PL244082B1 - Dźwigar mostowy kompozytowo-betonowy - Google Patents

Abstract

Dźwigar mostowy zawierający kompozytowy korpus oraz betonową płytę zamocowaną do tego korpusu, a także czujniki, charakteryzuje się tym, że jego czujniki (5) są trwale wbudowane w wewnętrzną strukturę materiału, z którego jest wykonany. System monitorowania mający połączony z serwerem zestaw rejestrująco-przesyłający wyposażony w rejestrator i reflektometr, do którego podłączone są czujniki (5) dźwigara określonego, charakteryzuje się tym, że jego zestaw rejestrująco-przesyłający (6) rejestruje informacje o zmierzonych za pomocą czujników (5) dźwigara wartościach wielkości fizycznych i przesyła je na serwer, gdzie zmierzone wartości są przeliczane na wartości zdefiniowane w systemie dla określenia stanu technicznego obiektu mostowego, i na tej podstawie oceniany jest stan techniczny obiektu lub wykrywane jest jego przeciążenie.

Description

Przedmiotem wynalazku jest dźwigar mostowy kompozytowo-betonowy mający zastosowanie jako element konstrukcyjny obiektów mostowych.

W stanie techniki znane są rozwiązania dźwigarów hybrydowych kompozytowo-betonowych. Przykładowo z polskiego opisu patentowego PL 231211 B znane jest przęsło mostu drogowego, składające się z dźwigarów hybrydowych, kompozytowo-betonowych oraz poprzecznie z betonu. Przęsło mostowe ma co najmniej dwa dźwigary hybrydowe o przekroju skrzynkowym, wykonane z belek z kompozytów FRP, połączonych trwale z płytą pomostu, przy czym poprzecznice podporowe i płyta pomostu są wykonane z betonu lekkiego. Skrzynkowe belki kompozytowe są połączone z betonową płytą pomostu za pomocą łączników stalowych sworzniowych oraz kleju epoksydowego.

Z chińskiego opisu zgłoszeniowego CN 201873942 U znana jest konstrukcja dźwigara z kompozytów FRP, mająca jeden lub dwa środniki połączone z betonem. Połączenie betonu z korpusem z kompozytów FRP jest zapewnione za pomocą kleju i uszorstnionej powierzchni z betonu zwykłego lub wysokowartościowego, zbrojonego podłużnie i poprzecznie prętami kompozytowymi FRP.

Z chińskiego opisu zgłoszeniowego CN 203320390 U znana jest konstrukcja hybrydowego dźwigara skrzynkowego, wykonanego z kształtownika z kompozytu FRP oraz betonu. Kształtownik jest wykonywany w procesie pultruzji. Połączenie betonu z kształtownikiem jest wykonane poprzez płaskie łączniki listwowe z otworami oraz pręty zbrojeniowe. Łączniki listwowe mogą być w kształcie „U”, „L”, „T” oraz „I”.

Z rosyjskiego opisu patentowego RU 2544028 C1 znany jest system monitorowania stanu technicznego statków powietrznych, w szczególności wiosła śmigła wykonanego z kompozytu FRP. Na każdej łopatce kompozytowej zewnętrznych śmigieł statku powietrznego znajdują się co najmniej dwa czujniki światłowodowe Bragga oraz co najmniej dwa czujniki wibroakustyczne. Czujniki Bragga i czujniki wibroakustyczne są wbudowane w masę kompozytu w górnej części łopatek śmigieł i w panelach zewnętrznych śmigieł. Dzięki zainstalowanemu systemowi monitorowania jest możliwość kontroli stanu technicznego łopatek śmigieł i zewnętrznych paneli skrzydeł, wykonanych z kompozytów FRP.

Ze stosowania znane są systemy monitorowania obiektów mostowych wykorzystujące montowane na powierzchni tych obiektów czujniki strunowe oraz inklinometry zintegrowane z czujnikami temperatury. Instalowanie takich systemów na obiekcie mostowym jest kosztowne, w szczególności jeżeli wymagana jest wysoka dokładność pomiaru.

Dźwigar mostowy kompozytowo-betonowy zawierający kompozytowy podłużny korpus o pryzmatycznym przekroju poprzecznym oraz betonową płytę zamocowaną do tego korpusu, a także mający zamontowane czujniki, według wynalazku charakteryzuje się tym, że jego czujniki są trwale wbudowane w wewnętrzną strukturę korpusu, przy czym korpus jest z litego laminatu o osnowie polimerowej zbrojonego włóknami, korzystnie szklanymi albo węglowymi, a czujniki są usytuowane w jego osnowie, albo korpus jest z kompozytu warstwowego a czujniki usytuowane są pomiędzy warstwami tego kompozytu warstwowego, lub czujniki są wbudowane w wewnętrzną strukturę płyty, przy czym płyta jest zbrojona prętami kompozytowymi a czujniki są wbudowane w strukturę wewnętrzną tych prętów.

Korzystnie jego czujniki obejmują czujniki strunowe.

Dalsze korzyści uzyskiwane są, jeśli jego czujniki obejmują czujniki światłowodowe.

Kolejne korzyści uzyskiwane są, jeżeli czujniki światłowodowe dźwigara obejmują czujniki punktowe.

Następne korzyści uzyskiwane są, jeśli czujniki światłowodowe dźwigara obejmują czujniki rozłożone.

Dalsze korzyści uzyskuje się, jeśli płyta dźwigara jest z betonu lekkiego albo zwykłego albo wysokowartościowego.

Kolejne korzyści uzyskiwane są, jeżeli korpus dźwigara jest połączony z płytą za pomocą sworzni metalowych.

Następne korzyści uzyskuje się, jeśli korpus jest połączony z płytą za pomocą sworzni kompozytowych albo za pomocą listew łączeniowych.

Dalsze korzyści uzyskuje się, jeśli listwy są ceownikami, których ramiona są wpuszczone w płytę a zewnętrzna powierzchnia środnika jest połączona skleiną z korpusem.

Kolejne korzyści uzyskiwane są, jeśli korpus ma przekrój poprzeczny otwarty albo zamknięty.

Obiekty mostowe o konstrukcji przęseł z dźwigarów hybrydowych w sposób optymalny łączą powszechnie znane zalety kompozytów FRP jak trwałość, wytrzymałość, lekkość, z zaletami betonu, takimi jak sztywność, niski koszt oraz plastyczny sposób niszczenia. Inteligentne łączenie tych zalet oraz wbudowanie systemu monitorowania ich stanu technicznego oraz kontroli przeciążeń mostu już wkrótce może spowodować, że ten rodzaj drogowych dźwigarów zdobędzie dużą popularność w budowie obiektów mostowych w ciągu dróg publicznych krajów wysokorozwiniętych. W szczególności w sytuacji, gdy starzejąca się infrastruktura drogowa, zagraża bezpieczeństwu jej użytkowników.

Wynalazek łączy w sobie zalety dźwigara kompozytowo-betonowego z inteligentnym systemem jego monitorowania oraz tradycyjnymi zaletami prefabrykacji. Dźwigar hybrydowy umożliwia tworzenie inteligentnych systemów prefabrykowanych obiektów mostowych, które nie tylko zredukują obecne ograniczenia prefabrykacji mostowej, takie jak ograniczenia transportowe elementów, ograniczona trwałość, brak stałej kontroli stanu technicznego, lecz przede wszystkim stworzą technologię budowy mostów doskonale wpisującą się w strategię zrównoważonego rozwoju pod kątem ograniczenia energochłonności produkcji oraz zmniejszenia jej śladu węglowego. Osiągnięcie tych parametrów jest szczególnie istotne w obliczu stopniowo zaostrzanych kryteriów oceny wyrobów budowlanych w odniesieniu do ich oddziaływań na środowisko w trakcie całego cyklu życia wyrobu.

Zintegrowanie z dźwigarem systemu monitorowania poprzez zastosowanie czujników wbudowanych w strukturę wewnętrzną materiału, z którego jest zbudowany, umożliwi ciągłą w czasie analizę bezpieczeństwa konstrukcji całego mostu, zarówno w kontekście upływającego czasu i wynikającego stąd postępującego procesu destrukcji materiałów, zmieniających się oddziaływań mechanicznych i niemechanicznych, pojawiających się defektów, jak i chwilowych oddziaływań wynikających z przejazdu pojazdów ponadnormatywnych. Objęcie monitoringiem wszystkich mostów wznoszonych przy zastosowaniu dźwigarów hybrydowych umożliwi zbudowanie sieci systemów monitorowania. Wyniki pozyskiwane z pomiarów dostarczą unikalnych w skali świata informacji na temat pracy konstrukcji hybrydowych w różnych warunkach eksploatacji. Umożliwią również natychmiastowe reagowanie służb utrzymania na pojawiające się w czasie eksploatacji usterki. Uwzględnienie integracji systemu monitorowania z dźwigarem pozwoli na wykorzystanie przy ich projektowaniu analizy ryzyka, co z kolei przełoży się na optymalizację konstrukcji i wynikające z niej oszczędności finansowe przy zachowaniu tych samych parametrów związanych z bezpieczeństwem konstrukcji.

Efektem zastosowania dźwigarów według wynalazku, związanym z wykorzystaniem zintegrowanych z nim czujników, jest możliwość odczytu i rejestracji odkształceń, temperatury, a także deformacji pionowych i poziomych dźwigara obiektu mostowego.

Zastosowanie czujników punktowych pozwala na pomiar wartości zmieniających się w sposób dynamiczny. Czujniki rozłożone pozwalają natomiast na wykonywanie pomiarów statycznych realizowanych w dowolnym czasie, przykładowo w zaplanowanych odstępach czasowych, a także gdy wartości zmierzone czujnikami punktowymi przekraczają zdefiniowane wartości graniczne. Pomiary wykonywane oboma rodzajami czujników są wykorzystywane do monitoringu i oceny zachowania się konstrukcji dźwigara pod kątem przeciążenia oraz oceny stanu technicznego obiektu mostowego pod wpływem obciążeń i oddziaływań zmiennych w czasie.

Światłowody pełniące rolę czujników rozłożonych pozwalają na ciągły geometrycznie pomiar odkształceń, deformacji, temperatury kompozytu lub betonu. Wielkości pomierzone za pomocą rozłożonych czujników światłowodowych, generowane przez dowolne oddziaływanie mechaniczne lub niemechaniczne obiektu mostowego, w szczególności przez oddziaływanie reologiczne lub środowiskowe, służą do ciągłej w czasie oceny stanu technicznego obiektu mostowego oraz jego ewentualnego przeciążenia.

Wbudowanie czujników w wewnętrznej strukturze materiału korpusu dźwigara, czy tez w kompozytowych prętach zbrojeniowych płyty betonowej, podczas ich wytwarzania, przykładowo poprzez pultruzję, infuzje czy też nawijanie, zapewnia współodkształcalność czujników i materiału pod obciążeniem. Przekłada się na wysoką dokładność pomiarów.

Dźwigar mostowy kompozytowo-betonowy w przykładach wykonania został bliżej wyjaśniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia dźwigar w przekroju poprzecznym w pierwszym wariancie wykonania, fig. 2 - w drugim wariancie wykonania, fig. 3 - w trzecim wariancie wykonania, fig. 4 - w czwartym wariancie wykonania, fig. 5 - w szóstym wariancie wykonania, fig. 6 - połączenie korpusu dźwigara z płytą za pomocą sworzni, w przekroju poprzecznym, fig. 7 - w przekroju wzdłużnym, fig. 8 - połączenie korpusu dźwigara z płytą za pomocą listew łączących w przekroju poprzecznym, fig. 9 - w przekroju wzdłużnym, fig. 10 - dźwigar w trzecim wariancie wykonania z pokazanym rozmieszczeniem czujników w przekroju poprzecznym, fig. 11 - poglądowo rozmieszczenie czujników na pasach korpusu dźwigara w wariancie pierwszym drugim, trzecim i czwartym, fig. 12 - poglądowo rozmieszczenie czujników na środnikach korpusu dźwigara w wariancie pierwszym drugim, trzecim i czwartym, fig. 13 - fragment przekroju wzdłuż linii B-B z fig. 4 przedstawiający lity laminat korpusu dźwigara zbrojony włóknami z czujnikami wbudowanymi w jego wewnętrzną strukturę, fig. 14 - fragment przekroju wzdłuż linii A-A z fig. 3 przedstawiający kompozyt warstwowy w przekroju poprzecznym z czujnikami wbudowanymi w jego strukturę, fig. 15 - poglądowo dźwigary w trzecim przykładzie wykonania zastosowane w moście, fig. 16 - poglądowo dźwigar w trzecim przykładzie wykonania podłączony do zestawu rejestrująco-przesyłającego.

Dźwigar przęsła mostowego według wynalazku w pierwszym przykładzie wykonania, przedstawionym na fig. 1, zawiera korpus 1, z litych laminatów zbrojonych włóknami szklanymi z polimerową osnową, o pryzmatycznym przekroju poprzecznym otwartym dwuteowym, oraz połączoną z tym korpusem 1 płytę 2 z betonu zwykłego. Płyta 2 jest przykręcona do korpusu 1 za pomocą sworzni 3 z nakrętkami 4, co przedstawiono poglądowo na fig. 6 i 7. Zastosowane sworznie 3 są metalowe.

Dźwigar ma czujniki 5 światłowodowe, które są trwale połączone z jego korpusem 1, poprzez ich usytuowanie w osnowie w wewnętrznej strukturze kompozytu, z którego jest wykonany, w środniku tego korpusu 1. Czujniki 5 obejmują czujniki 5 punktowe oraz czujniki 5 rozłożone w postaci siatek Bragga. Rozmieszczenie czujników 5 na środniku korpusu 1 przedstawiono na fig. 12. Czujniki 5 są podłączone do zestawu rejestrująco-przesyłającego 6, zawierającego rejestrator oraz reflektometr, zamocowanego na obiekcie mostowym oraz połączonego za pomocą sieci światłowodowej z serwerem, który przelicza wartości pomiarowe na wielkości służące do oceny stanu technicznego lub przeciążenia obiektu mostowego.

Dźwigar według wynalazku w drugim przykładzie wykonania, przedstawionym na fig. 2, zawiera korpus 1, z litego laminatu zbrojonego włóknami węglowymi z polimerową osnową o pryzmatycznym przekroju poprzecznym zamkniętym prostokątnym. Płyta 2 dźwigara jest z betonu lekkiego. Światłowodowe czujniki 5 są trwale połączone z pasami i środnikami korpusu 1 w wewnętrznej strukturze kompozytu, z którego jest wykonany. Rozmieszczenie czujników 5 odpowiednio na pasach oraz środnikach korpusu 1 przedstawiono na fig. 11 i 12. Do połączenie korpusu 1 z płytą zastosowano sworznie 3 kompozytowe. W pozostałym zakresie wykonanie dźwigara jest takie jak w przykładzie pierwszym.

W trzecim przykładzie wykonania, przedstawionym na fig. 3 i 10, dźwigar według wynalazku ma korpus 1 o pryzmatycznym przekroju poprzecznym otwartym U-kształtnym, wykonany z kompozytu warstwowego z warstwą zbrojoną włóknem szklanym oraz o rdzeniu piankowym. Płyta 2 wykonana jest z betonu wysokowartościowego, zbrojonego prętami 7 kompozytowymi wykonanymi metodą pultruzji, a czujniki 5 światłowodowe są wbudowane w te pręty 7 na etapie ich wytwarzania. Ponadto jak pokazano na fig. 10 i 14 czujniki światłowodowe są wbudowane w wewnętrzną strukturę kompozytu z którego jest korpus 1. W pozostałym zakresie wykonanie dźwigara jest takie jak w przykładzie pierwszym.

W czwartym przykładzie wykonania, przedstawionym na fig. 4, korpus 1 jest wykonany z laminatu z warstwami kompozytu zbrojonego włóknami szklanymi oraz węglowymi i ma przekrój poprzeczny zamknięty trapezowy, a czujniki 5 są wbudowane w pręty 7 kompozytowe, którymi zbrojona jest płyta 2 betonowa, a także w wewnętrzną strukturę materiału korpusu 1 o pryzmatycznym przekroju poprzecznym zamkniętym trapezowym. W pozostałym zakresie dźwigar jest wykonany tak jak w przykładzie drugim.

W piątym przykładzie wykonania korpus 1 i płyta 2 są ze sobą trwale połączone za pomocą listew 8, przedstawionych na fig. 8 i 9, które mają ścianki boczne wpuszczone w płytę 2 betonową, przy czym w tych ściankach bocznych, są otwory 9, przez które przechodzą pręty 7 zbrojące płytę 2. Listwy 8 połączone są z korpusem 1 za pomocą skleiny 10. W pozostałym zakresie wykonanie dźwigara jest takie jak w przykładzie czwartym.

W szóstym przykładzie wykonania, przedstawionym na fig. 5, dźwigar ma korpus 1 o pryzmatycznym przekroju poprzecznym okrągłym. W pozostałym zakresie wykonanie jest jak w przykładzie pierwszym.

Claims (14)

1. Dźwigar mostowy kompozytowo-betonowy zawierający kompozytowy podłużny korpus o pryzmatycznym przekroju poprzecznym oraz betonową płytę zamocowaną do tego korpusu, a także mający zamontowane czujniki, znamienny tym, że jego czujniki (5) są trwale wbudowane w wewnętrzną strukturę korpusu (1), przy czym korpus (1) jest z litego laminatu o osnowie polimerowej zbrojonego włóknami, korzystnie szklanymi albo węglowymi, a czujniki (5) są usytuowane w jego osnowie, albo korpus (1) jest z kompozytu warstwowego a czujniki usytuowane są pomiędzy warstwami tego kompozytu warstwowego, lub czujniki (5) są wbudowane w wewnętrzną strukturę płyty (2), przy czym płyta (2) jest zbrojona prętami (7) kompozytowymi a czujniki (5) są wbudowane w strukturę wewnętrzną tych prętów (7).

2. Dźwigar według zastrz. 1, znamienny tym, że jego czujniki (5) obejmują czujniki (5) strunowe.

3. Dźwigar według zastrz. 1, znamienny tym, że jego czujniki (5) obejmują czujniki (5) światłowodowe.

4. Dźwigar według zastrz. 3, znamienny tym, że jego czujniki (5) światłowodowe obejmują czujniki (5) punktowe.

5. Dźwigar według zastrz. 3 albo 4, znamienny tym, że jego czujniki (5) światłowodowe obej- mują czujniki (5) rozłożone.

6. Dźwigar według zastrz. 1, znamienny tym, że jego płyta (2) jest z betonu lekkiego.

7. Dźwigar według zastrz. 1, znamienny tym, że jego płyta (2) jest z betonu zwykłego.

8. Dźwigar według zastrz. 1, znamienny tym, że jego płyta (2) jest z betonu wysokowartościowego.

9. Dźwigar według zastrz. 1, znamienny tym, że jego korpus (1) jest połączony z płytą (2) za pomocą sworzni (3) metalowych.

10. Dźwigar według zastrz. 1, znamienny tym, że jego korpus (1) jest połączony z płytą za pomocą sworzni (3) kompozytowych.

11. Dźwigar według zastrz. 1, znamienny tym, że jego korpus (1) jest połączony z płytą (2) za pomocą listew (8) łączeniowych.

12. Dźwigar według zastrz. 11, znamienny tym, że jego listwy (8) są ceownikami, których ramiona są wpuszczone w płytę (2) a zewnętrzna powierzchnia środnika jest połączona skleiną z korpusem (1).

13. Dźwigar według zastrz. 1, znamienny tym, że jego korpus (1) ma przekrój poprzeczny otwarty.

14. Dźwigar według zastrz. 1, znamienny tym, że jego korpus (1) ma przekrój poprzeczny zamknięty.