Dynamiczne monitorowanie mostów techniką mikrofalową

dr inż. A. Cianciara, MOSTY 1/2009

Monitorowanie ruchów i drgań konstrukcji budowlanych (mostów,budynków, pomników, wież itp.) jest coraz ważniejszym zadaniem dla dzisiejszych inżynierów budownictwa. Najnowszym rozwiązaniem w tym zakresie jest zastosowanie urządzeń wykorzystujących do pomiaru mikrofale. Do głównych zalet tej metody zalicza się możliwość wykonywania pomiarów bez potrzeby bezpośredniego dostępu do badanego obiektu. Cały pomiar jest wykonywany zdalnie z odległości nawet do 1 km.

Technika mikrofalowa polega na pomiarze różnic fazowych nadanych i odebranych fal elektromagnetycznych o częstotliwościach rzędu kilkunastu GHz. Technika ta pozwala na wykonywanie pomiaru zarówno prędkości pojazdów poruszających się po naszych drogach, jak i zdalnych pomiarów niewielkich drgań dużych obiektów, jakimi są mosty, budynki itp. Dodatkowo pomiar wykonany z dużej odległości, dochodzącej nawet do 1 km, nadal charakteryzuje się dokładnością przemieszczeń sięgającą 0,01 mm. Kolejna zaleta to szybkość przygotowania i wykonania samego pomiaru. Poniżej przedstawiono wyniki badania mostu przy pomocy przyrządu IBIS-S (fot.1) jako przykład dynamicznego monitorowania konstrukcji. Wyniki doświadczenia obejmują :

• wizualizację przemieszczeń wybranych punktów mostu,
• określenie częstotliwości rezonansowych konstrukcji,
• określenie kształtu fal modalnych.

Pomiar został przeprowadzony przy współpracy z Wydziałem Inżynierii Konstrukcji na Politechnice Mediolańskiej, gdzie porównano wyniki pomiarów wykonanych z wykorzystaniem radaru interferencyjnego IBIS-S i prowadzonych równolegle z użyciem sieci akcelerometrów.

Opis pomiarów

Jedną z zalet aparatu IBIS-S jest fakt, że mierzy on równocześnie przemieszczenia całej sceny oświetlonej wiązką promieniowania anteny, zapewniając ciągłe mapowanie dynamicznych przemieszczeń całej konstrukcji. Aby wykorzystać tę kluczową cechę aparatu do monitorowania mostów, najlepiej jest umieścić sensor pod łukiem mostu, tak by wiązka promieniowania anten IBIS-S mogła pokryć całą konstrukcję.

W opisywanych pomiarach aparat IBIS-S został zainstalowany pod łukiem mostu w pionowej odległości około 4 m poniżej konstrukcji. Z tego miejsca aparat IBIS-S oświetlał łuk mostu w zakresie od 7 m do 70 m. System skonfigurowano, stosując następujące parametry   robocze :

• maksymalny zasięg : 85 m
• rozdzielczość odległościowa : 50 cm
• częstotliwość próbkowania : 100 Hz

By wykonać bezpośrednie porównania między danymi uzyskanymi aparatem IBIS-S a danymi z akcelerometrów, zainstalowano 12 reflektorów radarowych, tzw. reflektometrów narożnych (corner reflector) w miejscach odpowiadających poszczególnym akcelerometrom. Stosowanie reflektorów narożnych było konieczne dla dokładnej identyfikacji punktów umiejscowienia akcelerometrów. Rys.1 przedstawia obraz mostu uzyskany przez aparat IBIS-S. Wykres pokazuje 12 punktów odpowiadających reflektorom narożnym (CR), na których została przeprowadzona analiza.

Dane przemieszczeń

Ponieważ pierwotne dane aparatu IBIS-S podają przemieszczenie celów należących do oświetlonej sceny, rys. 2-5 obrazują wykresy, które przedstawiają dane przemieszczeń w całym czasie pomiarów i dla wycinka czasowego 30 sekund w powiększeniu dla 4 z 12 zainstalowanych reflektorów narożnych (CR). Te reflektory były zainstalowane w odległościach 11,6; 24; 31,4 i 59,5 m od aparatu wzdłuż linii mostu. Na podstawie tych wykresów można wnioskować o wysokości jakości sygnału przemieszczenia, nawet przy dużych odległościach.

W celu sprawdzenia danych zebranych przez aparat IBIS-S wykonano porównanie ich z danymi pomiaru akcelerometrami. Rys. 6 i 7 przedstawiają wykresy, które obrazują porównanie prędkości punktu na moście, położonego 8 m od aparatu IBIS-S, zmierzonego tymi systemami pomiarowymi.
Analiza częstotliwości i analiza modalna
Po wykonaniu serii analiz dotyczących przemieszczeń przeprowadzono analizę częstotliwościową zebranych danych pomiarowych. Wyniki przetwarzania, w celu określenia rezonansowych częstotliwości mostu, pokazano na rys. 8, który przedstawia :

• spektrum częstotliwości konstrukcji wyprowadzone z danych IBIS, w kolorze niebieskim,
• spektrum częstotliwości konstrukcji wyprowadzone z danych akcelerometrycznych, w kolorze czerwonym.

Widać doskonałą zgodność obu spektrów.

W tabeli 1 zebrano wyznaczone częstotliwości rezonansowe mostu.
Analiza danych uzyskanych z IBIS-S umożliwia określenie wszystkich częstotliwości rezonansowych mostu zidentyfikowanych przez układ akcelerometryczny. Kompletna analiza modalna mostu zawiera nawet określenie modalnego kształtu mostu przy różnych częstotliwościach rezonansowych. Na rys.9 przedstawiono kształt mostu wyprowadzony z danych IBIS-S i z danych akcelerometrycznych dla częstotliwości f = 3,44 Hz.

Podsumowanie

Jak przedstawiono w niniejszym artykule zarówno wyniki pomiaru przemieszczeń, jak i analiza widmowa dają wyniki porównywalne do sprawdzonych w praktyce pomiarów akcelerometrycznych. Potwierdza to możliwość stosowania techniki mikrofalowej do badań mostów. Pomiar przyrządem IBIS-S był równie dokładny, pozwalał jednak na uzyskanie znacznie większej liczby punktów obserwacyjnych i nie wymagał bezpośredniego dostępu do badanego mostu. Zastosowane w pomiarze reflektory narożne miały na celu uzyskanie jak najbardziej zbliżonych warunków pomiarowych do sieci akcelerometrów. Pomiar rejestratorem IBIS-S wymagał znacznie mniej czasu na jego przygotowanie i późniejsze zdemontowanie. Dodatkowo zastosowane oprogramowanie dawało wyniki już w trakcie pomiarów terenowych, bez potrzeby stosowania skomplikowanych procedur przetwarzających. Kolejną cechą działającą na korzyść techniki mikrofalowej jest możliwość wykorzystania tego samego przyrządu pomiarowego zarówno do pomiarów dynamicznych jak i pomiarów statycznych (obciążeniowych) nieprzedstawionych w artykule.

Artykuł przygotowany dzięki współpracy z firmą IDS S.p.A GeoRadar Division.