Monitoring sensoryczny obiektów mostowych w trakcie ich eksploatacji

Ze względu na pełnioną rolę i możliwe zagrożenia stan obiektów mostowych powinien być systematycznie sprawdzany. Najnowocześniejszym narzędziem umożliwiającym ocenę ich odpowiedzi na różnego rodzaju obciążenia i oddziaływania, w celu zapewnienia bezpiecznej eksploatacji jest monitoring sensoryczny.

Pod pojęciem monitoringu sensorycznego należy rozumieć proces systemowej identyfikacji niekorzystnych procesów fizycznych i ewentualnie również chemicznych, które mogą zachodzić w obiektach mostowych, za pomocą elektronicznego systemu kontrolno-pomiarowego składającego się z: czujników, urządzeń pomiarowych, układów transmisji danych, jednostek rejestrujących, przetwarzających oraz udostępniających informacje o obiekcie i warunkach jego eksploatacji w czasie rzeczywistym.

Monografia jest próbą syntetycznego przedstawienia kluczowych – zarówno teoretycznych, jak i technicznych – aspektów monitoringu sensorycznego obiektów mostowych. Pomimo dużej złożoności i rozległości tego multidyscyplinarnego zagadnienia, autor – na podstawie dostępnej wiedzy naukowo-technicznej, wieloletnich badań własnych oraz doświadczeń wynikających z udziału w krajowych i międzynarodowych projektach badawczych w zakresie diagnostyki i oceny kondycji obiektów mostowych – podjął próbę nie tylko uściślenia, ujednolicenia, sklasyfikowania i omówienia wiedzy dziedzinowej związanej z monitoringiem sensorycznym obiektów mostowych, ale także  stworzenia kompleksowej metodyki monitorowania zachowania się tego rodzaju obiektów i  implementacji zaproponowanych procedur.

Spis treści:

1. Wprowadzenie   11
1.1. Strategie monitorowania stanu obiektów mostowych w zarządzaniu infrastrukturą mostową   11
1.2. Potrzeby w zakresie monitoringu sensorycznego konstrukcji mostowych   16
1.3. Cel i zakres pracy   20

2. Systemy monitoringu sensorycznego obiektów mostowych  25
2.1. Definicja i klasyfikacja systemów monitorowania   25
2.2. Cechy funkcjonalno-techniczne systemów monitorujących   30
2.3. Zastosowania wyników badań monitorujących w trakcie budowy i eksploatacji obiektów mostowych   33
2.4. Historia rozwoju systemów monitorowania   35
2.5. Systemy monitorowania mostów w Polsce   43
2.6. Podsumowanie   49

3. Analizy teoretyczne MES w monitorowaniu obiektów mostowych  55
3.1. Metodyka, cel i zakres analiz teoretycznych   55
3.2. Model matematyczny MES   56
3.3. Dyskretne modele obliczeniowe konstrukcji mostowych   63
3.4. Modele obciążeń konstrukcji mostowych   68
3.5. Założenia teoretyczne wybranych rodzajów analiz MES sformułowane na potrzeby monitorowania   72
3.5.1.Liniowa analiza statyczna   72
3.5.2.Liniowa analiza modalna   72
3.5.3.Liniowa analiza czasowa drgań wymuszonych   92
3.6. Podsumowanie   101

4. Badania doświadczalne pod obciążeniami w monitorowaniu obiektów mostowych  103
4.1. Rodzaje badań obiektów mostowych pod obciążeniami (oddziaływaniami)   103
4.2. Monitorowanie konstrukcji pod obciążeniami statycznymi   107
4.3. Monitorowanie konstrukcji pod obciążeniami dynamicznymi 110
4.3.1.Ogólna systematyka i zastosowania   110
4.3.2.Sposoby wzbudzania drgań   113
4.3.3.Monitorujące badania cech modalnych   116
4.3.4.Monitorujące badania reakcji konstrukcji na obciążenia dynamiczne   135
4.4. Podsumowanie - specyfika badań monitorujących w warunkach eksploatacyjnych   138

5. Techniki i czujniki pomiarowe w monitoringu obiektów mostowych  143
5.1. Części składowe systemów pomiarowych   143
5.2. Klasyfikacja technik pomiarowych   146
5.3. Podstawowe cechy techniczne aparatury pomiarowej   153
5.4. Monitorowanie przemieszczeń liniowych   156
5.5. Monitorowanie przemieszczeń kątowych   167
5.6. Monitorowanie odkształceń   171
5.7. Monitorowanie prędkości i przyspieszeń drgań   181
5.8. Monitorowanie wartości sił   189
5.9. Monitorowanie rozwoju zarysowań i pęknięć   194
5.10. Monitorowanie parametrów obciążeń eksploatacyjnych   200
5.11. Monitorowanie warunków środowiskowych  209
5.12. Monitorowanie procesów degradacji materiałowej   215
5.13. Podsumowanie   220

6. Rejestracja, przetwarzanie i weryfikacja danych pomiarowych  223
6.1. Sygnały pomiarowe w monitorowaniu obiektów mostowych  223
6.2. Wybrane zagadnienia dotyczące rejestracji sygnału   225
6.3. Cel, zakres i etapy przetwarzania danych pomiarowych   232
6.4. Wstępne przetwarzanie danych pomiarowych   234
6.4.1.Filtrowanie sygnału   234
6.4.2.Usuwanie trendów i składników stałych   240
6.4.3.Poprawa jakości danych pomiarowych - usuwanie szumu i zakłóceń   241
6.4.4.Całkowanie i różniczkowanie sygnału   246
6.4.5.Redukcja danych pomiarowych  248
6.5. Przetwarzanie danych pomiarowych - poziom podstawowy  250
6.5.1. Charakterystyki sygnałów cyfrowych w dziedzinie czasu   250
6.5.2.Charakterystyki sygnału w dziedzinie częstotliwości   255
6.5.3.Charakterystyki sygnału w dziedzinie czas-częstotliwość   259
6.6. Przetwarzanie danych pomiarowych -poziom zaawansowany   266
6.6.L Metody i techniki reprezentacji wiedzy  266
6.6.2.Koncepcja hybrydowej reprezentacji wiedzy   270
6.6.3. Identyfikacja obciążeń   272
6.6.4. Identyfikacja cech modalnych   274
6.6.5.Identyfikacja uszkodzeń i procesów degradacji   279
6.7. Weryfikacja danych   290
6.8. Podsumowanie   291

7. Metodyka i etapy monitorowania obiektów mostowych w warunkach eksploatacyjnych   293
7.1. Ogólna procedura realizacji procesu sensorycznego monitorowania obiektów mostowych   293
7.2. Koncepcja badań monitorujących   295
7.3. Projektowanie badań monitorujących   297
7.3.1.Analiza teoretyczna konstrukcji   297
7.3.2.Charakterystyki pracy konstrukcji   299
7.3.3.Struktura systemu monitorowania sensorycznego   303
7.3.4. Szczegółowy projekt systemu monitorowania   307
7.4. Implementacja systemu monitoringu sensorycznego   319
7.4.1.Instalacja i testowanie systemu   319
7.4.2. Eksploatacja systemu   320
7.4.3.Wymagania dotyczące środowiska i warunków pracy systemu   321
7.4.4.Działania utrzymaniowe   323
7.4.5.Modyfikacje i rozbudowa  323
7.5. Podsumowanie   324

8. Długoterminowe badania monitorujące na przykładzie mostu sprzężonego z zarysowaniami przęseł   325
8.1. Procedura wdrażania systemów długoterminowego monitoringu sensorycznego obiektów mostowych z uszkodzeniami   325
8.2. Charakterystyka techniczna i stan konstrukcji   328
8.3. Etap 1 - ocena kondycji uszkodzonego obiektu   332
8.3.1.Cel, zakres i metodyka działań diagnostycznych   332
8.3.2.Identyfikacja uszkodzeń i procesów degradacyjnych przęseł mostu   332
8.3.3.Analiza teoretyczna konstrukcji   336
8.3.4. Doraźne (pilotażowe) badania mostu pod obciążeniami ruchomymi   340
8.3.5.Podsumowanie procedury oceny kondycji obiektu   347
8.4. Etap 2 - monitoring sensoryczny mostu w warunkach eksploatacyjnych   348
8.4.1.Cel, zakres i metodyka monitoringu sensorycznego   348
8.4.2. System pomiarowy  349
8.4.3. Wybrane wyniki pomiarów   353
8.4.4. Trendy zmian w odpowiedzi konstrukcji na oddziaływania statyczne   357
8.4.5.Trendy zmian w odpowiedzi konstrukcji na obciążenia użytkowe   359
8.4.6.Aproksymacja zmian geometrii przęsła nurtowego   361
8.4.7.Wartości progowe mierzonych wielkości   364
8.4.8.Podsumowanie procedury badań długoterminowych   368

9. Krótkoterminowe badania monitorujące na przykładzie mostu o konstrukcji zespolonej z trwałymi deformacjami przęseł   371
9.1. Procedura wdrażania krótkoterminowego monitoringu sensorycznego obiektów mostowych z uszkodzeniami   371
9.2. Charakterystyka techniczna konstrukcji i jej uszkodzeń   373
9.3. Cel i zakres badań monitorujących   376
9.4. Analiza teoretyczna konstrukcji   377
9.4.1.Cel, zakres i metodyka analiz teoretycznych   377
9.4.2. Modele obliczeniowe   378
9.4.3. Wyniki symulacji wzajemnych oddziaływań obiektu mostowego i pojazdów   381
9.5. Badania monitorujące w warunkach eksploatacyjnych   384
9.5.1.Cel, zakres i metodyka badań   384
9.5.2.Mierzone wielkości i układy pomiarowe   384
9.5.3.Wybrane wyniki monitorowania przed wymianą nawierzchni - lata 2016-2017   387
9.5.4. Wybrane wyniki monitorowania po wymianie nawierzchni - 2017 i 2021 r.   390
9.5.5. Ekstremalne wartości monitorowanych wielkości   395
9.5.6. Cechy modalne przęseł mostu   396
9.6. Ocena zaawansowania procesów zmęczeniowych materiału   398
9.6.1. Procedura oceny   398
9.6.2. Etap 1 - ocena poziomu bezpieczeństwa zmęczeniowego elementów przęseł   401
9.6.3. Etap 2 - prognoza trwałości mostu metodą kumulacji uszkodzeń zmęczeniowych   401
9.7. Ogólna ocena kondycji obiektu   403
9.8 Podsumowanie procedury krótkoterminowych badań monitorujących   404

10. Uwagi końcowe   405
10.1. Podsumowanie   405
10.2. Kierunki dalszych badań   418

Wykaz terminów i pojęć   421
Wykaz ważniejszych oznaczeń  433