PL224822B1 - Układ do wykrywania i lokalizacji aktywnych uszkodzeń w komunikacyjnych obiektach infrastruktury drogowej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do wykrywania i lokalizacji aktywnych uszkodzeń w komunikacyjnych obiektach infrastruktury drogowej rozwijających się podczas działania obciążenia eksploatacyjnego obiektów infrastruktury drogowej i komunikacyjnej, takich jak mosty, wiadukty, estakady. Wynalazek ma szczególne znaczenie w przypadku konieczności wydłużenia, zwłaszcza z przyczyn ekonomicznych lub społecznych, eksploatacji obiektów zakwalifikowanych do rozbiórki, przebudowy lub remontu, a także w trakcie przejazdów pojazdów ponadnormatywnych ze względu na masę.

Z opisu patentowego nr PL 212 628 znany jest sposób diagnozowania stanu technicznego betonowych konstrukcji zbrojonych i sprężonych, wykorzystujący zjawisko emisji akustycznej, podczas obciążeń eksploatacyjnych, polegający na tym, że czujniki emisji akustycznej łączy się z wielokanałowym procesorem emisji akustycznej zintegrowanym z procesorem komputera, w którym rejestruje się parametry emisji akustycznej, dokonuje ich filtracji i porównuje z wcześniej utworzoną bazą sygnałów wzorcowych procesów destrukcyjnych. Zidentyfikowane procesy destrukcyjne i ich lokalizacja są podstawą diagnostyki stanu technicznego konstrukcji, w czasie jego użytkowania.

Celem wynalazku jest opracowanie układu zapewniającego bezpieczną eksploatację betonowych konstrukcji zbrojonych na podstawie analizy procesów destrukcyjnych, jakie zachodzą w całym obiekcie lub w jego określonych elementach w czasie jego użytkowania, identyfikacji procesów destrukcyjnych będących źródłem uszkodzeń, którym przypisane są wcześniej określone stopnie zagr ożenia zbrojonych konstrukcji betonowych, a następnie sygnalizacji dopuszczalnego poziomu obciążenia, tak by ograniczyć procesy zagrażające konstrukcji.

Układ do wykrywania i lokalizacji aktywnych uszkodzeń w komunikacyjnych obiektach infrastruktury drogowej, zawierający czujniki emisji akustycznej połączone bezpośrednio lub poprzez przedwzmacniacz z procesorem emisji akustycznej, który połączony jest z komputerem, w którym wzajemna odległość sąsiadujących ze sobą czujników emisji akustycznej jest nie większa od podwójnego promienia, w zasięgu którego tłumienie sygnału akustycznego wynosi nie więcej niż 10 dB, zaś miejsca rozmieszczenia czujników emisji akustycznej na powierzchni wzorca lub obiektu kontrolowanego są zdeterminowane kształtem i rozmiarem wzorca lub obszaru kontrolowanego obiektu, przy jednoczesnym zachowaniu warunku pomiaru sygnału w całej objętości wzorca lub obszaru obiektu kontrolowanego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że czujniki emisji akustycznej połączone są z modułem analizy, identyfikacji i lokalizacji sygnałów AE, który poprzez moduł klasyfikacji sygnałów i analizy stopnia zagrożenia połączony jest z modułem sygnalizacji dopuszczalnego poziomu o bciążenia i modułem rejestracji i sygnalizacji zarządcy obiektu. Moduł analizy, identyfikacji i lokalizacji sygnałów AE zawiera procesor emisji akustycznej, w którym następuje identyfikacja i lokalizacja procesów destrukcyjnych, a moduł klasyfikacji sygnałów i analizy stopnia zagrożenia zawiera procesor w którym analizowane są procesy destrukcyjne pod kątem zagrożenia konstrukcji oraz wypracowywane decyzje dotyczące sygnalizacji dopuszczalnego obciążenia oraz informacje dla zarządcy obiektu.

Korzystnie, do modułu klasyfikacji sygnałów i analizy stopnia zagrożenia może być dołączony czujnik temperatury lub czujnik wilgotności, lub czujnik zasolenia, lub też czujnik obciążenia. Czujniki te pozwalają na ocenę stanu technicznego obiektu z uwzględnieniem mierzonych czynników.

Korzystnie, moduł sygnalizacji dopuszczalnego poziomu obciążenia zawiera wyświetlacze dopuszczalnego obciążenia obiektu i wstrzymania ruchu.

Korzystnie, moduł rejestracji i sygnalizacji zarządcy obiektu zawiera wyświetlacz, na którego ekranie pojawiają się komunikaty o stanie obiektu i działaniach podjętych przez moduł sygnalizacji dopuszczalnego poziomu obciążenia.

Sygnały akustyczne generowane przez procesy destrukcyjne, rozwijające się podczas użytk owania konstrukcji nośnych obiektów, są rejestrowane przy użyciu czujników emisji akustycznej, ident yfikowane, lokalizowane, a następnie klasyfikowane w odniesieniu do poziomu zagrożenia, jakie dla konstrukcji stanowią zarejestrowane aktywne procesy destrukcyjne. Stanowi to podstawę do autom atycznego sygnalizowania dopuszczalnego poziomu obciążenia monitorowanego obiektu inżynierskiego tak, by ograniczyć procesy zagrażające konstrukcji. Jednocześnie o podjętych automatycznych działaniach przez układ, powiadamiany jest zarządca obiektu, co pozwala na zdalną rejestrację zd arzeń oraz podjęcie niezależnych decyzji indywidualnych. Pomiary wykonywane są przez cały okres eksploatacji z częstotliwością próbkowania zależną od określonego stopnia zagrożenia, trwające nie krócej niż przez jedną godzinę.

PL 224 822 B1

Wynalazek jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układu, fig. 2 - obszary pomiarowe sąsiadujących ze sobą czujników AE dla elementu o przekroju prostokąta, gdzie a » g w przypadku, gdy obszary pomiarowe czujników zachodzą na siebie, lecz nie pokrywają całego obiektu, w widoku z przodu, fig. 3 - obszary pomiarowe sąsiadujących ze sobą czujników AE dla elementu jak na fig. 2 w przekroju pionowym A-A, fig. 4 - obszary pomiarowe czujników AE dla elementu przekroju prostokąta, gdzie a » g, które rozstawiono tak, że obszary pomiarowe czujników pokrywają cały obiekt, w widoku z przodu, fig. 5 - obszary pomiarowe sąsiadujących ze sobą czujników AE dla elementu, jak na fig. 4 w przekroju pionowym B-B, fig. 6 - strefy pomiarowe z przyporządkowanymi numerami klas sygnałów akustycznych, a fig. 7 - schemat działania układu.

Układ według wynalazku zawiera czujniki emisji akustycznej AE 1, 2, 3, 4, 5, .... umieszczone w osi powierzchni dolnej belki nośnej mostu, połączone z modułem analizy, identyfikacji i lokalizacji sygnałów AE M1, który poprzez moduł klasyfikacji sygnałów i analizy stopnia zagrożenia M2 połączony jest z modułem sygnalizacji dopuszczalnego poziomu obciążenia M3 i modułem rejestracji i sygnalizacji zarządcy obiektu M4.

Czujniki emisji akustycznej rozmieszczone są na powierzchni obiektu tak, by swym zasięgiem pomiarowym pokryć cały badany obiekt, lub wybrany jego fragment.

W przypadku rozmieszczenia czujników AE w odległości „d”, gdzie d < 2a (fig. 2 i fig. 3), obszary pomiarowe czujników, wyznaczone promieniem „a” określanym eksperymentalnie, zachodzą na siebie tworząc strefy pomiarowe czujników. Strefą pomiarową czujnika jest obszar, w którym odległość dowolnego punktu „e” do danego czujnika jest mniejsza lub równa „a” i nie większa aniżeli do czujników pozostałych. Na fig. 2, w strefie pomiarowej czujnika nr 1, w dowolnym punkcie e strefy pomiarowej: e1 < e2 < e3 < e4 < a, sygnał z punktu „e” szybciej dotrze do czujnika 1 aniżeli do czujników o numerach 2, 3 i 4. Po zarejestrowaniu sygnału przez czujnik nr 1 aparatura automatycznie odcina pomiar w czujnikach o numerach 2, 3 i 4 i zostanie przypisany do obszaru pomiarowego czujnika nr 1. Na fig. 2 strefy pomiarowe czujników pokrywają jedynie dolną część badanej belki.

W przykładzie wykonania dla eksploatowanego mostu żelbetowego przedstawionym na fig. 1 odległość między czujnikami dobrano tak, iż obszary pomiarowe czujników tworzą strefy pomiarowe Z1, Z2, ..., Z11, które swym zasięgiem pokrywają całą belkę.

Odpowiednio wzmocnione sygnały AE z czujników przekazywane są do modułu analizy, ident yfikacji i lokalizacji sygnałów emisji akustycznej M1 układu składającego się z procesora emisji akustycznej, gdzie następuje ich identyfikacja i lokalizacja miejsca sygnału.

Do podstawowych parametrów sygnałów emisji akustycznej zalicza się: amplitudę, czas trwania, czas narastania, energię, liczbę zliczeń.

W procesorze dokonywana jest analiza sygnałów emisji akustycznej przekazywanych przez czujniki akustyczne. Wybrane parametry sygnałów, których według wynalazku musi być co najmniej sześć o poziomie skorelowania poniżej 0,75, są sklasyfikowane metodą rozpoznawania obrazów z wykorzystaniem wcześniej utworzonej bazy danych sygnałów wzorcowych.

Wzorcowe bazy danych generowane są przez procesy destrukcyjne, jakie mogą być aktywne w czasie użytkowania konstrukcji, w których występują jeden lub więcej procesów destrukcyjnych równocześnie. W przypadku betonowych konstrukcji żelbetowych można wyróżnić między innymi takie procesy destrukcyjne jak powstawanie zarysowania w zaczynie, powstawanie zarysowania na granicy zaczyn kruszywo, powstawanie mikrorys, rozwój rys, utrata przyczepności w otoczeniu rysy, wyboczenie prętów ściskanych, miażdżenie betonu ściskanego i zerwanie prętów zbrojeniowych. Przykładowo, „rozwojowi rys” odpowiada baza danych grupująca wybrane parametry (ponad 6) sygnału i przypisana temu procesowi. W tablicy 1 przedstawiono procesy destrukcyjne występujące w elementach żelbetowych i odpowiadające im klasy sygnałów.

Sygnały akustyczne zgrupowane w ponumerowanych klasach informują o określonych procesach destrukcyjnych co pozwala na identyfikację procesów destrukcyjnych występujących podczas obciążeń eksploatacyjnych.

Wzorcową bazę danych tworzy się w wyniku badań laboratoryjnych, tak zaprojektowanych, by identyfikowane procesy miały charakter dominujący oraz weryfikuje się na obiektach rzeczywistych.

Na podstawie czasu dojścia sygnałów akustycznych w procesorze dokonywana jest lokalizacja zidentyfikowanych procesów destrukcyjnych z dokładnością do strefy poszczególnych czujników. Na fig. 6 pokazano procesy destrukcyjne występujące w konstrukcji w przykładzie wykonania i odpowiadające im klasy sygnałów AE.

PL 224 822 B1

Znając położenie czujników można określić i zlokalizować aktywne procesy destrukcyjne w ko nstrukcji i śledzić ich rozwój oraz częstotliwość ich występowania. Można także śledzić wygasanie procesów destrukcyjnych, przemieszczanie się obszarów destrukcji w konstrukcji, a także tworzenie nowych obszarów destrukcji.

Informacje o procesach destrukcyjnych i ich położeniu przekazywane są do procesora znajdującego się w module klasyfikacji sygnałów i analizy stopnia zagrożenia M2. Tutaj analizowane są pod kątem zagrożenia konstrukcji. W tabeli 2 przedstawiono stopnie zagrożenia przypisane poszczególnym klasom sygnałów (procesom destrukcyjnym). Pojawienie się określonych stopni zagrożenia skutkuje decyzjami mającymi na celu ograniczenie obciążenia maksymalnego na badanym obiekcie, a w przykładzie wykonania ograniczenie prędkości pojazdów oraz ich masy, tak jak to pokazano w tabeli 3. Określany jest także przedział czasu jakim wykonywane są pomiary.

Do procesora modułu klasyfikacji sygnałów i analizy stopnia zagrożenia M2 mogą być dołączone dodatkowe moduły układu określające warunki pracy obiektu, takie jak: temperatura, wilgotność, zasolenie, obciążenie, a wypracowane decyzje podejmowane są z uwzględnieniem ich wskazań.

Sygnały ograniczające prędkość oraz masę pojazdu, z dokładnością do 5 km/h i 5T, a także czasowe wstrzymanie ruchu, przekazywane są do modułu sygnalizacji dopuszczalnego poziomu obciążenia M3, a informacje o istniejącej sytuacji przekazywane są do modułu rejestracji i sygnalizacji zarządcy obiektu M4. Moduł sygnalizacji dopuszczalnego poziomu obciążenia M3 składa się z wyświetlaczy, na których wyświetlane są decyzje dotyczące ograniczenia prędkości, ograniczenia nośności oraz wstrzymania ruchu (światło stop i znak zakaz wjazdu B-2).

Informacje dotyczące stopnia zagrożenia konstrukcji oraz sterowania obciążeniami eksploatacyjnymi wysyłane są równolegle do modułu rejestracji i sygnalizacji zarządcy obiektu M4, gdzie pojawiają się na komputerze w postaci komunikatów - tabela 3.

Figura 7 przedstawia schematycznie sposób działania układu dla obiektu mostowego gdzie prędkość dopuszczalna pojazdów ograniczona jest do 80 km/h, a dopuszczalna nośność pojazdów do 40 t. Pojawienie się sygnałów klasy 4 powoduje przesłanie do modułu sterowania sygnału ograniczenia prędkości o 10%, co po zaokrągleniu wywołuje wyświetlenie na sygnalizatorze prędkości dopuszczalnej 70 km/h. Na monitorze zarządcy obiektu wyświetlona zostaje informacja: Zagrożenie trwałości. Rozwój zarysowania w strefie Z-, ... Ograniczono prędkość dopuszczalną do 70 km/h.

Pojawienie się sygnałów klasy 5 powoduje przesłanie do modułu sterowania polecenia ograniczenia prędkości o 20% oraz dopuszczalnej nośności pojazdów o 20%, co po zaokrągleniu wywołuje wyświetlenie na sygnalizatorze prędkości dopuszczalnej 65 km/h i dopuszczalnej nośności pojazdów 30 t. Na monitorze zarządcy obiektu wyświetlona zostaje informacja: Zagrożenie nośności. Utrata przyczepności zbrojenia w strefie Z-, . Ograniczono prędkość dopuszczalną do 65 km/h i dopuszczalną nośność pojazdów do 30 t.

Pojawienie się sygnałów klasy 6 powoduje wyświetlenie na sygnalizatorze światła czerwonego zatrzymującego ruch. Na monitorze zarządcy obiektu wyświetlona zostaje informacja: Awaria mostu. Ruch zatrzymany.

System obserwacji obiektu uruchamiany jest na 1 godzinę w zadanych odstępach czasu, np. co dwie godziny, a pomiary wykonywane są w pętli. Rejestracja danego procesu destrukcyjnego następuje w chwili dziesięciokrotnej rejestracji sygnałów danej klasy w kolejnym przedziale pomiarowym. Np. w strefie Z - rejestrowany jest proces destrukcyjny „rozwój rys” w momencie dziesięciokrotnej rejestracji sygnałów klasy 4 w przeciągu jednej godziny pomiaru.

T a b e l a 1

Procesy destrukcyjne i odpowiadające im klasy sygnałów w elementach żelbetowych

Klasy sygnałów	Proces destrukcyjny
Klasa 1	Powstawanie zarysowania w zaczynie
Klasa 2	Powstawanie zarysowania na granicy zaczyn kruszywo
Klasa 3	Powstawanie mikrorys
Klasa 4	Rozwój rys
Klasa 5	Utrata przyczepności w otoczeniu rysy
Klasa 6	Wyboczenie prętów ściskanych, miażdżenie betonu ściskanego, zerwanie prętów zbrojeniowych

PL 224 822 B1

T a b e l a 2

Procesy destrukcyjne, odpowiadające im klasy sygnałów i przypisany stopień zagrożenia konstrukcji

Klasy sygnałów	Proces destrukcyjny	Stopienia zagrożenia konstrukcji
Klasa 1	Powstawanie zarysowania w zaczynie	Bezpieczna praca konstrukcji
Klasa 2	Powstawanie zarysowania na granicy zaczyn kruszywo	Bezpieczna praca konstrukcji
Klasa 3	Powstawanie mikrorys	Ostrzeżenie
Klasa 4	Rozwój rys	Zagrożenie trwałości
Klasa 5	Utrata przyczepności w otoczeniu rysy	Zagrożenie nośności
Klasa 6	Wyboczenie prętów ściskanych, miażdżenie betonu ściskanego, zerwanie prętów zbrojeniowych	Utrata bezpieczeństwa

T a b e l a 3

Informacje wysyłane do modułu zapewniającego bezpieczną eksploatację i modułu rejestracji i sygnalizacji zarządcy obiektu

Klasy sygnałów	Stopienia zagrożenia konstrukcji	Informacja do modułu sygnalizacji dopuszczalnego obciążenia	Informacja do modułu rejestracji i sygnalizacji zarządcy
Klasa 1	Bezpieczna praca konstrukcji		Brak informacji
Klasa 2	Bezpieczna praca konstrukcji		Brak informacji
Klasa 3	Ostrzeżenie		Ostrzeżenie: Powstanie zarysowań w strefie Z ...
Klasa 4	Zagrożenie trwałości	Ograniczyć prędkość dopuszczalną o ...%	Zagrożenie trwałości: Rozwój zarysowania w strefie Z ... Ograniczono prędkość dopuszczalną do ... km/h
Klasa 5	Zagrożenie nośności	Ograniczyć prędkość dopuszczalną o ...% oraz dopuszczalną nośność pojazdów o ...%	Zagrożenie nośności: Utrata przyczepności zbrojenia w strefie Z ... Ograniczono prędkość dopuszczalną do .... km/h oraz dopuszczalną nośność pojazdów do ... t
Klasa 6	Utrata bezpieczeństwa	Światło czerwone	Utrata bezpieczeństwa Awaria mostu

Zastrzeżenia patentowe

Claims (7)

1. Układ do wykrywania i lokalizacji aktywnych uszkodzeń w komunikacyjnych obiektach infrastruktury drogowej, zawierający czujniki emisji akustycznej połączone bezpośrednio lub poprzez przedwzmacniacz z procesorem emisji akustycznej, który połączony jest z komputerem, w którym wzajemna odległość sąsiadujących ze sobą czujników emisji akustycznej jest nie większa od podwójnego promienia, w zasięgu którego tłumienie sygnału akustycznego wynosi nie więcej niż 10 dB, zaś miejsca rozmieszczenia czujników emisji akustycznej na powierzchni wzorca lub obiektu kontrolowanego są zdeterminowane kształtem i rozmiarem wzorca lub obszaru kontrolowanego obiektu, przy jednoczesnym zachowaniu warunku pomiaru sygnału w całej objętości wzorca lub obszaru obiektu kontrolowanego, znamienny tym, że czujniki AE połączone są z modułem analizy, identyfikacji i lokalizacji sygnałów AE (M1), który poprzez moduł klasyfikacji sygnałów i analizy stopnia zagrożenia (M2) połączony jest z modułem sygnalizacji dopuszczalnego poziomu obciążenia (M3) i modułem rejestracji i sygnalizacji zarządcy obiektu (M4), przy czym moduł analizy, identyfikacji i lokalizacji sygnałów AE (M1) zawiera procesor emisji akustycznej, w którym następuje identyfikacja i lokalizacja procesów destrukcyjnych, a moduł klasyfikacji sygnałów i analizy stopnia zagrożenia (M2) zawiera procesor

PL 224 822 B1 w którym analizowane są procesy destrukcyjne pod kątem zagrożenia konstrukcji oraz wypracowywane decyzje dotyczące sygnalizacji dopuszczalnego obciążenia oraz informacje dla zarządcy obiektu.

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że do modułu klasyfikacji sygnałów i analizy stopnia zagrożenia (M2) jest dołączony czujnik temperatury.

3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że do modułu klasyfikacji sygnałów i analizy stopnia zagrożenia (M2) jest dołączony czujnik wilgotności.

4. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że do modułu klasyfikacji sygnałów i analizy stopnia zagrożenia (M2) jest dołączony czujnik zasolenia.

5. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że do modułu klasyfikacji sygnałów i analizy stopnia zagrożenia (M2) jest dołączony czujnik obciążenia.

6. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że moduł sygnalizacji dopuszczalnego poziomu obciążenia (M3) zawiera wyświetlacze dopuszczalnego obciążenia obiektu i wstrzymania ruchu.

7. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że moduł rejestracji i sygnalizacji zarządcy obiektu (M4) zawiera wyświetlacz, na którego ekranie pojawiają się komunikaty o stanie obiektu i działaniach podjętych przez moduł sygnalizacji dopuszczalnego poziomu obciążenia (M3).