СТРОИТЕЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПОЗИТНОЙ КОНСТРУКЦИИ С ВСТРОЕННЫМИ ДАТЧИКАМИ
BUILDING STRUCTURE WITH APPLICATION OF COMPOSITE STRUCTURE WITH INBUILT SENSORS

Область техники
Изобретение относится к строительству и может быть использовано как при новом строительстве, так и ремонте различных зданий и сооружений, в том числе и мостов.
Уровень техники
Известны способы возведения строительных конструкций, несущие элементы которых изготавливаются из различных материалов - дерева, бетона, стали (Харитонов В.А., Дукарский Ю.М. Строительные конструкции, Москва, Стройиздат, 1983 [1]).
Недостатком данных способов является как излишняя материалоемкость подобных конструкций вследствие применения строительных материалов с прочностью на растяжение, не превышающей 400 МПа для строительных сортов стали, 10 МПа для бетона класса В20-В40, 15 МПа для древесины, так и невозможность автоматизированного обнаружения дефектов в конструкциях, образующихся в них в процессе их эксплуатации.
Известен способ усиления железобетонных и каменных конструкций путем наклеивания на них композитных материалов на основе высокопрочных углеродных волокон (Хаютин Ю.Г., Чернявский В.Л., Аксельрод Е.З. Применение углепластиков для усиления строительных конструкций. Бетон и железобетон, №6, 2002 [2]) с прочностью на растяжение до 4800 МПа и модулем упругости до 640000 МПа.
Известно также изобретение Patent №5635263 «Reinforcing fiber sheet and concrete structure using same», автор Makoto Saito от 03 июня 1997 года [3], включающее армирующие листы из композитного материала с меньшим количеством листов по сравнению с обычной практикой, без разрушения листов при напряжениях до напряжения текучести в стальной арматуре железобетонной конструкции, причем направление волокон армирующих листов совпадает с направлением стальной арматуры.
Недостатком приведенных способов является невозможность их использования для автоматизированного обнаружения дефектов, возникающих после ремонта строительной конструкции, как в материале усиливаемой конструкции, так и в самом композитном материале, который используется для усиления строительной конструкции.
Известен также способ изготовления элементов конструкций самолетов, космических и морских кораблей из композитных материалов (см. сайт http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=555) в виде высокопрочных углеродных волокон путем наклейки на элементы их конструкций датчиков деформации и пьезодатчиков (см. например, Wang G., Schon J., Dalenbring M. Use of Lamb Wave Propagation for SHM and Damage Detection in Sandwich Composite Aeronautical Structures. Proceedings of the &th International Workshop on Structural Health Monitoring, Stanford University, Stanford, CA, Vol.1, 2009, pp.111-118 [4]). Сигналы с датчиков передаются по проводной, оптоволоконной или беспроводной связи на центральный сервер, где по одному из алгоритмов определяют начало и оценивают процесс деструкции материала конструкции.
Известны также технические решения, показывающие на возможность применения наноматериалов в виде нанотрубок в качестве датчиков деформации (Electrical Impedance Analysis of Carbon Nanotube-Polyelectrolyte Thin Film Strain Sensors, авторы Jerome P. Lynch, Kenneth J. Loh, and Nicholas Kotov. Proceedings of the US-Korea Workshop on Smart Structures Technology for Steel Structures, Seoul, Korea, 2006 [5]).
Наиболее близким по техническому решению является изобретение US Patent No. 5184516 («Conformal circuit for structural health monitoring and assessment», авторы S.Blazic и др., от 09.01.1993 [6]), в котором предложен датчик деформации, представляющий собой двухслойную конструкцию из верхнего и нижнего гибких диэлектрических слоев, между которыми находятся датчики для измерения деформаций и разрывов. Датчик деформации крепится к поверхности конструкции самолета с целью его мониторинга.
Основным недостатком данного изобретения является то, что датчик деформации необходимо крепить каким-либо способом к поверхности конструкции после ее изготовления.
Сущность технического решения
В основу изобретения поставлена комплексная задача, а именно применение высокопрочных композитных конструкций с встроенными при их изготовлении датчиками по новому назначению - в качестве измерительной системы для оценки текущего напряженно-деформированного состояния строительных конструкций и обнаружения в них дефектов, а также создание строительных конструкций с высокой прочностью и коррозионной стойкостью, большей надежностью и безопасностью при ее эксплуатации при различных силовых воздействиях и окружающей среде.
Поставленная цель достигается тем, что при изготовлении стальной, железобетонной или деревянной строительной конструкции ее несущие элементы полностью или частично покрываются высокопрочной композитной конструкцией с встроенными при ее изготовлении датчиками различного назначения (давления, деформации, температуры, вибрации и пр.) и контактами для подключения блоков беспроводной или проводной передачи сигналов с датчиков, сигналы с блоков передаются по радиочастоте или проводам на компьютер, обрабатываются, и затем на рабочее место оператора выдается сообщение о текущем техническом состоянии как элементов конструкции, так здания или сооружения в целом.
Композитная конструкция с встроенными датчиками может быть одновременно использована в виде несъемной опалубки при изготовлении бетонных и железобетонных монолитных конструкций.
Композитная конструкция с встроенными датчиками включает также нити из нанотрубок, что не только увеличивает ее прочность, но и позволяет их использовать как датчики для измерения деформаций.
Применение композитной конструкции в виде внешней защитной оболочки при возведении строительных конструкций увеличивает их коррозионную стойкость.
Техническим результатом, достигаемым при использовании такого способа, является увеличение коррозионной стойкости строительных конструкций, повышение надежности и безопасности эксплуатации за счет непрерывного автоматизированного контроля за напряженно-деформированным состоянием конструкций зданий и сооружений с использованием беспроводных или проводных систем передачи данных и алгоритмов обнаружения дефектов и повреждений. Кроме того, применение автоматизированного контроля позволяет более обоснованно назначить межремонтные сроки строительных конструкций исходя из анализа накопленных в них дефектов и повреждений.
Перечень чертежей и иных материалов
На фиг.1 изображен перспективный вид листа из композитного материала, сформированного из трех армирующих слоев с датчиками между двумя слоями, поперечное сечение и подключение датчиков к системе сбора данных.
На фиг.2 изображена схема размещения композитной конструкции на изгибаемых элементах строительных конструкций из бетона, железобетона, древесины и стали в виде балок, ригелей и плит.
На фиг.3 изображена схема размещения композитной конструкции на изгибаемых элементах строительных конструкций из бетона, железобетона, древесины и стали в виде колонн.
На фиг.4 изображена схема размещения композитной конструкции на изгибаемых элементах строительных конструкций из бетона, железобетона, древесины и стали в виде стальных, деревянных и железобетонных ферм.
Пример реализации технического решения
На фиг.1 композитная конструкция 1 содержит несколько армирующих слоев из высокопрочных волокон, тканых материалов, пленок 2, изготовленных из углерода, стекла, арамида и нанотрубок, соединенных между собой термоотверждающимися пластиками 3 в виде эпоксидной, фенольной, бисмалеимидной, уретановой, цианоэфирной и винилэфирной смолы. При изготовлении композитной конструкции в нее между армирующими слоями закладываются датчики различного назначения, включая тензодатчики 4, датчики температуры 5, MEMS акселерометры 6, оптоволоконные датчики деформации 7 и др., все датчики имеют контакты 8, выходящие на поверхность композитной конструкции. К контактам 8 подключаются блоки 9 беспроводной или проводной передачи сигналов с датчиков, которые передают сигналы в цифровом виде по одной из радиочастот или кабельной линии на приемное устройство 10, подключенное через интерфейс к компьютеру 11. Данная композитная конструкция наклеивается с использованием одного из известных клеевых составов на несущие элементы (фиг.2, 3, 4) строительных конструкций 12 (балка), 13 (колонна), 14 (ферма) и т.п. в местах их наибольших деформаций.
Композитная конструкция может быть использована в качестве несъемной опалубки 15 при изготовлении бетонных и железобетонных конструкций. В этом случае, например, при возведении железобетонных колонн 13 (фиг.3) она изготавливается в форме поперечного сечения колонны-короба 16 или цилиндра 17 (фиг.3), внутрь которых устанавливается стальная арматура и подается бетонная смесь. При изготовлении протяженных конструкций, например пролетных балок мостов, композитная конструкция может быть заложена на внутренней стороне инвентарной опалубки, покрывая полностью или частично боковую поверхность балки, при этом для лучшего сцепления композитной конструкции с бетоном балки используются анкера.
Предлагаемая композитная конструкция может быть также применена при изготовлении стальных конструкций, например, стальных или деревянных ферм 14 (фиг.4), при этом композитная конструкция 1 наклеивается к элементам ферм в местах наибольшей деформации, которые определяются с использованием численных или аналитических решений.
Реализация изобретения осуществляется следующим образом.
1. Изготовление композитной конструкции с встроенными датчиками.
1.1. Первый слой ткани из высокопрочных волокон укладывают в пресс-форму.
1.2. На поверхность первого слоя укладывают тензодатчики, датчики температуры, акселерометры, оптоволоконные датчики деформации, датчики деформации из наноматериалов и др. и подключают их к контактам.
1.3. Укладывают второй или последовательно несколько слоев ткани из высокопрочных волокон и закрывают пресс-форму.
1.4. В пресс-форму подают под давлением один из видов термоотверждающейся смолы и выполняют полимеризацию смолы при необходимости с вакуумированием.
1.5. Разбирают пресс-форму и вынимают композитную конструкцию.
2. Расчет строительной конструкции.
2.1. Выполняют статический расчет строительной конструкции в целом или раздельно, только ее элементов, и определяют места с наибольшими значениями изгибающих моментов и поперечных сил.
2.2. В эти места вводят композитную конструкцию с заданными прочностными и деформационными свойствами, и статический расчет выполняют повторно.
2.3. Расчеты по п.2.1, 2.2 выполняют в цикле с оптимизацией по прочности и деформируемости составного сечения из материала конструкции (сталь, бетон, дерево) и композитной конструкции, варьируя толщину δ, ширину с и длину L (фиг.2) участка элемента строительной конструкции, покрываемого композитной конструкций. В результате оптимизации находят минимальные размеры поперечного сечения элементов строительной конструкции при заданных внешних силовых воздействиях, температуре, влажности и агрессивной среде. Одновременно определяют необходимую площадь покрытия конструкции композитной конструкцией.
3. Изготовление строительной конструкции.
3.1. Железобетонная конструкция в съемной опалубке.
При изготовлении железобетонной конструкции на внутреннюю боковую поверхность съемной щитовой опалубки, в места с наибольшими значениями изгибающих моментов и поперечной силы изготавливаемого железобетонного элемента, укладывают полосы или пластины из композитной конструкции с встроенными датчиками и контактами. Далее в опалубку устанавливают стальную арматуру и выполняют бетонирование строительной конструкции. После твердения бетонной смеси опалубку разбирают и к контактам подключают блоки беспроводной передачи сигналов с датчиков. В необходимых случаях с целью определения температурных напряжений, возникающих при твердении бетонной смеси, блоки беспроводной связи подключают к датчикам через отверстия в опалубке.
3.2. Железобетонная конструкция в несъемной опалубке.
Несъемную опалубку изготавливают составной, заданной формы (щиты, углы, кольца и пр.) из композитной конструкции с встроенными в нее при ее изготовлении датчиками и контактами для подключения блоков беспроводной передачи сигналов с датчиков. Затем выполняют установку стальной арматуры и бетонирование. Блоки беспроводной передачи сигналов с датчиков подключают к контактам до бетонирования, что позволяет контролировать температуру и напряжения, возникающие при твердении бетонной смеси в теле бетонной конструкции и ее напряженно-деформированное состояние в процессе строительства и последующей эксплуатации здания или сооружения.
3.3. Стальные и деревянные конструкции.
На элементы строительной конструкции, в места с наибольшими значениями изгибающих моментов и поперечной силы, наклеивают композитный материал с встроенными в него при его изготовлении датчиками и контактами для подключения блоков беспроводной передачи сигналов с датчиков. Блоки беспроводной передачи сигналов с датчиков подключают к контактам до монтажа элементов строительной конструкции, что позволяет контролировать изменение напряженно-деформированного состояния в процессе монтажа строительных конструкций здания или сооружения и последующей их эксплуатации.
4. Датчики и блоки объединяют в единую сенсорную сеть с управлением от центрального компьютера.
5. По сигналу с компьютера в заданные интервалы времени выполняют измерения температуры, деформаций и амплитуд колебаний элементов строительных конструкций с использованием встроенных датчиков деформации и акселерометров.
6. Используя информацию, полученную с датчиков, определяют опытные значения напряжений и динамические характеристики: собственные частоты, моды деформации и декремент затухания элементов строительных конструкций. Эти значения сравнивают с расчетными значениями, найденными при конструировании составного сечения строительной конструкции.
7. В случае превышения измеренных значений контролируемых параметров, например деформаций или амплитуд колебаний на любом из элементов строительной конструкции, компьютер выдает оператору тревожное сообщение.
8. Используя данные измерений и алгоритмы обнаружения дефектов, выполняют оценку текущего технического состояния строительной конструкции в целом или только ее составных элементов и назначают сроки их ремонта.
Промышленная применимость
Использование данного технического решения позволяет увеличить прочность строительных конструкций, увеличить их коррозионную стойкость, увеличить межремонтные сроки, повысить надежность и безопасность эксплуатации за счет непрерывного автоматизированного контроля за напряженно-деформированным состоянием конструкций зданий и сооружений с использованием беспроводных систем передачи данных и датчиков как при их возведении, так и в течение всего срока эксплуатации зданий и сооружений.
Список литературы
1. Харитонов В.А., Дукарский Ю.М. Строительные конструкции. Москва, Стройиздат, 1983.
2. Хаютин Ю.Г., Чернявский В.Л., Аксельрод Е.З. Применение углепластиков для усиления строительных конструкций. Бетон и железобетон, №6, 2002.
3. Patent No.5635263. Reinforcing fiber sheet and concrete structure using same. Makoto Saito, 1997.
4. Wang G., Schon J., Dalenbring M. Use of Lamb Wave Propagation for SHM and Damage Detection in Sandwich Composite Aeronautical Structures. Proceedings of the &th International Workshop on Structural Health Monitoring, Stanford University, Stanford, CA, Vol.1, 2009, pp.111-118.
5. Lynch J.P., Loh K.J, Kotov N. Electrical Impedance Analysis of Carbon Nanotube-Polyelectrolyte Thin Film Strain Sensors. Proceedings of the US-Korea Workshop on Smart Structures Technology for Steel Structures, Seoul, Korea, 2006.
6. Patent No. US 5184516. Conformal circuit for structural health monitoring and assessment. Blazic E.S. et al., 1993.