Prevádzková modálna analýza mosta SNP v Bratislave
Monitorovanie stavu konštrukcií pomocou nedeštruktívnych metód je jednou z možností ako efektívne predchádzať prípadnému poškodeniu konštrukcie. Niektoré konštrukcie, ako aj Most SNP v Bratislave nie je možné pre merania uzatvoriť a preto je navrhnutý merací systém veľmi vhodný na tieto účely.
Abstrakt
Článok sa venuje získaniu niektorých vlastných tvarov z nameraných údajov získaných počas prevádzky mosta. Meraný most sa nachádza v Bratislave a spája dve mestské časti: Staré mesto a Petržalku. Most je asymetrický oceľový s ortotropným 2komorovým hlavným nosníkom, ktorý je podopretý káblami zavesenými z pylónu. Most bol meraný celkom dvakrát, najprv v roku 2016 a druhý krát v roku 2017. Počas meraní boli zaznamenané ambientné vibrácie. Pred vykonaním meraní bol vytvorený a odladený MKP model. Niektoré vlastné tvary boli identifikované zo získaných údajov a následne porovnané s vypočítanými údajmi.
1. Úvod
Monitorovanie stavu konštrukcií sa v súčasnosti dostáva nielen do veľkého záujmu výskumných tímov, ale tiež do pozornosti správcov cestnej siete, prípadne mostných objektov. Spôsobuje to hlavne fakt, že konštrukcie po celom svete sú prestarnuté [1] (niektoré konštrukcie sú aj po návrhovej životnosti), ako aj fakt, že nároky na nové mostné konštrukcie sa z roka na rok sprísňujú. Hlavne z hľadiska bezpečnosti, ako aj z hľadiska používateľnosti objektu, ako nárast počtu vozidiel, či zvyšujúce sa požiadavky na dovolenie prejazdu ťažších vozidiel.
Obr. 1. Most SNP
Ako výhodu použitia monitorovania stavu konštrukcií môžeme uviesť úsporu finančných prostriedkov na údržbu. V prípade včasnej identifikácie porúch konštrukcie sa následná oprava stáva menej ekonomicky náročná [2] a taktiež obmedzenie, prípadne uzavretie komunikácie by trvalo kratšiu dobu. Z toho môžu plynúť ďalšie úspory, napr. zníženie sekundárnych škôd spôsobených odstavením mostnej konštrukcie z prevádzky. V opačnom prípade (pri zanedbaní pravidelnej údržby), bude pravdepodobne nasledovať nutná a nákladnejšia modernizácia. V niektorých prípadoch táto situácia môže vyústiť do potreby výstavby úplne novej konštrukcie. V rámci článku bola pozornosť venovaná využitiu doterajších skúseností autorov z monitorovania stavu konštrukcií v rámci dynamického opakovaného merania mostnej konštrukcie Mosta SNP v Bratislave (Obr. 1). Hlavnou úlohou bolo identifikovať vertikálne vlastné tvary z ambientných vibrácií mosta a následne ich porovnať s vypočítanými vlastnými tvarmi kmitania.
2. Most SNP
2.1. Popis
Most SNP (Obr. 1) sa nachádza v Bratislave a spája dve mestské časti: Staré mesto a Petržalku. Most je asymetrický oceľový s ortotropným 2komorovovým hlavným nosníkom, ktorý je podopretý káblami zavesenými z nakloneného pylónu. Dĺžky rozpätí mostných polí sú z pravej strany: 74,8 m, 303,0 m a 54 m. Celková dĺžka mosta predstavuje 431,8 m. Výška hlavného nosníka je 4,6 m, šírka je 21,0 m. V spodnej časti mosta sú umiestnené na konzolovom vyložení lávky pre chodcov, cyklistov. Vnútri hlavného nosníka sa nachádzajú inžinierske siete. V hornej časti mosta sa nachádza mestská komunikácia. V hlavnom rozpätí sú tri káble, z ktorých každý pozostáva z viacerých plne uzamknutých lán s priemerom 70,3 mm. Šikmý oceľový pylón je tvaru A, v jednej nohe pylónu je výťah, v druhom sa nachádza núdzové schodisko. Na vrchole pylónu, nad sedlovým lanom, je reštaurácia v tvare UFO. Nad reštauráciou sa nachádza ešte vyhliadková plošina, ktorá ponúka nádherný panoramatický pohľad na Bratislavu z výšky cca 85 m nad hladinou rieky Dunaj. Most bol sprevádzkovaný 29. augusta 1972 [3].
2.2. Numerický model
MKP model bol vytvorený z nosníkových a škrupinových prvkov. Mnohé detaily, ako napr. výškové zakrivenie nivelety, káble, komorový prierez s výstuhami, charakteristiky uloženia, výstuhy pylónu boli zohľadnené vo výpočte. Spomenutá reštaurácia sa modelovala ako pridaná hmota. Po inicializačnom meraní a následnom odladení MKP modelu bola vykázaná dobrá zhoda medzi správaním sa reálnej konštrukcie a MKP modelu, čo bolo potvrdené aj v ďalšej kapitole. Táto skutočnosť sa môže využiť na účely dlhodobého monitorovania mosta – je možné simulovať poškodenie a overiť vhodnú metódu na identifikáciu poškodenia reálnej konštrukcie v budúcnosti.
2.3. Dynamické merania
Pre prvé meranie v roku 2016 bola zvolená meracia zostava s použitím 2 zariadení cRIO [4]. Na základe zvolenej architektúry bolo potrebné rozmiestniť akcelerometre po konštrukcii. Hlavné zariadenie cRIO 9067 bolo umiestnené na strane proti smeru toku rieky Dunaj a menej výkonné zariadenie cRIO 9074 na opačnej strane. Spojenie medzi zariadeniami bolo vyriešené pomocou sieťového FTP kábla. Vstupno-výstupný modul NI 9234 je analógovo-digitálny prevodník, ktorý bol zapojený na zariadenia cRIO. Tieto moduly možno použiť pre vysoko presné merania zrýchlení. Meralo sa pomocou 14 snímačov zrýchlení, pričom 8 z nich bolo umiestnených na hlavný nosník vo vertikálnom smere a tieto snímače slúžili na identifikáciu niektorých vertikálnych vlastných tvarov z vykonaného experimentu. Meracie prístroje (hlavné meracie polygóny) boli umiestnené na cyklistické a pešie lávky, ktoré boli dobre dostupné a z toho dôvodu nebola vôbec obmedzená doprava na moste počas meraní. Okrem snímaných zrýchlení bola zaznamenávaná aj teplota a priebeh dopravy, pričom všetky tieto záznamy boli synchronizované so samotným meraním zrýchlení. Časová odchýlka synchronizácie videozáznamu neprevyšuje 0,2 s. Táto hodnota predstavuje nepresnosť v lokalizácii idúceho vozidla maximálne ±3 m.
V rámci posledného merania v roku 2017 bolo v porovnaní s meraním v roku 2016 meraných viacero bodov konštrukcie. Celkom bolo meraných 20 bodov (4 vertikálne zrýchlenia na strane v smere toku rieky Dunaj, 7 meraných miest vo vertikálnom smere na opačnej strane). Taktiež bola zaznamenávaná aj teplota, v tomto prípade už aj teplota konštrukcie (Tab. 1).
| Teplota | 2016 | 2017 |
|---|---|---|
| Vzduchu | 17 °C | 23,9 °C |
| Konštrukcie | – | 23,6 °C |
3. Identifikácia niektorých vlastných tvarov
Zo získaných ambientných záznamov vibrácií sa podarilo vyhodnotiť niektoré namerané vlastné frekvencie kmitania vo vertikálnom smere (Tab. 2) a k nim prislúchajúce vlastné tvary, ktoré boli podrobnejšie spracované v ďalšej časti tejto kapitoly.
| Číslo vertikálneho tvaru | Vypočítaná frekvencia [Hz] | Nameraná frekvencia 2016 [Hz] | Nameraná frekvencia 2017 [Hz] |
|---|---|---|---|
| 1 | 0,43 | 0,45 | 0,47 |
| 2 | 0,81 | 0,84 | 0,85 |
| 3 | 1,33 | 1,38 | 1,39 |
| 4 | 2,00 | 2,02 | 2,04 |
Na získanie modelovej podobnosti sa použilo vyhodnotenie pomocou hodnoty MAC (Modal Assurence Criterion). Použitá metóda je založená na priamom porovnávaní vlastných tvarov. Hodnota MAC môže dosiahnuť, buď 0 (pri absolútnom nesúlade vlastných tvarov), alebo 1 (pri úplnej zhode porovnávaných vlastných tvarov). Vzorec na výpočet MAC kritéria bol použitý tiež v predchádzajúcej publikácii autorov [5]. Vyhodnotenie MAC kritéria pre vlastné tvary bolo pomocou softvéru ModalVIEW R2 a toto kritérium vykazovalo hodnoty nad 0,9. Tieto hodnoty môžeme označiť za dobrú zhodu, čo potvrdzuje aj vizuálne porovnanie normovaných vlastných tvarov (na maximálnu hodnotu rovnú 1), ktoré tiež vykazuje zhodnosť (Obr. 2).
Obr. 2. Porovnanie normovaného vlastného tvaru (vertikálny č. 2 – fr. = 0,84 Hz)
4. Záver
Prezentované výsledky ukázali celkom dobrú zhodu medzi nameranými hodnotami vlastných frekvencií a vlastných tvarov k odladenému MKP modelu. Podarilo sa z nameraných záznamov identifikovať 3 vertikálne vlastné frekvencie a k nemu prislúchajúce vlastné tvary. Prvý vertikálny vlastný tvar sa v spektrách objavil, avšak amplitúda nebola dostatočne veľká na jasné identifikovanie prislúchajúceho vlastného tvaru a tak bol detailnejšie porovnaný až druhý vertikálny vlastný tvar (Obr. 2). Ďalšie sledované hodnoty MAC kritéria vykázali taktiež dobrú zhodu, či už medzi sebou, alebo v porovnaní s numerickým modelom. Avšak, do budúcnosti je potrebné podrobnejšie skúmať vplyv teploty na dynamické správanie sa konštrukcie [6], resp. vykonať 24hodinové meranie, kde bude viditeľnejšia zmena teploty, ako tá, ktorá bola zaznamenaná pri týchto dvoch porovnávaných meraniach. V tomto prípade bola zmena od vplyvu teploty zanedbateľná.
Poďakovanie
Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV-0236-12 a grantu Mladý výskumník 2017.
Literatúra
- SEO, J. – HU, J. W. – LEE, J. Summary Review of Structural Health Monitoring Applications for Highway Bridges. Journal of Performance of Constructed Facilities. 2016, 30(4), 04015072. DOI: 10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0000824. ISSN 0887-3828.
- WU, Z. S. – ABE, M. Structural health monitoring and intelligent infrastructure: proceedings of the First International Conference on Structural Health Monitoring and Intelligent Infrastructure, 13–15 November 2003, Tokyo, Japan. Exton, PA: A. A. Balkema, c2003. ISBN 9058096475.
- BONČO, J. – ČOMAJ, J. Búranie Podhradia: stavba Mosta SNP. Bratislava: Marenčin PT, c2010. ISBN 978-80-8114-054-9.
- VENGLÁR, M., et al. Initial Experimental Test of the Port Bridge for Structural Health Monitoring. Applied Mechanics and Materials. 2016, 837, 135–139. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.837.135. ISSN 1662-7482.
- VENGLÁR, M. – SOKOL, M. Modálna analýza priehradového nosníka. In Juniorstav 2016: 18. odborná konference doktorského studia. Brno, ČR, 28. 1. 2016. 1. vyd. Brno: Vysoké učení technické v Brně, 2016, CD-ROM, [4] s. ISBN 978-80-214-5311-1.
- ZHOU, G. D. – YI, T. H. A Summary Review of Correlations between Temperatures and Vibration Properties of Long-Span Bridges. Mathematical Problems in Engineering. 2014, 2014, 1-19. DOI: 10.1155/2014/638209. ISSN 1024-123x.
The article is devoted to extraction of some mode-shapes from measured data during the operational state. The measured bridge is in Bratislava and connects two city districts: The Old Town and the Petrzalka district. The structure is an asymmetric cable-stayed steel bridge with an orthotropic 2-box beam supported in one plane by cables from an inclined pylon. The bridge was measured twice, firstly in 2016 and secondly in 2017. Ambient vibration data were acquired during the measurements. The FEM model has been prepared before the measurements. Some mode-shapes were identified from the data and then compared to the calculated ones.