innowacyjne metody - Służby Utrzymania Ruchu

DIAGNOSTYKA >> SHM
INNOWACYJNE METODY
diagnostyki i monitorowania
stanu technicznego konstrukcji
Wizyjny pomiar przemieszczeń
i ugięć konstrukcji
Cz. 3.
MONITOROWANIE STANU KONSTRUKCJI (SHM – ANG. STRUCTURAL HEALTH MONITORING) POLEGA NA
INTEGRACJI SENSORÓW, TRANSMISJI DANYCH ORAZ MOCY OBLICZENIOWEJ W CELU DETEKCJI, LOKALIZACJI
I OCENY STOPNIA USZKODZENIA KONSTRUKCJI MOGĄCEGO DOPROWADZIĆ DO JEJ ZNISZCZENIA W CHWILI
OBECNEJ LUB W PRZYSZŁOŚCI [1].
TEKST: PIOTR KOHUT, KRZYSZTOF HOLAK, TADEUSZ UHL, AKADEMIA GÓRNICZOHUTNICZA IM. ST. STASZICA W KRAKOWIE, KATEDRA ROBOTYKI I MECHATRONIKI
etody SHM dzielą się na dwie
grupy: metody lokalne oraz
globalne. Metody lokalne
stosuje się, gdy istnieje
możliwość wykorzystania zjawisk zachodzących w małym otoczeniu wybranych
fragmentów konstrukcji. Metody globalne
mają zastosowanie, gdy możliwa jest
obserwacja globalnych zmian geometrii
lub parametrów struktury. Uszkodzenie
występujące w konstrukcji wpływa na
jej sztywność, prowadząc do zmiany jej
własności dynamicznych i statycznych.
Dlatego istnieją dwie podstawowe grupy
metod detekcji uszkodzeń należące do
globalnych technik SHM:
1) Metody wykorzystujące własności struktury związane z dynamiką i drganiami
konstrukcji, takie jak częstotliwości
drgań własnych czy postaci drgań.
2) Metody wykorzystujące własności statyczne, do których zalicza się krzywa
ugięcia konstrukcji lub krzywizna
ugięcia.
M
46
SŁUŻBY UTRZYMANIA RUCHU
lipiec 2012
Dane dynamiczne niosą na ogół dużą
ilość informacji o stanie monitorowanej
konstrukcji. Niestety, akwizycja przebiegów
drgań często wymaga stosowania wielu
czujników i urządzeń trudnych do montażu,
utrzymania i automatyzacji. Dodatkowo,
wzbudzanie do drgań dużych struktur,
takich jak np. mosty, jest bardzo trudne
i kosztowne, a w niektórych przypadkach
niemożliwe. Z drugiej strony, pomiar wielkości związanych ze statyczną deformacją, np.
krzywej ugięcia konstrukcji, wymaga mniejszych nakładów pracy i środków. Dlatego
detekcja uszkodzeń na podstawie analizy
przebiegu krzywej ugięcia lub jej pochodnych znajduje coraz większe zastosowanie.
RYS. 1. Schemat metody pomiaru ugięcia konstrukcji za pomocą systemu wizyjnego
W przypadku konstrukcji o skomplikowanych kształtach
rośnie ilość sensorów służących do pomiaru przemieszczeń,
a wraz z nią koszt systemu monitorującego jej stan. W wielu
zastosowaniach umieszczenie sensorów na obiekcie jest bardzo
trudne lub niemożliwe ze względu na warunki środowiskowe lub
geometryczne. Istnieje potrzeba coraz szerszego wprowadzania
systemów bezkontaktowych jako atrakcyjnej alternatywy dla
sieci czujników pomiarowych. Przykładowo, systemy wizyjne
znajdują coraz większe zastosowanie w monitorowaniu stanu
konstrukcji. Ich głównymi zaletami są duża gęstość pomiarowa,
niski koszt oraz uniwersalność zastosowania.
Przedstawiona w artykule metoda pomiarowa [2] umożliwia wizyjny pomiar ugięcia konstrukcji w płaszczyźnie. Proces
pomiarowy składa się z następujących kroków: kalibracji systemu, usunięcia zniekształceń perspektywicznych z obrazu, jeśli
zachodzi taka konieczność, oraz właściwego pomiaru ugięcia.
W pierwszym kroku wyznaczany jest współczynnik skali, niezbędny do wyrażenia zmierzonej wartości ugięcia w jednostkach
metrycznych. Kalibracja skali może być przeprowadzana na
różne sposoby, najczęściej za pomocą specjalnych tablic skalujących. W kolejnym kroku, rejestrowane są obrazy konstrukcji:
obraz referencyjny oraz obrazy konstrukcji poddanej działaniu
obciążenia. System umożliwia wykonanie kolejnych fotografii
badanego obiektu z różnych punktów przestrzeni, co oznacza,
że położenie i orientacja aparatu pomiarowego podczas akwizycji kolejnych zdjęć może być dowolna. Obrazy wykonane w taki
sposób posiadają zniekształcenia perspektywiczne, dlatego
należy przeprowadzić usunięcie wpływu efektu perspektywy.
Na obiekcie umieszczany jest zestaw prostokątnych znaczników,
współpłaszczyznowych z analizowaną płaszczyzną konstrukcji.
Znaczniki te są wykrywane i dopasowywane automatycznie na
dwóch obrazach: referencyjnym oraz po przyłożeniu obciążeń.
Po rektyfikacji, czyli usunięciu efektu pespektywy, fotografie
wykonane z różnych punktów przestrzeni mogą zostać na siebie nałożone. W ostatnim kroku wykonuje się pomiar ugięcia
konstrukcji za pomocą współczynnika korelacji. Konstrukcja jest
dzielona na fragmenty, wzorce jasności. Krzywa ugięcia obliczana
jest na podstawie różnic pomiędzy położeniami odpowiadających
sobie wzorców jasności na dwóch obrazach. Metoda pomiarowa
została schematycznie przedstawiona na rysunku 1.
Wizyjny system pomiarowy umożliwia monitorowanie statycznych przemieszczeń, ugięć i deformacji konstrukcji inżynierii
lądowej. Urządzenie składa się z jednego lub więcej fotograficznych aparatów pomiarowych o wysokiej rozdzielczości oraz
oprogramowania pracującego w środowisku Windows. W skład
systemu wchodzą także oświetlenie i zestaw znaczników. Dwuwymiarowe pole przemieszczeń punktów konstrukcji otrzymywane
jest w wyniku przetwarzania i analizy obrazów zarejestrowanych
przed i po obciążeniu konstrukcji. Metoda umożliwia wykonywanie
kolejnych fotografii obiektu z różnych punktów przestrzennych.
REKLAMA
SHM >> DIAGNOSTYKA
ul. Poznańska 129/133; 05-850 Ożarów Mazowiecki, tel. (+48 22) 666 01 45
tel. Biuro Handlowe: +(48 22) 666 14 06, (+48 22) 733 54 21, fax (+48 22) 665 21 55
e-mail: info vigo.com.pl
zobacz lepiej niż inni
Ceny
kamer już
od 29 500 zł
OFERUJEMY:
kamery termograficzne
kamery termograficzne do strefy EX
mierniki wilgotności i temperatury
analizatory gazów
pirometry
multimetry, mierniki, testery, kalibratory
www.vigo.com.pl
lipiec 2012
SŁUŻBY UTRZYMANIA RUCHU
47
DIAGNOSTYKA >> SHM
o długości 13,5 m. Rejestrowano przebieg ugięcia konstrukcji pod wpływem
ciężaru przejeżdżających na niej tramwajów. Przykładową krzywą ugięcia systemu
pod wpływem ciężaru przejeżdżającego
pojazdu pokazano na rysunku 2.
Zastosowanie:
Pomiary pola przemieszczeń reprezentującego ugięcie w wybranej płaszczyźnie konstrukcji.
Pomiary dwuwymiarowych deformacji
konstrukcji lub ich fragmentów.
Obiekty podlegające monitorowaniu:
mosty, kładki, kominy, wiadukty, dźwigary, stropy, hale, maszty, elektrownie
wiatrowe, konstrukcje budowlane,
maszyny i urządzenia.
RYS. 2. Przykładowy przebieg ugięcia fragmentu wiaduktu pod wpływem ciężaru
przejeżdżającego pojazdu
Pomiar ugięcia może być przeprowadzany
w kilku wybranych, charakterystycznych
punktach konstrukcji lub na całej jej długości, w przypadku pomiaru gęstego. System
pomiarowy pracuje automatycznie przy
minimalnym udziale operatora.
Dołączone do systemu oprogramowanie pozwala na pracę w trybie on-line
lub off-line. W pierwszym przypadku użytkownik określa datę i przedział czasowy
wykonywania pomiarów, które następnie
system przeprowadza w pełni automatycznie, natomiast tryb off-line umożliwia
analizę obrazów zarejestrowanych przez
inne urządzenia lub w innych sesjach
pomiarowych. Dzięki opcji podglądu na
żywo możliwe są: obserwacja wpływu
zmiany parametrów aparatu na jakość
otrzymanego zdjęcia, przeprowadzenie
prostych operacji przetwarzania obrazu
oraz poprawne pozycjonowanie kamery.
Oprogramowanie posiada wbudowane
narzędzia do kalibracji i wyznaczania
skali ze specjalnych znaczników lub certyfikowanych wzorców długości. Moduł
przeglądu wyników pozwala na wizualizację wyznaczonych krzywych ugięcia,
archiwizację danych oraz automatyczne
tworzenie raportów. Dodatkową opcją
48
SŁUŻBY UTRZYMANIA RUCHU
lipiec 2012
systemu jest wykrywanie przekroczeń
poziomu dopuszczalnych ugięć oraz wysyłanie alarmu za pomocą e-maila.
PRZYKŁAD ZASTOSOWANIA
SYSTEMU POMIAROWEGO
Monitorowanym obiektem był fragment
wiaduktu tramwajowego [3, 4] o długości
28 m. Na obiekcie umieszczono wzorce
geometryczne oraz znaczniki skalujące.
Pomiary przeprowadzono z użyciem aparatu
fotograficznego firmy Canon EOS 5D Mark
II o obiektywie o ogniskowej ustawionej
na 70 mm (Canon EF 24-70mm f/2.8 L).
Obserwował on fragment konstrukcji
Zalety:
Prostota przeprowadzenia pomiaru –
wykonanie dwóch zdjęć konstrukcji.
Globalny pomiar deformacji obiektu –
brak konieczności stosowania dużej
liczby czujników.
W pomiarach dwuwymiarowych pól
przemieszczeń – możliwość wyznaczania ugięcia konstrukcji z wykorzystaniem obrazów obiektu przed i po
deformacji pozyskanych z różnych
punktów w przestrzeni.
Zastosowanie ogólnie dostępnego
aparatu cyfrowego (tzw. „lustrzanki
cyfrowej”).
Oprogramowanie umożliwia prostą
analizę i interpretację wyników.
LITERATURA:
[1] Uhl Tadeusz, SHM of civil structures – methods, tools and applications, EVACES’09 :
proceedings of the international conference on Experimental Vibration Analysis for
Civil Engineering Structures, 14-16 October 2009, Wrocław, s. 73-92.
[2] Kohut Piotr, Holak Krzysztof, Uhl Tadeusz, Prototype of the vision system for deflection measurements, Diagnostyka, 2011, s. 3-11.
[3] Kohut Piotr, Holak Krzysztof, Uhl Tadeusz, Krupiński Krzysztof, Owerko Tomasz, Kuraś
Przemysław, Structure’s condition monitoring based on optical measurements, Key
Enginering Materials vol. 518, s. 338-349, 2012.
[4] Kuras Przemysław, Owerko Tomasz, Ortyl Łukasz, Kocierz Rafał, Kohut Piotr, Holak
Krzysztof, Krupiński Krzysztof, Comparison of Methods for measuring deflection and
vibration of bridges, Joint International Symposium on Deformation Monitoring, 2-4
November 2011, Hong Kong.