Meranie napätosti podpornej konštrukcie v Kurimanoch

Pri opätovnej výstavbe mosta v Kurimanoch na diaľnici D1 Jánovce – Jablonov prebiehalo meranie napätosti podpornej konštrukcie Pižmo počas betonáže pomocou automatizovaného meracieho systému. Technológia merania optickými vláknami sa porovnávala s výsledkami meraní konvenčnou metódou.

Dodávateľom monitorovacieho systému je spoločnosť SYLEX, s. r. o., stavebný systém Pižmo dodala spoločnosť TOOŽ – Technická obnova a ochrana železníc, a. s. Meranie podpornej konštrukcie v Kurimanoch v roku 2013 bolo vôbec prvou realizáciou použitia technológie merania optickými vláknami na Slovensku. Neskôr sa systém aplikoval v spolupráci s prof. V. Benkom zo Stavebnej fakulty STU v Bratislave pri testovaní betónových stĺpov na zlyhanie stability. Monitorovacie práce v Kurimanoch prebiehali v dvoch fázach. V prvej sa na konštrukciu Pižmo nainštalovalo a otestovalo 48 optovláknových snímačov. Inštalácia prebiehala dva dni, 1. a 2. augusta 2013. Následne sa realizovala druhá fáza, ktorá spočívala v samotnom monitoringu podpornej konštrukcie počas betonáže 15. augusta 2013. Konštrukcia Pižmo mala podstavu 3 × 8 stĺpov a nachádzala sa na pravej strane mosta v smere z Jánoviec do Jablonova. Na monitorovanie sa použili optovláknové snímače s príslušnou optickou kabelážou a vyhodnocovacím zariadením. Ako výstup z vyhodnocovacieho zariadenia slúžili mikrostrainy, ktoré vyjadrujú pomerné pretvorenie materiálu (µm/m). Na základe Hookovho zákona a informácií o module pružnosti materiálu Pižmo sa prepočítalo mechanické napätie v tlaku pôsobiace na podpornú konštrukciu Pižmo počas betonáže. Monitorovací systém ukazoval priebežné hodnoty automaticky a v reálnom čase. Údaje sa prenášali na diaľku. Cieľom monitorovania bolo zabezpečiť prvotný varovný signál v prípade, ak by došlo ku kolapsu počas výstavby alebo prevádzky konštrukcie.

Priebeh merania

Merania sa začali o 5.00 hod. ráno za pomerne chladných podmienok. Počasie počas dňa bolo striedavé, slnečno-oblačné. Slnečné lúče dopadajúce na konštrukciu ovplyvnili vlastnosti materiálu, ktoré boli filtrované teplotnými sondami. Na konci dňa po vyliatí požadovaného objemu betónu ostali všetky merané body v limitoch tak, ako ich definovala firma TOOŽ. Optovláknové snímače sa inštalovali na podpornú konštrukciu Pižmo pozostávajúcu z bloku 3 × 8 podporných stojok, a to v rohoch konštrukcie, ako aj na strednom páse 3 stojok konštrukcie. Monitorovacia sieť bola zložená zo 48 optovláknových snímačov, z ktorých 42 slúžilo na meranie mechanického napätia a zvyšných šesť teplotných snímačov na teplotnú kompenzáciu. Od jednotlivých podporných stĺpov viedli jeden alebo dva pancierové optické 3-milimetrové káble k prepojovaciemu boxu, ktorý bol priamo napojený na distribučný 500-metrový kábel. Distribučný kábel sa následne pripojil k vyhodnocovaciemu zariadeniu – interrogátoru. V priebehu prvého dňa inštalácie sa na podpornej konštrukcii Pižmo vyznačili presné umiestnenia snímačov. Všetky pozície sa očistili a z konštrukcie sa odstránil vrchný náter z dôvodu potreby zvárania držiakov snímačov na konštrukciu. Následne sa navarili držiaky a inštalovali prvé dve senzorické siete. Na druhý deň sa doinštalovali chýbajúce senzorické siete a naťahala sa kabeláž od jednotlivých sietí do centrálneho bodu, kde bol umiestnený prepojovací box. Po inštalácii a odskúšaní všetkých snímačov sa vykonala ich výstupná kontrola. Potom sa snímače zadefinovali v príslušnom softvéri, čo umožnilo zaznamenávať informácie nielen vo vlnových dĺžkach, ale aj vo fyzikálnych veličinách, napríklad MPa. Dva týždne pred nasadením optických káblov prebiehalo meranie konštrukcie konvenčným spôsobom pomocou elektrického snímača. Pracovníci firmy TOOŽ spolupracovali s prof. J. Benčatom zo Žilinskej univerzity v Žiline, ktorý vykonával tieto merania na niekoľkých bodoch. Výsledky sa porovnali s meraním pomocou optických snímačov a ukázali veľmi podobné výstupy za mierne zmenených podmienok. Obe merania potvrdili, že konštrukcia je dostatočne odolná a z hľadiska bezpečnosti stavby tohto typu až mierne predimenzovaná. Zároveň sa potvrdila správnosť merania optickými káblami a spoločnosť TOOŽ plánuje túto metódu využiť pri plánovaní svojich budúcich projektov. Z nákladovej štúdie vyplýva, že celkové náklady na monitorovanie uvedenej konštrukcie predstavovali približne 30-tisíc eur, čo je zanedbateľná položka v porovnaní s cenou ľudského života či nákladmi na rekonštrukciu nekvalitne zhotovených stavieb.

Umiestnenie snímačov na Pižmo č. 1 až 4

Princíp technológie

Optické vlákna, známe najmä z telekomunikácií, sa dnes už pomerne často využívajú aj v oblasti meracích technológií. Ako generačne mladšia a nastupujúca technológia merania je v porovnaní s konvenčným alebo hydraulickým meracím systémom imúnna proti elektromagnetickému žiareniu, jednoducho a rýchlo sa inštaluje, zber dát je viac automatizovaný a meracia vzdialenosť je až do 10 km. Vlastnosti optického vlákna umožňujú využiť na jednom vlákne sieť viacerých meracích bodov s jedným snímačom. Ide o takzvané multiplexovanie. V porovnaní s konvenčnou elektrickou technológiou nie je potrebných napríklad 10 individuálnych snímačov s vlastnými prívodnými káblami. Celý systém s výnimkou meracej jednotky (vyhodnocovacieho zariadenia, ktoré funguje ako počítač) je energeticky pasívny, to znamená, že nie je potrebné nijaké napájanie a systém neovplyvňujú elektromagnetické vplyvy ani blesky. Z tohto dôvodu je vhodný do prostredí s potenciálne výbušným charakterom, ako sú bane, tunely, iné podzemné stavby, prípadne železničné trate. Výsledky merania nedeformujú ani magnetické vlny vznikajúce prechodmi vlakov. Po nainštalovaní je systém viac-menej bezúdržbový a nie je potrebné prekalibrovávanie po určitom čase.

Vyhodnocovacie zariadenie pripojené k snímačom

Počítač, ktorý môže byť vzdialený niekoľko kilometrov od meraného útvaru, využíva na prenos dát bežné prostriedky informačnej techniky, servery či mobilné aplikácie. V prípade podpornej konštrukcie v Kurimanoch bola hlavná meracia jednotka umiestnená približne 30 m od miesta merania a odtiaľ sa informácie nahrávali smerom na sever cez sieť GSM. Vyhodnocovanie prebiehalo okamžite, zber meraných dát bol nastavený na interval jedenkrát za sekundu. To znamená, že zo všetkých snímaných bodov sa každú sekundu vedelo, čo konštrukcia reálne robí. Systém sa dá konfigurovať rozličnými spôsobmi, možno ísť aj do kiloherzových zberov, t. j. tisíckrát za sekundu. Interval závisí od posúdenia dynamických vlastností konštrukcií. Ak sa na stavbe nastaví podmienka, že napätosť nemôže prekročiť isté percento alebo promile, po jeho prekročení systém okamžite vyšle alarmovú správu, informáciu, spustí sirénu, zapne semafor, respektíve inú ľubovoľnú akciu, a tá odošle informáciu opäť ľubovoľne nastaviteľným spôsobom – e-mailom, telefonicky či sms správou. Pred začatím merania je potrebné vhodne definovať body sledovania, ktoré určuje statik alebo odborník, a to podľa zámeru monitorovania z hľadiska dlhodobej životnosti konštrukcie. Snímanie a monitorovanie stavby môže prebiehať rádovo v rokoch alebo desaťročiach. Súčasťou monitorovacieho systému je poskytovanie prenosu dát na diaľku, ich zdieľanie medzi servermi a výstupy do zrozumiteľných formátov. Merací server možno umiestniť aj u výrobcu snímačov, ktorý na požiadanie odovzdáva len zvolené merané dáta. Ide o formu obchodného modelu, ktorý sa čoraz častejšie využíva v zahraničí.

Spájanie snímačov do siete

Životnosť snímačov

V súčasnosti prebiehajú analýzy a testovania, ktoré simulujú starnutie technológie, najmä snímačov. Životnosť systému je momentálne viac ako 20 rokov, čo sa blíži k bežnej životnosti konštrukcií pred revíziou na stavbe. Výhodou je, že snímače možno zabudovať priamo do konštrukcie, teda zaliať ich betónom. Po ukončení betonáže sa optickým káblom napoja na počítač a merajú vlastnosti konštrukcie. Snímače sa dajú namontovať aj dodatočne. Najčastejšie sa využívajú na monitorovanie dlhodobej životnosti a vitálnosti stavebných prvkov, či už ide o priehrady, mosty, tunely, diaľnice, alebo železnice. Jednotlivé riešenia si vyžadujú prístup na kľúč, to znamená, že snímače sa modifikujú podľa konkrétneho zadania. Táto technológia sa vo svete používa viac ako desať rokov a spô­sob výroby snímačov na Slovensku zohľadňuje unikátne parametre, ktoré veľa firiem s podobným zameraním nemá k dispozícii.

Významné stavby v zahraničí

Optovláknové snímače sa dodávajú na rôzne stavby v zahraničí, ako sú priehrady, tunely, mosty atď. Jednou z najvýznamnejších referencií je olympijský štadión v Grécku, kde sa monitoroval podperný systém držiaci strechu štadióna. V súčasnosti prebieha monitorovanie výšky vodnej hladiny priehrady s najväčšou elektrárňou na svete v Číne, ako aj monitorovanie mostov v Grécku a Fínsku. K posledným väčším projektom patrí zaistenie geotechnickej bezpečnosti tunelov a baní v Chile a monitorovací systém londýnskeho metra.

Z podkladov spoločnosti SYLEX
pripravila Magdaléna Lukáčová.
FOTO: SYLEX