CZ306450B6 - 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
- CZ306450B6 CZ306450B6 CZ2016-14A CZ201614A CZ306450B6 CZ 306450 B6 CZ306450 B6 CZ 306450B6 CZ 201614 A CZ201614 A CZ 201614A CZ 306450 B6 CZ306450 B6 CZ 306450B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- model
- load
- response
- traffic
- parameters
- Prior art date
Links
Landscapes
- Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
Abstract
Description
Způsob experimentálního ověřování stavu únavového porušení stavebních konstrukcíMethod of experimental verification of the state of fatigue failure of building structures
Oblast technikyField of technology
Vynález se týká metodiky experimentálního posuzování a odhadu zbytkové životnosti stavebních konstrukcí, zejména dopravních staveb pro potřeby optimalizace jejich údržby.The invention relates to a methodology for the experimental assessment and estimation of the residual life of building structures, in particular transport structures, for the purpose of optimizing their maintenance.
Dosavadní stav technikyPrior 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.So far, it has not been possible, especially for prestressed and composite road bridges, to find and implement a more reliable, economically feasible non-destructive methodology for estimating residual life than those used for conventional bridge structures, ie structures where failures arise and spread from the surface and therefore, a continuous, usually only visual inspection is sufficient. This condition is not suitable especially in the case of prestressed and coupled strategic road bridges, where the germs of failures often arise inside 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.Previously known methodologies of complex testing of the state of mechanical function of a building structure are based on the need to implement a set of partial or even complex load tests with the exclusion of 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.It is, of course, theoretically possible to carry out long-term observations with a dynamic measuring control panel system and to ensure the subsequent statistical processing of a very large set of data obtained by measuring.
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.Theory of experimental statistical dynamics as a general theory of the approach to sorting information obtained by experiment offers various alternatives for describing the mechanical function of a building, suitable as a test output for reproducible observation of the development of the building during its life, by repeated one-time tests. The problem is that with 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 provide hope for economic adequacy and thus the availability of specialized testing. device for your application. Also in the case of hitherto economically realistic methodologies based on periodically repeated load tests, this approach unacceptably often encounters the limits of economic feasibility, also due to cost, resp. losses related to the closure, as it is precisely for those structures that need to be diagnosed diagnostically, it is the most difficult and costly to ensure an operational closure for the implementation of load test experiments.
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.An attempt to solve this problem is the solution according to patent CZ 297527. This solution newly recommends checking the state of fatigue failure based on changes in the parameters of statistical characteristics of response to traffic load of the assessed structure, especially on easily ON-LINE monitorable autocorrelation functions. However, a prerequisite for the practical application of the present invention is the knowledge or ability to reliably estimate the relationship between the degree of 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, therefore, it is a solution that cannot yet be fully exploited, as it requires too much practical experience, which has not yet been provided, so that maintenance and repair planning continues to be carried out according to schedules often designed as part of the project.
- 1 CZ 306450 B6- 1 CZ 306450 B6
Podstata vynálezuThe essence 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 v tom, 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 5 % 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.Disadvantages and shortcomings of hitherto known methods of verification of mechanical properties of building structures, especially methods according to Czechoslovakia. of the invention 297527 substantially limits the solution according to the invention, which solves in particular the problem of the need to gain experience. The new solution is related to the present invention, and solves the methodology of obtaining and specifying the still missing relationship between the state of fatigue failure of the structure and the observable parameters of the statistical characteristics of the response. Its essence lies in the fact that the assessment of the degree of fatigue damage in terms of shortening the residual life of the building is based on a comparison of dynamic load characteristics obtained by monitoring the response to operating load of the structure at observation points with the state assumed at these points by a numerical model with gradual low-cycle overload. This method of experimental verification of the state of fatigue failure of building structures, especially bridges and other transport structures, in order to estimate the residual life of the verified structure for the needs of optimal organization of maintenance of buildings of strategic importance. This method uses the correlation between the degree of failure of the building by the traffic load and changes in the experimentally determined statistical parameters of the response of the building to the traffic load. These are mainly the parameters of the evaluated autocorrelation functions of the response based on the auxiliary numerical model. The gradual fatigue destruction of the verified transport structure is calculated on the numerical model. The method is based on the assumption that the dominant cause of fatigue failures of a transport structure is the overloading of this structure by means of transport 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 modeled load crossings with a mass greater than the permitted load-bearing capacity of the modeled structure. The number of required model crossings is determined so as to achieve the destruction of such a breach that the static loading of the building at the level of prescribed safety would cause the collapse of the model building. This state is considered by the model as the moment of depletion of the life of the building. Subsequently, the number of loads required to exhaust the model life is divided into approximately 100 parts, and for model failure states corresponding to the completion of each hundredth of the number of cycles or hundredths of the model life, the model expected parameters of statistical dynamics functions are calculated. observe and monitor the traffic load experimentally at selected points of the structure. Subsequently, by comparing the experimentally determined parameters of the statistical characteristics of the response to traffic (traffic) loads with the parameters calculated using the initial numerical model, the compared sets of parameters bring into line by specifying the material parameters of structural elements of the diagnosed building. If necessary, the initial numerical model is also corrected according to the degree of initial failures caused by technological and other errors in the construction of the diagnosed structure. The correction of the numerical model is at the same time a refinement of the estimate of the residual life, on the basis of which the date of the next experimental diagnostic test is determined with the determination of a new set of parameters of monitored statistical characteristics of response to operating load. Based on the comparison of a new experimentally determined set of parameters of statistical characteristics of response to operating load with a numerical model after the last refinement correction, the current residual life of the structure is determined and further refinement of the numerical model is performed on the basis of another deadline. should be secured earlier than the date when 10% of the current residual life is expected to be drawn. This experimental diagnostic procedure is repeated until the state of the building is approaching the end of its service life. Numerical model, which no longer requires corrective adjustments greater than 5% of detected changes in repeated diagnostic cycles can be used as necessary experimental experience for constructions of the same type, which is a condition of application of the procedure according to the original patent 297527 on constructions of less strategic importance. residual life according to changes in the graphical expression of the monitored statistical characteristics of the response to the operating load.
V jednom možném provedení postupnou únavovou destrukci modelové stavby výchozí numerický model řeší jako statický problém opakovaného kvazistatického zatěžování a odlehěování při konstantním maximálním zatížením během jednotlivých zatěžovacích cyklů a dynamické vlastIn one possible embodiment, the initial numerical model solves the gradual fatigue destruction of the model structure as a static problem of repeated quasi-static loading and unloading at a constant maximum load during individual loading cycles and dynamic homeland.
-2CZ 306450 B6 nosti 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.-2GB 306450 B6 the default numerical model affects only the calculation of model characteristics of statistical dynamics for the sequence of states gradually fatigue failures of the destroyed model structure, where the model characteristics are the product of two components, the characteristics of the model operating load and the dynamic mechanical filter function. broken model construction, which converts the course of model loading into the course of response. The course of the model operating load, which is based on the assumed estimate, is then corrected according to the actually measured courses of the operating load, or the model load is normalized according to the actually measured load, as part of the gradual refinement of the numerical model.
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 introduction of statistical characteristics of real traffic load can be ensured in the method of experimental verification of fatigue failure status of building structures by replacing the real load of the diagnosed structure by observing the response to real traffic load, which shows a locally close series included in the series. service 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 monitoring string strain gauges with a detachable mechanical part permanently installed in the surface of the structure in places selected by the initial numerical model to monitor the response of the verified structure to real traffic loads so as to minimize the risk of disturbance during long-term observation. continuity of measurement by local failure in close proximity to the installed strain gauge, while the parameter monitored by the strain gauge would be the dominant cause of the monitored changes sensed by the strain gauge at this point.
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 tenzometru umístěných ve stejné příčné svislé rovině ohybově namáhaného prvku ověřované dopravní stavby.In a preferred embodiment, practically all diagnostically necessary parameters can be obtained by monitoring autocorrelation functions so that statistical characteristics of the autocorrelation type based on the integration of the difference of time-shifted signals corresponding to the response are evaluated and monitored online from the measured response waveforms. The interval of evaluated delays corresponds to twice the crossing time of the inspected traffic structure at normal speed. The difference of time delays between the individual evaluated coefficients of the autocorrelation function is at least an order of magnitude smaller than corresponds to the period of two fundamental frequencies of the natural oscillation of the structure. From the measured response curves, differences or proportions of the amplitudes of the initial signals or differences or proportions of the amplitudes of the autocorrelation functions evaluated from them are evaluated and monitored online from a strain gauge located in the same transverse vertical plane of the flexurally stressed element of the verified transport structure.
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 50 % nosnosti ověřované mostní stavby.Significant savings in the amount of monitored data can be achieved so that the course of the response and the course of the traffic load is evaluated only at intervals when the load in the controlled bending stress element is greater than 50% of the load capacity of the verified bridge structure.
Experimentální pozorování lze urychlit přidáním přídavných impulzů k provoznímu zatížení zajištěných instalací zpomalovacího prahu pouze v průběhu experimentu.Experimental observations can be accelerated by adding additional pulses to the service 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 was found to determine the relationship between changes in monitored statistical characteristics of response to traffic load and fatigue damage or reduction of residual life, namely by developing a mathematical model that replaces real destruction by model destruction by low cyclic overload.
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.The invention further specifies methodologies for the optimal use of new possibilities of string tensometry. The collective result of these benefits is that an economically realistic methodology for solving an extremely serious problem, such as safety control of the function of strategic structures, has also been found.
-3CZ 306450 B6-3GB 306450 B6
Příklady uskutečnění vynálezuExamples of embodiments of 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 to clarify the invention, general instructions for the diagnostic procedure of a reinforced concrete structure are given in order to continuously update the estimate of its residual functional life. This is extremely desirable, especially for strategic buildings, the failure of which leads to catastrophic consequences and economic losses. This type is important, for example, bridge structures, whose operational closure is extremely expensive and therefore economically practically unrealistic, so diagnostic verification of the degree of fatigue failure of the structure for estimating residual life, or time when the bridge loses its ability to perform its mechanical function with prescribed and declared safety , must take place in full traffic.
Diagnostická metodika podle vynálezu proto předpokládá následující postup.The diagnostic methodology according to 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 tenzometru, 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 tenzometru již v průběhu výroby konstrukce, která má být novou metodou kontrolována.First, a numerical model of gradual destruction of the bridge structure by repeated overloading by model crossings of loads significantly larger than corresponds to the design load capacity of the bridge, larger than the estimated maximum overload in real operation, is developed. Overloading should lead to model destruction of the bridge to the level of loss of ability to withstand a static load corresponding to the standard of prescribed safety, up to more than one hundred repeated loads. The interval of model loading of the bridge model structure by crossings, in the state from the initial, according to the project assumption, to the state of loss of ability of the structure to perform the mechanical function with the required safety, is divided into approximately 100 partial intervals with the same number of load crossings. The states of the structure at the beginning of the partial intervals are understood for the model description as a sequence of fatigue destruction of the assessed bridge structure. Based on the model of expected fault development, it is determined which parameter changes will need to be monitored during diagnostics and to what extent it will be necessary to exceptionally check something other than observing changes in the position of the neutral plane of bending stress and relative changes of amplitudes and frequencies of the first three natural frequencies, especially bridge deck. Then the places for installation of sensors, preferably string strain gauges, are selected so that their function is not endangered by the model calculation assumed failure and changes of controlled quantity in the maximum degree of dominance were related to changes in the evaluated parameter of statistical response dynamics characteristic of expected traffic load. String strain gauges are installed in the places selected in this way, or at least their mechanical parts, which are supplemented with electrical equipment only within the activation of the diagnostic system before the start of the monitored cyclic observation. It is advantageous to include the previous preparatory steps already in the project preparation, and it is therefore appropriate and desirable to perform the mechanical part of the strain gauge as much as possible already during the production of the structure to be inspected 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 experimentálníhoThus, it is possible to perform an experimental test program with evaluation and monitoring of a set of parameters of statistical characteristics for comparison with parameters calculated on the basis of the initial numerical model or numerical model, which corresponds to its last correction specification. Subsequently, by comparing the experimentally determined parameters of the statistical characteristics of the response to traffic and traffic loads with the parameters calculated using the initial numerical model by specifying the material parameters of structural elements of the diagnosed building, the compared sets of parameters are reconciled. In other words, by modifying material and other parameters, the model assumptions and experimentally determined values of the parameters of the monitored statistical characteristics are reconciled. If necessary, the initial numerical model is also corrected according to the degree of initial failures caused by technological and other errors in the construction of the diagnosed building. . The correction of the numerical model is at the same time a refinement of the estimate of the residual life, on the basis of which the date of the next experimental diagnostic test is determined with the determination of a new set of parameters of monitored statistical characteristics of response to operating load. Based on the comparison of a new experimentally determined set of parameters of statistical characteristics of response to operating load with a numerical model after the last refinement, the current residual life of the structure is determined and further refinement of the numerical model is performed.
-4CZ 306450 B6 diagnostického testu. Další diagnostický test by měl být zajištěn dříve, než v termínu kdy se předpokládá odčerpání dalších 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 5 % 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.-4GB 306450 B6 diagnostic test. Another diagnostic test should be provided before the date when it is expected to drain another 10% of the current residual life. This experimental diagnostic procedure is repeated until the state of the building is approaching the end of its service life. The numerical model, which no longer requires corrective adjustments greater than 5% of the detected changes in repeated diagnostic cycles, can be used as necessary experimental experience for constructions of the same type, which is a condition of application of the procedure according to the original patent 297527 on constructions of less strategic importance. residual life according to changes in the graphical expression of the monitored statistical characteristics of the response to the operating load.
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.The initial numerical model for the gradual fatigue destruction of the model structure is solved as a static problem of repeated quasi-static loading and unloading at a constant maximum load during individual loading cycles. The dynamic properties of the diagnosed structure are the starting point for the numerical model when calculating the model characteristics of statistical dynamics evaluated for the sequence of states of the structure gradually disturbed by fatigue failures of the destroyed model structure. These model characteristics are the product of two components, namely the characteristics of the model operating load and the function of the structure as a dynamic mechanical filter. It consists of a broken model structure, according to which the course of model loading is converted into the course of model response. The course of the model operating load, which is based on the assumed estimate, is then corrected according to the actually measured courses of the operating load, or the model load is normalized according to the actually measured load, as part of the gradual refinement of the numerical model.
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 building can be replaced by observing the response to the actual traffic load, which is shown by the locally close in the series included building structure, for which it is possible to assume an order of magnitude longer service life.
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 v těsné blízkosti instalovaného tenzometrů, přičemž by tenzometrem sledovaný parametr byl současně v tomto místě dominantní příčinou monitorovaných změn snímaných tenzometrem.String strain gauges with a detachable mechanical part permanently installed in the surface part of the structure in places selected by the initial numerical model are used to monitor the response of the verified structure to real traffic loads so that during long-term observation the risk of disturbance of measurement continuity by local failure in close proximity to installed strain gauges is minimized. , while the parameter monitored by the strain gauge would at the same time be the dominant cause of the monitored changes sensed by the strain gauge at this point.
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.From the measured response waveforms, it is possible to online evaluate and monitor statistical characteristics of the autocorrelation type based on the integration of the difference of time-shifted signals corresponding to the response. The interval of evaluated delays corresponds to twice the crossing time of the inspected traffic structure at normal speed. At the same time, the difference of time delays between the individual evaluated parameters of the autocorrelation function is at least an order of magnitude smaller than corresponds to the period of two fundamental frequencies of the natural oscillation of the structure.
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.From the measured response waveforms, it is also possible to evaluate and monitor online differences and / or proportions of amplitudes of initial signals and / or differences and / or proportions of amplitudes of autocorrelation functions evaluated from them, from strain gauges located in the same transverse vertical plane of flexurally stressed element .
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.The course of the response and the course of the traffic load are evaluated only in intervals when the load in the controlled bending-stressed element is greater than corresponds to 50% of the load-bearing capacity of the verified bridge structure.
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.During the monitored experiment, it is advantageous to strengthen the traffic load by installing a deceleration threshold in order to excite the additional impulse load and stabilize the passage speed of vehicles leading to acceleration of convergence of evaluated integral parameters of statistical dynamics functions.
-5CZ 306450 B6-5GB 306450 B6
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 tenzometru 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 paths can also be used for economically advantageous installation of a larger number of alternative observation points and thus provide a reserve in case of need to inspect some part of the structure in more detail, replace the strain gauge unexpectedly discarded by a fault and the like. It is desirable to use the static load test of the transport structure performed before its commissioning for the static calibration of all installed strain gauges so as to facilitate the later specification of the meaning of the measured differences. It is also desirable to perform the start cycle of diagnostic observations with monitoring and registration of the development of the auto-correlation function of the response to traffic load in the interval of at least 14 days as soon as possible after opening the bridge for normal operation. Based on this observation, a sample calculation of autocorrelation functions for the first 10 states from the sequence of structural failure is performed or only corrected, which assumes a numerical model so that there is one, preferably the first, close to the measured values. In this phase of the diagnostic experiment, it is decided or specified what and to what extent will be further monitored, and which changes in statistical characteristics will be considered dominant in the assessment of residual life. If necessary, the initial numerical model is also corrected according to the degree of initial failures caused by technological and other errors in the construction of the diagnosed structure. Based on the comparison of a new experimentally determined set of parameters of statistical characteristics of response to operating load with a numerical model after the last refinement correction, the current residual life of the structure is determined and further refinement of the numerical model is performed 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.This diagnostic procedure must be repeated until the condition of the real structure approaches the corresponding loss of its service life, or the ability to ensure the proclaimed and prescribed safety of its mechanical function.
Závěrem pro lepší přehlednost jsou ještě uvedeny stručně jednotlivé kroky nové metody.Finally, for better clarity, the individual 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 tenzometru 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 with sufficient accuracy according to the realized bridge structure with the possibility of monitoring the dynamic characteristics of the structure at the points where string strain gauges are installed in the real structure. During the first measurement on a real structure loaded with traffic loads, the dynamic characteristics of the structure are experimentally determined. The numerical model of the structure shall be specified so that in the initial state it corresponds to the measured characteristics. Subsequently, the numerical model of the structure will be loaded with a low-cyclic load so that after several cycles the model will be destroyed. Subsequently, the number of required load intervals at which the destruction occurred is divided into about 100 parts and for individual failure states corresponding to the completion of each hundredth of the number of cycles, or hundredths of the model life of the building, the expected parameters of statistical dynamics functions are calculated. These characteristics are monitored during the service life on a real structure using mounted string strain gauges in response to the operating load at selected points of the structure. Based on the comparison of the experimentally determined set of parameters of the response characteristics to the operating load with the characteristics calculated by means of a numerical model, the current residual life of the structure is determined according to the completion of the respective hundredth of the number of cycles.
Průmyslová využitelnostIndustrial applicability
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 construction point of view the most binding hope for expansion lies in the fact that it enables economically realistic and efficient acquisition of experimental experience with a legitimate hope that this methodology will lead to its applicability as ECG analogues 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 CZ201614A3 (en) | 2017-01-25 |
| CZ306450B6 true 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) |
Citations (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 |
| CZ20031470A3 (en) * | 2003-05-26 | 2005-08-17 | České Vysoké Učení Technické V Praze Kloknerův Úst | Method for testing structures, particularly engineering constructions and apparatus for making the same |
| WO2007149150A2 (en) * | 2006-06-22 | 2007-12-27 | 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 |
| CN103293014A (en) * | 2013-05-17 | 2013-09-11 | 东南大学 | Bridge fatigue damage state and residual life evaluating method |
| CN105005694A (en) * | 2015-07-13 | 2015-10-28 | 天津大学 | Frequency domain analysis method of bridge fatigue life on the basis of dynamic weighing system |
-
2016
- 2016-01-13 CZ CZ2016-14A patent/CZ306450B6/en unknown
Patent Citations (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 |
| CZ20031470A3 (en) * | 2003-05-26 | 2005-08-17 | České Vysoké Učení Technické V Praze Kloknerův Úst | Method for testing structures, particularly engineering constructions and apparatus for making the same |
| WO2007149150A2 (en) * | 2006-06-22 | 2007-12-27 | 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 |
| CN103293014A (en) * | 2013-05-17 | 2013-09-11 | 东南大学 | Bridge fatigue damage state and residual life evaluating method |
| CN105005694A (en) * | 2015-07-13 | 2015-10-28 | 天津大学 | Frequency domain analysis method of bridge fatigue life on the basis of dynamic weighing system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ201614A3 (en) | 2017-01-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Limongelli et al. | Towards extraction of vibration-based damage indicators | |
| Limongelli | The interpolation damage detection method for frames under seismic excitation | |
| Ho et al. | Prestress-force estimation in PSC girder using modal parameters and system identification | |
| CN106407625B (en) | A kind of civil engineering structure reliability develops and method for predicting residual useful life | |
| Santos et al. | Early damage detection based on pattern recognition and data fusion | |
| EP3940352A1 (en) | Weighing scale diagnostics method | |
| 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 | |
| Lucà et al. | A vibration-based approach for health monitoring of tie-rods under uncertain environmental conditions | |
| JP2022029433A (en) | Methods and systems for evaluating damage to structural assets | |
| CZ306450B6 (en) | A method of experimental verification of the state of fatigue failure of building structures | |
| WO2008133544A1 (en) | Building structure monitoring | |
| Phares et al. | Evolution of a bridge damage-detection algorithm | |
| Gregory et al. | A quantile-based approach to modelling recovery time in structural health monitoring | |
| González et al. | Experimental testing of a cross-entropy algorithm to detect damage | |
| Miao et al. | Modal analysis of a concrete highway bridge: Structural calculations and vibration-based results | |
| 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. | The interpolation method for vibration based damage localization: influence of feature uncertainties | |
| Martínez et al. | Assessment for indirect vs direct methods to know the tension of cables in stayed bridges | |
| Park et al. | Equivalent neutral axis for structural condition assessment using multi-sensor fusion | |
| Limongelli et al. | Experimental verification of the Interpolation Method on a real damaged bridge | |
| Veerman et al. | Automatic degradation detection during a dynamic loaded beam test | |
| Maung et al. | Real time structural damage assessment from vibration measurements |