Dlouhodobý monitoring životnosti mostních konstrukcí

1. Úvod

V České republice je možné nalézt mnoho historicky významných objektů. Vzhledem k jejich stáří a údržbě mají historické objekty různý stupeň poškození. Aby byly historické památky zachovány i pro další generace, je vhodné monitorovat stav těchto konstrukcí a na jeho základě provádět údržbu a opravy. Pomocí Structural Health Monitoringu (SHM) je možné realizovat nepřetržité dlouhodobé monitorování stavebních objektů s následným vyhodnocením jejich stavu. Zjednodušeně se jedná o osazení senzorů na objekt, ty následně nepřetržitě snímají mechanicko-fyzikální vlastnosti objektu. Získaná data jsou odesílána do serveroven, multiiplexována a nakonec vyhodnocena dle požadavků objektu. Mezi nejčastější senzory patří akcelerometry, tenzometry, meteorologické stanice, náklonoměry a snímače posunu. SHM stavebních objektů zaznamenal v nedávné minulosti již mnoho úspěchů při monitorování konstrukcí. Mezi významné úspěchy patří monitorování historických dřevostaveb typu Chuan-dou v čínské provincii Fujian, nebo monitorování výškových budov v Číně, prasklé klenby v kostele ve Švýcarsku, přístavního nábřeží v Itálii nebo tibetské historicky významné budovy [1–5]. Využitelnost SHM je prakticky neomezená, její uplatnění a úspěšnost závisí hlavně na zvolení vhodného snímacího systému a rozmístění senzorů v objektu s ohledem na typ objektu a potřebné snímané vlastnosti konstrukce.

2. Pravidelné kontroly objektů

V České republice se u mostních objektů využívá systém pravidelných vizuálních prohlídek na základě vyhlášky Ministerstva dopravy a spojů v § 8 č. 104/1997 Sb. [6]. Vizuální prohlídky se provádí za účelem zhodnocení stavu, odhalení závad a poškození na objektu. Intenzita prohlídek je určována podle klasifikačního zatřídění stavu mostní konstrukce. Vizuální kontroly jsou velice intuitivní a poskytnou přímé informace o konstrukci, jejich nevýhodou však je, že poskytují informace pouze na základě vizuálního povrchového stavu konstrukce. Nové mostní objekty jsou často budovány z moderních materiálů, bývají členité a robustní, proto i když jsou prohlídky prováděny odborně způsobilými odborníky s platným oprávněním dle MD – OPK č. j. 130/2016-120-TN/8 [7], mohou být nedostatečné pro celkové zhodnocení stavu objektu pouze na základě vizuálního stavu konstrukce. K provedení prohlídky je také vhodné, aby se odborník dostal do těsné blízkosti kontrolovaného objektu, proto je potřebné pravidelně udržovat přístupové cesty k objektu, které v některých případech, obzvláště u starších konstrukcí chybí, nebo nejsou udržovány vůbec. Hodnocení stavu mostní konstrukce může být ovlivněno i subjektivní interpretací výsledků hodnotitelem. Z výše uvedených důvodů může u objektů docházet ke špatnému určení aktuálního stavu kvůli skrytým vadám, které není možné odhalit pomoci vizuální prohlídky. V zahraničí se začíná využívat dlouhodobý monitoring stavebních konstrukcí takzvaný „Structural Health Monitoring“ (SHM), pomocí něhož je možné určit podrobný stav konstrukce a také lokalizovat případné vady a poruchy [8].

3. Structural Health Monitoring (SHM)

Definicí SHM stavebních objektů je periodické sledování a analyzování předem zvoleného stavebního objektu pomocí dat získaných z měřicích snímačů osazených na objekt i v jeho okolí za účelem monitorování změn v mechanických a geometrických vlastnostech konstrukce. Cílem SHM je objektivně zhodnotit aktuální stav konstrukce na základě analyzovaných dat ze senzorů, s případnou lokalizací poškození a určení jeho typu a rozsahu. Poškození objektu je detekováno jako změna materiálových nebo geometrických vlastností materiálu, včetně změn okrajových podmínek a podmínek spojitosti.

SHM je v posledních několika dekádách důležitý v mnoha průmyslových a strojírenských odvětvích. Často je využíván v kosmonautice a letectví, kde významně zvyšuje bezpečnost a bezporuchovost novodobých materiálů. Na základě SHM je možné detekovat poškození v raných fázích a tím zabránit katastrofickému scénáři, který by mohl nastat. Diagnostika poškození v konstrukčních systémech zahrnuje především lokalizaci, identifikaci a určení závažnosti poškození. Identifikace poškození pomocí SHM nejčastěji probíhá v těchto krocích [9]:

• detekce poškození objektu,
• lokalizace poškození,
• identifikace typu poškození,
• prozkoumání závažnosti/rozsahu poškození,
• předpověď životnosti konstrukce s poškozením.

Monitoring konstrukcí zahrnuje velký soubor dějů. Mezi ně patří snímání dat pomocí senzorů, přenos dat, vyhodnocení a zpracovávání dat, popis chování materiálů uvnitř konstrukce a také vývoj virtuálního modelu. S využitím všech získaných informací je možné přehodnotit statické působení modelu a také rozvrhnout časový harmonogram údržby konstrukce. Schéma monitoringu konstrukcí je vyobrazeno na obrázku 1 [17]. (Monitorovací systém nemusí obsahovat všechny části, které jsou uvedeny na obrázku 1. Tento obrázek vyobrazuje komplexní monitorovací systém, který může být použit).

Obrázek 1 – Schématické zobrazení SHM [17]

Na snímané konstrukci vznikají fyzikální jevy, které úzce souvisí s poškozením konstrukce a jsou zaznamenávány senzory. Na základě fyzikálních jevů vytvoří snímače elektrické signály, které jsou dále odeslány a zpracovávány speciálními softwary. Tyto softwary získávají data ze všech snímačů umístěných nejen na konstrukci, ale i v jejím blízkém okolí.

Ze získaných dat je vytvořena databáze, ve které jsou data slučována a kombinována (tzv. multiplexování dat). Následně jsou data zpracovávána pomoci dalších subsystémů, které s využitím matematických a fyzikálních algoritmů provádějí další nezbytné procesy. Finální data mohou být sdílena s dalšími organizacemi a vytvářet tak monitorovací super systém, který může sloužit nejen k ochraně lidského zdraví a majetku, ale také ke zlepšení dopravní infrastruktury, urychlení příjezdu integrované záchranné služby (IZS) a další. Mezi organizace, které mohou data dále používat, můžeme zařadit organizace řídicí dopravní infrastrukturu, záchranný integrovaný systém, elektrárny a další.

4. Senzory využívané pro SHM

Pro SHM se nejčastěji používají snímače snímající akustické emise a dynamickou odezvu (verification- based data integrity mechanism, VBDIM) měřeného objektu. Z měření akustické emise objektu je možné odhalit vznik a šíření trhlin, porušení předpínací výztuže, delaminaci, porušení spojovacích materiálů, vandalismus, nadměrné tření konstrukčních prvků, korozi výztuže, změnu okrajových podmínek a tuhosti [10]. Mezi jejich přednosti patří vysoká citlivost, pomocí níž je možné detekovat i malé vady. Pomocí VBDIM metod se sledují vlastní frekvence dané konstrukce nebo tvary kmitů. Vlastní frekvence a tvary kmitů konstrukce jsou obecně závislé na její hmotnosti a tuhosti [12]. Jelikož se hmotnost konstrukce po dobu životnosti výrazně nemění, jsou tyto metody závislé pouze na její tuhosti. Proto dojde-li při měření ke změně dynamického chování konstrukce, je tento jev připisován změně tuhosti, která poukazuje na poškození konstrukce [13]. Měření dynamické odezvy konstrukce probíhá nejčastěji pomocí akcelerometrů. Výhodou měření dynamické odezvy konstrukce je rychlá odezva na jakoukoliv změnu chování v konstrukci, tedy na jakékoliv poškození.

Obrázek 2 – Senzor akustické emise osazený na nosník mostní konstrukce

Mezi často využívané senzory patří magnetoelastické senzory, které monitorují předpínací sílu u předpjatých konstrukcí. Monitorování předpínací síly v předpínacích kabelech je velice důležité. Na jeho základě můžou být odvozeny různé vlivy zatížení při namáhání kabelů, ztráty předpínací síly nebo detekce koroze či poškození. Z naměřených dat může být snímán vliv nadměrného větru, dopravního zatížení a seismického zatížení na odezvu napětí v předpínací výztuži [12][15]. Dále se používají tenzometry, a to nejčastěji optické nebo strunové. Pomocí optických tenzometrů je možné snímat deformace, napětí, dynamické odezvy zatížení a smykové zatížení [14]. Strunové tenzometry bývají obvykle osazeny přímo do betonových konstrukcí pro snímání poměrných přetvoření uvnitř materiálů. Z poměrného přetvoření je možné stanovit smrštění, dotvarování, přetvoření [16].

Pro snímání klimatických změn se na měřený objekt nebo v jeho blízkosti umísťují meteorologické stanice vybavené 3D anemometrem, barometrem, GPS lokátorem a měřičem srážek. Na určování dopravního zatížení se používají optické senzory Weigh In Motion (WIM), indukční smyčky a kamerové systémy. Pomocí WIM senzorů je možno určit zatížení od jednotlivých vozidel s rozložením váhy na nápravy vozidla, rychlost průjezdu vozidla nebo počet přetížených nákladních vozidel. Ze záznamů WIM se dá provést analýza dopravy, nebo určit počet průjezdů jednotlivých dopravních prostředků. V zahraničí je často VIM systém využíván k monitorování a pokutování přetížených nákladních vozidel.

5. SHM ve stavebnictví

SHM ve stavebnictví popisuje vybraný objekt po dobu několika let nebo po celou dobu jeho životnosti a na základě fyzikálních vztahů určuje stav konstrukce. Spojením analyzovaných dat ze senzorů s návrhovým modelem vznikne BIM model, pomocí něhož je možné danou konstrukci podrobně analyzovat, popsat průběh změn vznikajících v použitých materiálech, sledovat časový vývoj poškození konstrukce a určit vlivy, které poškození zapříčinily, odhalit skryté vady vzniklé při výstavbě objektu, určovat a zaznamenávat pravidelné údržby prováděné na konstrukci a sledovat celkové změny konstrukce v průběhu času, odhadnout jeho životnost, vytvářet různé statistiky a také varovat před významným poškozením konstrukce [10]. Jelikož jsou data zaznamenávána několikrát za sekundu, často se u snímačů využívá snímkovacích frekvencí vyšších než 150 Hz, a také v dlouhém časovém období v řádech desítek let nebo po dobu celé životnost konstrukce, je možné objekt podrobně analyzovat a přesně stanovit všechny výše zmíněné vlastnosti. Dále se monitoruje klimatické prostředí, ve kterém se objekt nachází, jelikož zatížení vznikající klimatickým působením výrazně ovlivňuje konstrukci i měření senzorů. Další předností, kterou je možno z dat získat, je popsání chování materiálů/konstrukce při působení klimatických zatížení, a to nejen při typickém klimatickém zatížení například vlivem teploty a větru, ale i při působení mimořádných zatížení, které mohou na konstrukci nastat. U nových konstrukcí je možné pozorovat materiálové změny od výstavby konstrukce, to přináší výhodu hlavně u nových progresivních materiálů (například betony s využitím recyklátů nebo High-Strength-Concrete – HSC betony), u kterých není doposud dostatečně ověřeno jejich dlouhodobé chování v různých klimatických podmínkách a také v průběhu životnosti [11–12].

Obrázek 3 – Rozmístění akcelerometrů na Hangzhou Bay Bridge

V praxi byl SHM použit například při odhalení změny okrajových podmínek u mostu Hangzhou Bay Bridge, který přemosťuje mořskou zátoku Hangzhou Bay. Na mostní objekt bylo osazeno celkem 88 akcelerometrů, pomocí nichž bylo zjištěno, že dochází k vymílání mořského dna v místě základové konstrukce u pylonů mostu vlivem silných proudů. Rozmístění akcelometrů na mostovce je vidět na obr. 3. Z měření vlastní frekvence a tvaru kmitů konstrukce bylo odhaleno, že mezi roky 2013 a 2016, kdy bylo měření prováděno, se hloubka dna prohloubila o 4,2 m [22].

Město Hong Kong v rámci zvýšení bezpečnosti se v minulosti rozhodlo umístit na svých 5 nejvýznamnějších mostů (Tsing Ma Bridge, the Kap Shui Mun Bridge, the Ting Kau Bridge a 2 mosty mezi městy Hong Kong a Shenzheg) snímače a pravidelně monitorovat tyto mosty pomocí SHM. Čtyři mosty jsou zavěšeny a jeden je visutý. Rozmístění senzorů na mostě Ting Kau je vyobrazeno na obrázku 4 [23].

Obrázek 4 – Rozmístění snímačů na Ting Kau Bridge

SHM lze využít také na menších mostech, například ve Švýcarsku na mostě Ricciolo Vedeggio, kde byly použity optické senzory. Most byl sledován již při své výstavbě, z měření byly sestaveny časové vývoje kroucení, rotace, smykového namáhání, zakřivení, vodorovné deformace, rotace, posunů a teplotních změn [24].

6. Závěr

Stavitelé, inženýři a architekti často sledovali chování staveb, aby odhalili jakékoli poškození konstrukcí a také zlepšili své znalosti a návrhy budoucích staveb [21]. Sledování vedlo k vylepšování konstrukcí, například k prodlužování rozpětí mostu. Avšak pokroky s sebou nesly i jistá rizika, při kterých docházelo ke kolapsům objektů. Analýzy těchto selhání vedly k vylepšení technologií a k pozdějšímu úspěchu. Nekonečný boj o vylepšování konstrukcí a materiálů je poháněn nejen vývojem nových technologií, ale také optimalizací ekonomických nákladů, narůstající intenzitou dopravy a neustále se zvyšujícími nároky na únosnost konstrukcí.

V historii se SHM využíval pouze na velmi významné objekty, mezi které patřily výškové budovy, výjimečné mostní objekty, jaderné elektrárny, přehrady nebo nenahraditelné vojenské objekty. Nyní se však SHM díky snížení cen senzorů i softwarů zpracovávajících data začíná využívat i na objektech, kde je pomocí nepřetržitého měření významně zvýšena jejich bezpečnost.

Pomocí SHM je možné získávat tato data po celou dobu životnosti konstrukce a na jejich základě vymyslet nejlepší možná řešení, která budou účinná a ekonomicky výhodná. Díky pokrokům v oblasti informačních technologií a telekomunikací je nyní možné snadno přenášet a analyzovat data získaná ze senzorů. Nevýhodou SHM může být vyšší počáteční investice, která se pohybuje mezi 0,5–3 % ceny celkových nákladů na výstavbu konstrukce [12]. Počáteční investice je však kompenzována snížením pozdějších nákladů na lokalizaci případného poškození, údržby a rekonstrukce. To vede k levnějšímu, bezpečnějšímu a odolnějšímu řešení se zvýšenou spolehlivostí a únosností konstrukce.

7. Literatura

1. JIANG, Shao-Fei, Ze-Hui QIAO, Ni-Lei LI, Jian-Bin LUO, Sheng SHEN, Ming-Hao WU a Ying ZHANG. Structural Health Monitoring System Based on FBG Sensing Technique for Chinese Ancient Timber Buildings. Sensors [online]. 2020, 20(1) [cit. 2022-07-14]. ISSN 1424-8220. Dostupné z: https://doi.org/10.3390/s20010110
2. INAUDI, Daniele, Nicoletta CASANOVA a Branko GLISIC. Long-term deformation monitoring of historical constructions with fiber optic sensors. Historical Constructions. 2001, 9.
3. LEUNG, Christopher K. Y., Kai Tai WAN, Daniele INAUDI, et al. Review: optical fiber sensors for civil engineering applications. Materials and Structures [online]. 2015, 48(4), 871-906. ISSN 1359-5997. Dostupné z:
   https://doi.org/10.1617/s11527-013-0201-7
4. JIANG, Shao-Fei, Ze-Hui QIAO, Ni-Lei LI, Jian-Bin LUO, Sheng SHEN, Ming-Hao WU a Ying ZHANG. Structural Health Monitoring System Based on FBG Sensing Technique for Chinese Ancient Timber Buildings. Sensors [online]. 2020, 20(1). ISSN 1424-8220. Dostupné z: https://doi.org/10.3390/s20010110
5. VÍTEK, Jan. Historie předpjatého betonu. 1. vydání. Praha: ČKAIT, 2016. Betonové stavitelství. ISBN 978 80-87438-84-8.
6. Vyhláška Ministerstva dopravy a spojů, kterou se provádí zákon o pozemních komunikacích. In: . Praha: Ministerstvo dopravy, 1997, ročník 14, 104/1997 Sb. Dostupné také z: https://www.zakonyprolidi.cz/cs/1997-104
7. METODICKÝ POKYN OPRÁVNĚNÍ K VÝKONU PROHLÍDEK MOSTNÍCH OBJEKTŮ POZEMNÍCH KOMUNIKACÍ: MD – OPK č. j. 130/2016-120-TN/8. In: . Praha: ÚNMZ, 2016. Dostupné také z:
   http://www.pjpk.cz/data/USR_001_2_11_METODICKE_POKYNY/MP_Opravneni_k_vykonu_prohlidek_mostnich_objektu_PK___2016_.pdf
8. LIU, Jingxiao, Siheng CHEN, Mario BERGÉS, Jacobo BIELAK, James H. GARRETT, Jelena KOVAČEVIć a Hae Young NOH. Diagnosis algorithms for indirect structural health monitoring of a bridge model via dimensionality reduction. Mechanical Systems and Signal Processing [online]. 2020, 136. ISSN 08883270. Dostupné z:
   https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2019.106454
9. NEVES, Cláudia. Structural Health Monitoring of Bridges: Model-free damage detection method using Machine Learning. 149. Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2017. ISBN 978-91-7729-345-3.
10. BALAGEAS, Daniel, Claus-Peter FRITZEN a Alfredo GÜEMES. Structural health monitoring. Newport Beach, CA: ISTE, 2006. ISBN 978-1905209019.
11. WORDEN, K. a E.J. CROSS. On switching response surface models, with applications to the structural health monitoring of bridges. Mechanical Systems and Signal Processing [online]. 2018, 98, 139-156. ISSN 08883270. Dostupné z: https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2017.04.022
12. KARBHARI, Vistasp M. a Sarah F. D. ANSARI. Structural Health Monitoring of Civil Infrastructure Systems. První. Cambridge: Woodhead Publishing, 2009. ISBN 978-1-84569-392-3.
13. LIEVEN, N. A. J., D. J. EWINS, Charles R. FARRAR, Scott W. DOEBLING a David A. NIX. Vibration–based structural damage identification. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences [online]. 2001, 359(1778), 131-149. ISSN 1364-503X. Dostupné z:
    https://doi.org/10.1098/rsta.2000.0717
14. JIROUTOVÁ, Dita a Miroslav VOKÁČ. Analysis of the accuracy of fibre-optic strain gauges. Acta Polytechnica. 2013, 53(6), 872-877. Dostupné z: https://doi.org/10.14311/AP.2013.53.0872
15. WANG, Guodun, Masayoshi TOMIZUKA, Ming L. WANG, Yang ZHAO, Yong CHEN a Bingnan SUN. Application of EM stress sensors in large steel cables [online]. In: . s. 395-. ISBN 978-14020-3660-6. Dostupné z:
    https://doi.org/10.1117/12.598087
16. ANSARI, Farhad. Practical Implementation of Optical Fiber Sensors in Civil Structural Health Monitoring. Journal of Intelligent Material Systems and Structures [online]. 2007, 18(8), 879-889. ISSN 1045-389X. Dostupné z:
    https://doi.org/10.1177/1045389X06075760
17. WENZEL, Helmut. Health monitoring of bridges. Chichester: Wiley, [2009]. ISBN 978-0-470-03173-5.
18. JAROSEVIC, A. Magnetoelastic Method of Stress Measurement in Steel. HOLNICKI-SZULC, Jan a José RODELLAR, ed. Smart Structures [online]. Dordrecht: Springer Netherlands, 1999, 1999, s. 107-114. ISBN 978-0-7923-5613-4. Dostupné z: https://doi.org/10.1007/978-94-011-4611-1_13
19. SUMITRO, Sunaryo, Andrej JAROSEVIC a Ming L. WANG. ELASTO-MAGNETIC SENSOR UTILIZATION ON STEEL CABLE STRESS MEASUREMENT. Sumitro 2002 ELASTOMAGNETICSU. 2002.
20. FABO, P., A. JAROSEVIC a M. CHANDOGA. Health Monitoring of the Steel Cables Using the Elasto-Magnetic Method. In: Adaptive Structures and Materials Systems [online]. ASMEDC, 2002, 2002-01-01, s. 295-299. ISBN 0-7918-3625-8. Dostupné z: https://doi.org/10.1115/IMECE2002-33943
21. MAARTEN. Mega-structures of the Middle Ages: the construction of religious buildings in Europe and Asia, c. 1000–1500. Journal of Global History [online]. 2011, 6(3), 381-406 [cit. 2022-02-24]. ISSN 17400228. Dostupné z:
    https://doi.org/10.1017/S1740022811000386
22. LI, Shunlong, Shaoyang HE, Hui LI a Yao JIN. Scour Depth Determination of Bridge Piers Based on Time-Varying Modal Parameters: Application to Hangzhou Bay Bridge. Journal of Bridge Engineering [online]. 2017, 22(12) [cit. 2022-03-03]. ISSN 1084-0702. Dostupné z: https://doi.org/10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0001154
23. WONG, K Y a Y Q NI. Structural health monitoring of cable-supported bridges in Hong Kong. Structural Health Monitoring of Civil Infrastructure Systems [online]. Elsevier, 2009, 2009, s. 371-411. ISBN 9781845693923. Dostupné z: https://doi.org/10.1533/9781845696825.2.371
24. DEL GROSSO, Andrea, Konrad BERGMEISTER, Daniele INAUDI a Ulrich SANTA. Monitoring of Bridges and Concrete Structures with Fibre Optic Sensors in Europe. In: IABSE Symposium, Seoul 2001: Cable-Supported Bridges - Challenging Technical Limits [online]. Zurich, Switzerland: International Association for Bridge and Structural Engineering (IABSE), 2001, 2001, s. 15-22. Dostupné z: https://doi.org/10.2749/222137801796350374

Poděkování

Příspěvek vznikl za podpory fakultního specifického výzkumu VUT „Vliv klimatického a mechanického zatížení na životnost betonových objektů“, evidovaného pod číslem FAST-J-22-7982.