Строительный мониторинг на базе пьезокерамических датчиков

Технической основой обеспечения безопасности строительства и эксплуатации зданий является внедрение средств контроля и диагностики. Оценка уровня отечественных научных разработок и технических решений позволяет уверенно заявить: сегодня в России есть измерительные системы нового поколения, позволяющие организовать надежный многофункциональный мониторинг состояния строительных сооружений.

Наиболее перспективным направлением представляется разработка методик сооружения строительных конструкций с заложением в них чувствительных элементов, соединённых в искусственную нейросеть. Это позволит осуществлять точную идентификацию типа и места повреждения на основе технологии распознавания образов. Такая технология не требует сложной математической модели и подходит для решения задачи о возможности безопасной эксплуатации любой конструкции или отдельного элемента в реальном масштабе времени. В качестве чувствительных элементов здесь предпочтительно применять акустические пьезодатчики со спектральным анализом сигналов от волн напряжений в конструкциях, находящихся под нагрузкой. Такой анализ позволяет определять большое число параметров и точно определять координаты и тип сложных повреждений. Для реализации обозначенной стратегии важно определить место предложенной технологии в парке современных диагностических методов. Говоря иначе, чтобы понять, насколько повышается качество контрольно-диагностической процедуры при использовании комплекса акустических пьезодатчиков, следует дать их сравнительный анализ в свете современных диагностических методов.

Рассмотрим существующие методы, неразрушающего контроля, в частности, ультразвуковые (УЗ). Эти методы реализованы в приборах УК-10, УК-12, УК-14ПМ, УК-16ПС, которые составляют основу парка ультразвуковых приборов предприятий строительного комплекса.

Недостатком этих приборов является то, что они измеряют один-единственный параметр - скорость распространения УЗ-колебаний. Метод оценки прочности бетона в этом случае основан на корреляции прочности бетона и скорости УЗ-колебаний. Приемлемые по точности результаты получаются, как правило, лишь в условиях "стабильной" технологии, например, в заводских условиях.

На первый взгляд кажется странным: почему измеряется один параметр - скорость распространения акустических колебаний, а не спектральные характеристики коэффициентов поглощения и рассеяния, несущих информацию о структуре бетона, гранулометрическом составе, о наличие микро- и макротрещин? Причина очень проста: в портативных переносных приборах невозможно обеспечить стабильность спектра вводимых в бетон УЗ колебаний через протектор пьезопребразователя даже с использованием иммерсионных сред. Следствием этого является отсутствие методик интерпретации измеренных амплитудно-частотных характеристик применительно к прочности бетона.

Указанные выше недостатки определяют практически полный отказ от использования ультразвука для контроля прочностных характеристик бетона на строительных площадках и при выполнении работ по обследованию эксплуатируемых конструкций.

Однако все трудности по возбуждению и приёму УЗ колебаний исчезают, если пьезодатчики заливаются жидкой бетонной смесью, что обеспечивает стабильный акустический контакт при затвердевании бетона. В связи с этим предлагается создать встроенную в железобетонную конструкцию систему многопараметрического акустического контроля прочности бетона и прогнозирования надёжности конструкции в целом. Предлагаемая многопараметрическая система контроля прочности бетона в сравнении с существующими методами имеет следующие основные отличия:

  • значительное расширение функций системы как измерителя акустических параметров (измерение скорости распространения колебаний, частотного распределения коэффициента затухания, акустического импеданса точек контакта с бетоном);
  • предварительная статистическая обработка результатов измерения;
  • возможность быстрой смены алгоритма (тарировочных зависимостей) определения прочности бетона;
  • возможность измерения упруго-деформационных характеристик бетона (динамического модуля упругости);
  • возможность включения ПЭВМ в систему мониторинга с целью диагностики, настройки, смены алгоритма функционирования, переноса накопленных данных для дальнейшей обработки.

Основной компонентной базой предлагаемой системы должны являться программируемые PIC-контроллеры. Конструкторские решения и технология сборки и настройки позволят разместить заказ на серийное изготовление этой системы практически на любом предприятии радиоэлектронного профиля. В качестве начального этапа развития направления можно рассматривать проведение научно-исследовательских работ по созданию базовой системы измерения акустических характеристик бетона, обладающей высокой степенью управляемости параметрами измерительного тракта. Целью этих научных исследований должно стать получение измерительного средства для формирования, экспериментальной проверки и уточнения "акустико-прочностных" моделей бетона, на основе которых следует сформировать алгоритм оценки прочности. Технические и конструкторские решения базовой системы измерения акустических характеристик бетона явятся основой для создания самодиагностирующихся конструкций на базе нейронных сетей.

Таким образом, создание базовой конструкции системы измерения акустических параметров бетона позволит получать информацию о различных акустических характеристиках бетона, а не только скорость распространения колебаний или время их прохождения через исследуемый образец.

В частности, система позволит производить оценку степени затухания различных частотных составляющих УЗ-сигнала, разницы в скорости распространения тех же составляющих (следует ожидать зависимости этих параметров от структуры бетона: характера крупного заполнителя, размеров его зерен, пористости растворной составляющей), величины акустического импеданса зоны контакта датчика и поверхности бетона. На основе перечисленных акустических характеристик система позволит производить оценку прочности бетона, его плотности и влажности. Развитием системы явится получение данных о морозостойкости и водонепроницаемости.

Данные о возможном использовании вышеперечисленных информативных параметров, приводимые в литературных источниках, весьма ограниченны и противоречивы, и, как правило, речь в них идет о лабораторных измерениях какого-либо одного параметра без учета изменения других. Поэтому при создании многопараметрической системы предполагается проведение исследований с целью накопления статистического материала, выявления корреляции акустических параметров с прочностными и другими эксплуатационными характеристиками бетона в условиях реальных технологий изготовления и эксплуатации железобетонных изделий.

Дополнительную информацию можно получить по телефону: (095) 187-63-92

Коньков Е.В., к.ф.-м.н,  Гапонов С.С., с.н.с.,
Рубцов И.В., профессор, Неугодников А.П., Поспелов В.И., к.т.н.,
Научно-исследовательская и проектно-производственная лаборатория "Проектирование и конструирование" (НИиППЛ "ПиК") МГСУ,
ЗАО "Новые технологии"

Журнал "Строительная орбита" №2/2005   23.05.2005