Вантовое покрытие здания арены воспринимает различные нагрузки от веса кровли, ходовых мостиков, медиакуба, осветительных прожекторов, всевозможного инженерного оборудования, а также снеговую нагрузку, которая является преобладающей. Поэтому информация о напряженно-деформированном состоянии (НДС) несущих элементов покрытия, к которым относятся прежде всего несущие и стабилизирующие ванты и пространственное центральное металлическое кольцо, объединяющее все ванты в единую несущую напряженную систему, необходима для постоянного ее диагностирования. Это обстоятельство легло в основу разработки системы непрерывного наблюдения, или мониторинга (СМ), за НДС покрытия, состоящей из двух подсистем, – мониторинга вант и нижнего несущего металлического кольца.
На каждой четвертой несущей и стабилизирующей ванте установлено 24 датчика фирмы “Адвитам”, общая информация от которых непрерывно поступает в центральный диспетчерский узел.
Подсистема мониторинга напряженно-деформированного состояния нижнего металлического кольца вантового покрытия разработана в Институте прикладной физики Национальной академии наук совместно с РУП “Институт Белгоспроект” по заказу КУП “УКС Мингорисполкома”. Информация от обеих подсистем аккумулируется на сервере, где подвергается обработке и анализу.
Цель разработки и установки подсистемы мониторинга кольца – создание информационной базы, позволяющей в реальном масштабе времени получать, анализировать и документировать сведения о состоянии его элементов как наиболее ответственной конструктивной части вантового покрытия, напрямую влияющей на безопасность эксплуатации комплекса. Такой подход дает воз-
можность своевременного оповещения эксплуатационных служб о надвигающейся
чрезвычайной ситуации, когда накопление неблагоприятных деформаций происходит постоянно с нарастающим итогом и приближается к критическим величинам. Он также позволяет проектировщикам анализировать поведение конструкции как в сезонном, так и суточном цикле, что может стать хорошей основой для совершенствования аналогичных конструкций в будущем. Четко зная реальное напряженно-
деформированное состояние, можно “с открытыми глазами” нагружать конструкцию дополнительным навесным оборудованием, в чем нередко возникает необходимость в процессе эксплуатации универсальных спортивно-развлекательных комплексов.
Одной из основных задач при разработке практически любой системы мониторинга НДС конструкции является определение контролируемых зон, минимально достаточного количества датчиков и ориентации их измерительных осей. Она решена на основании анализа результатов расчета распределения действующих напряжений в нижнем кольце при приложении к нему растягивающей нагрузки, передающейся от 48 вант.
На рис. 1 приведено кольцо с присоединенными вантами в процессе строительства, на рис. 2 – результаты проведенного расчета.
Выбор мест установки датчиков основан на том, что данные, получаемые в процессе мониторинга, должны давать возможность контролировать конструкцию как на локальном, так и на глобальном уровне. Следовательно, с одной стороны, в каждой выбранной локальной точке должно обеспечиваться сопоставление расчетных данных с данными, фиксируемыми системой, с другой – полученные данные от всех датчиков должны быть достаточны для оценки работы всей конструкции в целом.
Места установки датчиков – на расстоянии 100 мм от кромок наружной кольцевой полки и на расстоянии 70 мм от кромок внутренней кольцевой полки – показаны на рис. 2 в виде черных точек.
Для определения необходимого количества датчиков и ориентации их измерительных осей проведен расчет распределения не только 1-го, но и 2-го главного напряжения на поверхности нижнего кольца в точках их установки. 1-е главное напряжение соответствует нормальной компоненте напряжения в направлении касательной к кольцу, 2-е главное напряжение – нормальной компоненте напряжения в направлении радиуса кольца (рис. 3).
Из этих расчетов следует, что величина 2-го главного напряжения в местах установки датчиков не превышает 2% от величины 1-го главного напряжения, т.е. практически не влияет на результирующее напряжение. Это обстоятельство дает возможность установить в выбранных точках по одному датчику, сориентировав его измерительную ось вдоль оси 1-го главного напряжения.
При выборе аппаратной реализации системы мониторинга учитывались следующие требования:
- простота монтажа и демонтажа датчиков на металлическое кольцо в условиях реального строительства;
- высокая чувствительность и достоверность получаемых данных в условиях различных дестабилизирующих факторов;
- возможность термокомпенсации измеряемых деформаций (напряжений);
- возможность периодической поверки (калибровки) датчиков и их замены в случае выхода из строя в процессе эксплуатации без потери целостности накопленных данных;
- устойчивость датчиков к неблагоприятным воздействиям условий окружающей среды, особенно на этапе строительства;
- возможность организации как автоматического, так и ручного съема информации с датчиков;
- возможность организации сетевого подключения датчиков с целью оптимизации количества и протяженности кабельных линий связи;
- возможность организации самодиагностики всех составляющих системы с целью исключения недостоверных данных и упрощения ремонтно-профилактических работ в период эксплуатации;
- высокая надежность системы.
Оборудование подсистемы, разработанное НПФ “Диагностика”, включает в себя выносные датчики перемещения (деформации), блок сопряжения (БС-1), контрольно-измерительную колонку (КИК), переносное устройство считывания (ПУС) и отвечает всем перечисленным выше требованиям.
Оценка напряженно-деформированного состояния производится на основании измерения деформации конструкции, которое осуществляется путем измерения перемещения на фиксированной базе, равной 100 мм.
Блок сопряжения размещается в контрольно-измерительной колонке. Датчики находятся на поверхности элементов конструкций и сооружений и подключаются к блоку сопряжения через КИК.
Датчики перемещений (деформаций) кроме канала измерения перемещений имеют канал измерения температуры. Для подавления влияния колебаний температуры окружающей среды на результаты измерений температурный коэффициент линейного расширения элементов датчика сделан близким к температурному коэффициенту линейного расширения материала конструкции. Проведенные специальные исследования влияния температуры на результаты измерения перемещений (напряжений) в конструкции кольца с использованием этого датчика показали, что это влияние не превышает –0,14 мкм/°С (–0,288 МРа/°С). Для более точной температурной компенсации используется канал измерения температуры. При этом удается дополнительно снизить влияние температуры более чем в 5 раз.
Датчик перемещений (деформаций) имеет герметичный коррозионно-стойкий корпус, линейную шкалу, цифровой выход в стандарте RS-485 и полностью калиброван в единицах перемещений (мкм) и единицах температуры (°С). Определение его характеристик, проведенное в Белорусском государственном институте метрологии при нормальных условиях в диапазоне измерения от –100 до +150 мкм, показало, что абсолютная погрешность измерения не превышает 1 мкм (протокол № 9798–41).
С целью организации эффективной термокомпенсации и защиты датчиков от механических повреждений места их установки закрыты пассивными термостатирующими экранами.
Основные требования, которые выдвигались при реализации программного обеспечения:
- создание удобного и наглядного интерфейса, ассоциативно напоминающего оператору реальный объект;
- возможность представления данных как в графическом, так и в табличном виде за весь период эксплуатации;
- возможность графического просмотра данных за выбранный период времени эксплуатации любого из датчиков;
- возможность формирования отчета о напряженно-деформированном состоянии объекта;
- создание эффективной системы предупреждения эксплуатационных служб (диспетчеров) о возникающих событиях с указанием вероятных причин их наступления и рекомендаций для персонала;
- организация посменного диспетчерского доступа с документированием входа в систему;
- все программное обеспечение должно работать в единой интегрированной среде, позволяющей с минимальными временными затратами проводить его модернизацию в соответствии с накопленным опытом и требованиями заказчика.
В результате выбор был остановлен на интегрированной среде разработки MasterSCADA компании ИнСАТ.
На рис. 5 приведена функциональная схема разработанной системы мониторинга. 32 датчика деформации жестко закреплены на поверхности нижнего металлического кольца вантового покрытия с помощью специально приваренных шпилек.
Датчики объединены в 4 группы по 8 в каждой и подключены к блокам сопряжения посредством 4 линий связи, состоящих из двух витых пар: одна предназначена для подачи напряжения источника питания, другая – для информационного обмена. Каждый датчик имеет физический адрес и виртуальный номер в системе.
Блоки сопряжения подключены к серверу через интерфейсную линию. Все информационные линии выполнены в стандарте RS-485.
Работает система следующим образом.
Датчики, установленные на поверхности кольца вантового покрытия, воспринимают изменение деформации кольца и по команде сервера передают данные в блоки сопряжения, где обрабатываются и поступают в сервер по его запросу.
Сервер пересчитывает полученные данные о деформации в величину механических напряжений в кольце и отображает результаты на дисплее, сравнивая эти данные с предупредительным и предельным уровнями допустимых напряжений в кольце.
При достижении механическими напряжениями в кольце вышеупомянутых уровней на дисплее сервера появляются соответствующие предупредительные сообщения и рекомендации обслуживающему персоналу. Одновременно с этими сообщениями подается звуковой тревожный сигнал.
На рис. 6 приведено стартовое окно программы, в котором расположено мнемоническое изображение верхней плоскости кольца вантового покрытия и места установки датчиков с номерами от 1 по 24. Данные измерения каждого датчика отображаются в специальном окне, расположенном под изображением соответствующего датчика. Цифры в окружностях обозначают номера вант (осей).
Переходы между различными окнами программы производятся щелчком мыши по мини-изображению соответствующего окна, что ассоциативно хорошо воспринимается оператором.
При щелчке мыши по изображению датчика на дисплей выводится график временного тренда напряжений в точке кольца, где установлен этот датчик (рис. 7).
Интегрированная среда, в которой выполнен проект, дает возможность диспетчеру эффективно управлять видом отображения данных в тренде: определять значения напряжений в выбранной точке, ее временную привязку, сопоставлять временные привязки с событиями, возникающими в системе, и видеть легенду всех отображаемых графиков.
Для повышения надежности всей системы мониторинга на алгоритмическом и программном уровнях предусмотрена возможность синтеза информации от двух подсистем: натяжения вант и НДС кольца. Она позволяет дублировать информацию об НДС нижнего несущего кольца независимо путем периодического расчета НДС кольца по данным измерения натяжения вант методом конечных элементов. Сопоставляя каждый раз расчетные и измеренные данные, можно сделать вывод о работоспособности и адекватности функционирования системы в целом.