradual refinement of the numerical model, or the model load is normalized according to the real measured load.
Reálné zatížení diagnostikované stavby lze nahradit pozorováním odezvy na skutečné dopravní zatížení, kterou vykazuje místně blízká v sérii zařazená stavební konstrukce, u které lze předpokládat řádově větší životnost.The real load of the diagnosed structure can be replaced by observing the response to the actual traffic load, which is locally close to the building structure, which can be expected to have a longer lifetime.
Pro monitoring průběhu odezvy ověřované stavby na reálné dopravní zatížení se použijí strunové tenzometry s oddělitelnou mechanickou částí trvale instalovanou v povrchové partii konstrukce v místech vytipovaných výchozím numerickým modelem tak, aby v průběhu dlouhodobého pozorování bylo minimalizováno riziko narušení kontinuity měření lokální poruchou vtěsná blízkosti instalovaného tenzometru, přičemž by tenzometrem sledovaný parametr byl současně v tomto místě dominantní příčinou monitorovaných změn snímaných tenzometrem. Z měřených průběhů odezvy je možné online vyhodnocovat a monitorovat statistické charakteristiky autokorelačního typu založené na integraci rozdílu časově posunutých signálů odpovídajících odezvě. Interval vyhodnocovaných zpoždění odpovídá dvojnásobku doby přejezdu kontrolované dopravní stavby obvyklou rychlostí. Současně je rozdíl časových zpoždění mezi jednotlivými vyhodnocovanými parametry autokorelační funkce alespoň o řád menší než odpovídá periodě dvou základních frekvencí vlastního kmitání konstrukce. Z měřených průběhů odezvy je rovněž možné online vyhodnocovat a monitorovat rozdíly a/nebo podíly amplitud výchozích signálů a/nebo rozdíly a/nebo podíly amplitud z nich vyhodnocovaných autokorelačních funkcí, a to z tenzometrů umístěných ve stejné příčné svislé rovině ohybově namáhaného prvku ověřované dopravní stavby.String strain gauges with a detachable mechanical part permanently installed in the surface area of the structure are used to monitor the response of the verified building to the real traffic load in places identified by the initial numerical model so that during the long-term observation the risk of disruption of the measurement by the local fault is minimized close to the installed strain gauge. while the strain gauge monitored parameter would be the dominant cause of monitored changes sensed by the strain gauge at this point. From the measured response patterns, the statistical characteristics of the autocorrelation type based on the integration of the difference in time-shifted signals corresponding to the response can be evaluated and monitored online. The interval of the evaluated delays corresponds to twice the travel time of the controlled traffic structure by the usual speed. At the same time, the difference in time delays between individual evaluated parameters of the autocorrelation function is at least an order of magnitude less than the period of two fundamental frequencies of the structure's own vibration. It is also possible to evaluate and monitor differences and / or proportions of the initial signal amplitudes and / or differences and / or amplitudes of the autocorrelation functions evaluated therefrom from the strain gauges located in the same transverse vertical plane of the flexurally stressed element of the tested traffic structure. .
Průběh odezvy a průběh dopravního zatížení se vyhodnocuje pouze v intervalech, kdy je zatížení v kontrolovaném ohybově namáhaném prvku větší než odpovídá 50 % nosnosti ověřované mostní stavby. Během monitorovaného experimentu je výhodné posílit dopravní zatížení instalací zpomalovacího prahu za účelem vybuzení přídavného impulzního zatížení a stabilizace průjezdní rychlosti vozidel vedoucí k urychlení konvergence vyhodnocovaných integrálních parametrů funkcí statistické dynamiky.The response process and the traffic load course are evaluated only at intervals when the load in the controlled bending element is greater than 50% of the capacity of the verified bridge structure. During the monitored experiment, it is advantageous to boost the traffic load by installing a deceleration threshold to excite additional impulse load and stabilize vehicle throughput to accelerate the convergence of evaluated integral parameters by statistical dynamics functions.
Uvedených cest lze též využít pro ekonomicky výhodné osazení většího počtu alternativních pozorovacích míst a tak zajistit rezervu pro případ potřeby podrobněji kontrolovat některou část konstrukce, nahradit tenzometr neočekávaně vyřazený poruchou a podobně. Je žádoucí statickou zatěžovací zkoušku dopravní stavby prováděnou před jeho zprovozněním využít pro statickou kalibraci všech instalovaných tenzometrů tak, aby byla usnadněna pozdější specifikace významu naměřených rozdílů. Rovněž je žádoucí co nejdříve po otevření mostu pro normální provoz provést startovní cyklus diagnostických pozorování s monitoringem a registrací vývoje auto korelační funkce odezvy na zatížení dopravním provozem a to v intervalu alespoň 14 dnů. Na základě tohoto pozorování se provede nebo jen zkoriguje vzorový výpočet autokorelačních funkcí pro prvních 10 stavů z posloupnosti porušení konstrukce, které předpokládá numerický model tak, aby mezi nimi byl některý, nejlépe první, blízký naměřeným hodnotám. V této fázi diagnostického experimentu se rozhodne, respektive upřesní, co a v jakém rozsahu bude dále monitorováno, a které změny statistických charakteristik budou chápány jako dominantní při posuzování zbytkové životnosti. V případě potřeby se výchozí numerický model koriguje též podle míry výchozích poruch vzniklých v důsledku technologických a jiných chyb při výstavbě diagnostikované stavby. Na základě porovnání nového experimentálně zjištěného souboru parametrů statistických charakteristik odezvy na provozní zatížení s numerickým modelem po poslední upřesňující korekci se stanoví aktuální zbytková životnost stavby a provede se další upřesňující korekce numerického modelu na základě, kterého se opět stanoví termín provedení dalšího experimentálního diagnostického testu.These routes can also be used for economically advantageous installation of a plurality of alternative observation points, and thus to provide a reserve for the need to more closely control any part of the structure, to replace the strain gauge unexpectedly discarded by the failure and the like. It is desirable to use the static load test of a transport structure prior to its commissioning for the static calibration of all installed strain gauges to facilitate later specification of the significance of the measured differences. It is also desirable to perform a start-up cycle of diagnostic observations as soon as possible after opening a bridge for normal operation, monitoring and registering the development of the auto correlation function of the response to traffic loads at an interval of at least 14 days. Based on this observation, a sample calculation of autocorrelation functions for the first 10 states of a structural failure sequence is performed or just corrected, which assumes a numerical model such that one, preferably the first, is close to the measured values. At this stage of the diagnostic experiment, it will be decided or refined what will be further monitored and which changes in statistical characteristics will be considered dominant in the assessment of residual life. If necessary, the baseline numerical model is also corrected for the degree of initial failures resulting from technological and other errors in the construction of the diagnosed building. Based on a comparison of the new experimentally determined set of parameters of the traffic load response characteristics with the numerical model after the last refinement correction, the current residual life of the building is determined and a further refinement of the numerical model is made based on the next experimental diagnostic test.
Tento diagnostický postup je třeba opakovat až do přiblížení stavu reálné konstrukce odpovídajícímu ztrátě její životnosti, respektive způsobilosti zajistit proklamovanou a předepsanou bezpečnost její mechanické funkce. Závěrem pro lepší přehlednost jsou ještě uvedeny stručně jednotlivé kroky nové metody.This diagnostic procedure must be repeated until the state of the real structure corresponding to the loss of its lifetime or capability to ensure the proclaimed and prescribed safety of its mechanical function. In conclusion, the steps of the new method are briefly presented.
Numerický model konstrukce se vytvoří dostatečně přesně podle zrealizované mostní konstrukce s možností monitorování dynamických charakteristik konstrukce v bodech, kde jsou v reálné konstrukci osazeny strunové tenzometry. Při prvním měření na reálné konstrukci zatížené dopravním zatížením se experimentálně zjistí dynamické charakteristiky konstrukce. Numerický model konstrukce se upřesní tak, aby ve výchozím stavu odpovídal naměřeným charakteristikám. Následně numerický model konstrukce bude zatěžován nízkocyklickým zatížením tak, aby po několika cyklech došlo k destrukci modelu. Posléze se počet potřebných zatěžovacích intervalů, při kterých došlo k destrukci, rozdělí na cca 100 dílů a pro jednotlivé stavy porušení, odpovídající dovršení každé setiny počtu cyklů, neboli setiny modelové životnosti stavby, se vypočtou předpokládané parametry funkcí statistické dynamiky. Tyto charakteristiky jsou v průběhu životnosti monitorovány na reálné konstrukci pomocí osazených strunových tenzometrů jako odezva od provozního zatížení ve vytipovaných bodech konstrukce. Na základě porovnávání experimentálně zjištěného souboru parametrů charakteristik odezvy na provozní zatížení s charakteristikami vypočtenými pomocí numerického modelu se stanoví aktuální zbytková životnost stavby podle dovršení příslušné setiny počtu cyklů.The numerical model of the structure is created sufficiently precisely according to the realized bridge structure with the possibility of monitoring the dynamic characteristics of the structure in points where string strain gauges are installed in the real structure. At the first measurement on a real structure loaded with traffic load, the dynamic characteristics of the structure are experimentally determined. The numerical model of construction will be refined to match the measured characteristics by default. Subsequently, the numerical model of the structure will be loaded with a low-cycle load so that the model is destroyed after several cycles. Subsequently, the number of required load intervals at which the destruction occurred is divided into about 100 parts and the assumed parameters of the statistical dynamics function are calculated for each failure state corresponding to the completion of each hundredth of the number of cycles, or hundredths of the model lifetime. These characteristics are monitored over the lifetime of the real structure using mounted string strain gauges in response to the operating load at the selected points of the structure. Based on the comparison of the experimentally determined set of parameters of operating load response characteristics with the characteristics calculated using the numerical model, the actual residual life of the building is determined according to the completion of the respective hundredth of the number of cycles.
Průmyslové využití vynálezuIndustrial use of the invention
Vynález má obecnější metodický význam, ale z pohledu stavebnictví spočívá nejzávaznější naděje na rozšíření vtom, že umožňuje ekonomicky reálné a účelné získávání experimentálních zkušeností s oprávněnou nadějí, že tato metodika povede k její využitelnosti jako obdoby EKG ve zdravotnictví.The invention has a more general methodological significance, but from the point of view of the construction industry, the most promising hopes of expansion are that it enables an economically realistic and effective acquisition of experimental experience with a legitimate hope that this methodology will lead to its usability as an ECG in healthcare.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2016-14A CZ306450B6 (en) | 2016-01-13 | 2016-01-13 | A method of experimental verification of the state of fatigue failure of building structures |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2016-14A CZ306450B6 (en) | 2016-01-13 | 2016-01-13 | A method of experimental verification of the state of fatigue failure of building structures |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ201614A3 true CZ201614A3 (en) | 2017-01-25 |
| CZ306450B6 CZ306450B6 (en) | 2017-01-25 |
Family
ID=57965572
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2016-14A CZ306450B6 (en) | 2016-01-13 | 2016-01-13 | A method of experimental verification of the state of fatigue failure of building structures |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ306450B6 (en) |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6195212A (en) * | 1984-10-16 | 1986-05-14 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Watching system of fatigue crack outbreak, development and residual life of construction |
| JP2003322593A (en) * | 2002-04-26 | 2003-11-14 | Nippon Steel Corp | Residual fatigue life estimating device for steel structure weld part, estimating system, estimating method, program, and storage medium |
| CZ297527B6 (en) * | 2003-05-26 | 2007-01-03 | České Vysoké Učení Technické V Praze Kloknerův Ústav | Method for testing structures, particularly engineering constructions and apparatus for making the same� |
| US7454297B2 (en) * | 2006-06-22 | 2008-11-18 | The Boeing Company | System and method for determining fatigue life expenditure of a component |
| JP2009069046A (en) * | 2007-09-14 | 2009-04-02 | Universal Shipbuilding Corp | Fatigue crack simulation and method for estimating residual life of structure |
| CN103293014B (en) * | 2013-05-17 | 2015-07-15 | 东南大学 | Bridge fatigue damage state and residual life evaluating method |
| CN105005694B (en) * | 2015-07-13 | 2018-02-13 | 天津大学 | A kind of bridge fatigue life frequency-domain analysis method based on dynamic weighing system |
-
2016
- 2016-01-13 CZ CZ2016-14A patent/CZ306450B6/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ306450B6 (en) | 2017-01-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106428617B (en) | Integrated system and method for vehicle management and monitoring | |
| TWI449883B (en) | Method for analyzing structure safety | |
| EP2244081B1 (en) | Structural integrity monitoring system | |
| Domaneschi et al. | Damage detection and localization on a benchmark cable-stayed bridge | |
| Soyoz et al. | Instantaneous damage detection of bridge structures and experimental verification | |
| CN110321583A (en) | The method and apparatus of failure identification for technological system | |
| Saidin et al. | Vibration-based approach for structural health monitoring of ultra-high-performance concrete bridge | |
| Nguyen et al. | Damage identification of a concrete arch beam based on frequency response functions and artificial neural networks | |
| CN103868492A (en) | Vertical deformation performance degradation alarming method of cable-stayed bridge in operating state | |
| Jamadin et al. | Serviceability assessment of fatigued reinforced concrete structures using a dynamic response technique | |
| Leung et al. | Evaluating the use of rate-based monitoring for improved fatigue remnant life predictions | |
| JP2022029433A (en) | Methods and systems for evaluating damage to structural assets | |
| CZ201614A3 (en) | A method of experimental verification of the state of fatigue failure of building structures | |
| Khuc et al. | A nonparametric method for identifying structural damage in bridges based on the best-fit auto-regressive models | |
| Phares et al. | Evolution of a bridge damage-detection algorithm | |
| Pelayo et al. | Failure and repair analysis of a runway beam: Influence of the standard applied to lifetime prediction | |
| Torres et al. | Long-term static and dynamic monitoring to failure scenarios assessment in steel truss railway bridges: A case study | |
| RU2616329C1 (en) | Method of estimating technical condition of equipment | |
| Kepka et al. | Structure service life assessment under combined loading using probability approach | |
| RU2797787C1 (en) | Method for non-destructive assessment and control of the bearing capacity and reliability of steel trusses | |
| RU2784318C1 (en) | Method for non-destructive determination and monitoring of the bearing capacity of steel trusses | |
| Limongelli et al. | Experimental verification of the Interpolation Method on a real damaged bridge | |
| Bontempi et al. | Management and extension of service life of a railway bridge | |
| Martínez et al. | Assessment for indirect vs direct methods to know the tension of cables in stayed bridges | |
| RU2753855C1 (en) | Method and apparatus for registration of resource exhaustion of railroad automatic and telemetry equipment |