Structural Health Monitoring of Bridges Utilization of Records from Bridge Instrumentation

Παρακολούθηση Δομικής Κατάστασης Γεφυρών Αξιοποίηση Μετρήσεων από Ενοργάνωση Γέφυρας Structural Health Monitoring of Bridges Utilization of Records from Bridge Instrumentation Θωμάς ΣΑΛΟΝΙΚΙΟΣ 1 Λέξεις κλειδιά: Δομική Παρακολούθηση, Γέφυρες, Προδιαγραφές Ενοργάνωσης, Καταγραφές, FFT, Ιδιοσυχνότητες ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Στην παρούσα εργασία γίνεται συνοπτική παρουσίαση του συνήθως χρησιμοποιούμενου εξοπλισμού και των μεθόδων Παρακολούθησης Δομικής Κατάστασης γεφυρών. Η σύνταξη τους κατέστη δυνατή με βάση την ανασκόπηση της διεθνούς βιβλιογραφία και την μέχρι σήμερα εμπειρία που αποκτήθηκε από την ενοργάνωση αρκετών κτιρίων και γεφυρών. Επίσης παρουσιάζεται η ενοργάνωση γέφυρας στον Νομό Γρεβενών. Παρουσιάζεται η ιστορία των βυθίσεων του καταστρώματος της γέφυρας από τις διελέυσεις των βαρύτερων οχημάτων σε διάστημα 10 ημέρων και προτείνονται τιμές για τον συντελεστή δυναμικής ενίσχυσης των βυθίσεων για αυτά τα οχήματα. Επίσης γίνονται αναλύσεις των καταγραφών των επιταχύνσεων στο κατάστρωμα της γέφυρας από τις διελεύσεις των βαρύτερων οχημάτων, στο ίδιο διάστημα, και προσδιορίζονται ιδιοσυχνότητες της γέφυρας. Οι τιμές αυτές επαληθεύονται από αναλύσεις ταχέως μετασχηματισμού Fourier για καταγραφές της κυκλοφορίας της γέφυρας για διάστημα μισής ώρας. Γίνονται προτάσεις για την δυνατότητα αξιοποίησης τέτοιων καταγραφών στην αναγνώριση πιθανών μελλοντικών βλαβών γεφυρών. ABSTRACT : In present work the most important equipment and methods for the structural monitoring of bridges are summarily presented. This material was collected from literature review and from the instrumentation of many important buildings and bridges. Also results from the instrumentation of a bridge in Grevena Prefecture are presented. By the use of these measurements resulted deformations of the deck of the bridge and the dynamic amplification of these deformations due to the movement of the heaviest passing vehicles. The recorded accelerations are also used for the estimation of eigenperiods of vibration of the bridge. These eigenperiods are also estimated by the use of the accelerations that were recorded for 30min time span. Finally suggestions are made for the possibilities of use of such records for the identification of possible future damages of bridges. 1 Δρ Πολιτικός Μηχανικός, Κύριος Ερευνητής ΙΤΣΑΚ, email: salonikios@itsak.gr 1

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στην σύγχρονη εποχή τα οδικά έργα αποτελούν προϋπόθεση για την ανάπτυξη ενός τόπου. Για τον λόγο αυτό, στη χώρα μας, εκπονήθηκαν πλήθος από έργα οδοποιίας τα τελευταία χρόνια. Λόγω του ανάγλυφου του εδάφους αναπόσπαστο στοιχείο των έργων οδοποιίας αποτελούν οι γέφυρες. Σε αυτές τις κατασκευές συνδυάζονται οι περισσότερες σύγχρονες κατασκευαστικές πρακτικές επειδή αποτελούν έργα με μεγάλα ανοίγματα και υψηλή αναπτυσσόμενη ένταση. Ενώ τα προβλήματα μελέτης και κατασκευής τέτοιων έργων είναι λυμένα από την επιστήμη της Μηχανικής το θέμα της αναγνώρισης και του εντοπισμού βλαβών στον φέροντα οργανισμό των γεφυρών είναι υπό εντατική επιστημονική διερεύνηση. Η επαγγελματική κοινότητα των Μηχανικών απαιτεί την χρήση μεθόδων οι οποίες να δίνουν κλειστές λύσεις και βέβαια αποτελέσματα. Η απαίτηση αυτή ακόμη δεν έχει καλυφθεί πλήρως. Έτσι στο θέμα του ελέγχου και συντήρησης γεφυρών αποτελεί ενέργεια μεγάλης σημασίας η οπτική επιθεώρηση του φορέα της γέφυρας. Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί πολύπλοκες συσκευές και αισθητήρες οι οποίοι προγραμματίζονται και ελέγχονται από καταγραφικές μονάδες υψηλών δυνατοτήτων, για την μέτρηση της απόκρισης γεφυρών. Ο έλεγχος ο προγραμματισμός και η συλλογή των καταγραφών για αυτές τις μονάδες είναι δυνατό να γίνει από το γραφείο του ελεγκτή μηχανικού. Κάθε στιγμή ο ελεγκτής μηχανικός μπορεί να παράγει το δυναμικό αποτύπωμα μιας παρακολουθούμενης γέφυρας, να εντοπίσει πιθανές αλλαγές σε αυτό, να συσχετίσει τις αλλαγές αυτές με πιθανές βλάβες και να καθορίσει τις θέσεις αυτών. Η διαδικασία αυτή περιέχει πολλές αβεβαιότητες και δεν μπορεί να σταθεί μόνη της. Απλώς στην περίπτωση κατά την οποία προκύψει πρόβλημα από την ενοργανωμένη γέφυρα θα υπάρχει λόγος για τον επιτόπου έλεγχο του έργου αυτού. Άρα λοιπόν οι μέθοδοι ενοργάνωσης και ελέγχου των γεφυρών από την ανάλυση καταγραφών, σήμερα λειτουργούν επικουρικά και αποτελούν το έναυσμα για την εστίαση της προσοχής και του ελέγχου του φορέα συντήρησης σε συγκεκριμένο έργο. Στην περίπτωση αυτή εφαρμόζονται όμοιες ή άλλες σύγχρονες και παλαιότερες μέθοδοι ανίχνευσης και εντοπισμού βλαβών. Η τεχνογνωσία που έχει δημιουργηθεί, διεθνώς, για την Παρακολούθηση της Δομικής Κατάστασης (ΠΔΚ) των γεφυρών είναι σημαντική. Ομοίως σημαντικός είναι και ο αντίστοιχος εξοπλισμός που διατίθεται στο εμπόριο για τον σκοπό αυτό. Η πληροφόρηση της επιστημονικής και επαγγελματικής κοινότητας δεν μπορεί να γίνει στο πλαίσιο μιας εργασίας. Για τον σκοπό αυτό γίνεται επιγραμματική παρουσίαση του κυριότερου εξοπλισμού και των μεθόδων που διατίθενται σήμερα για την ΠΔΚ γεφυρών. Εκτός από το πληροφοριακό τμήμα, στην παρούσα εργασία, παρουσιάζεται η ενοργάνωση μίας γέφυρας και η συλλογή των μετρήσεων από καταγραφή κυκλοφορίας. Επίσης παρουσιάζονται διαγράμματα από την απόκριση της γέφυρας για αυτές τις φορτίσεις. Ειδικότερα παρουσιάζεται η ιστορία των βυθίσεων του καταστρώματος της γέφυρας από τις διελέυσεις των βαρύτερων οχημάτων σε διάστημα 10 ημέρων και προτείνονται τιμές για τον συντελεστή δυναμικής ενίσχυσης των βυθίσεων για αυτά τα οχήματα. Επίσης γίνονται αναλύσεις των καταγραφών των επιταχύνσεων στο κατάστρωμα της γέφυρας από τις διελεύσεις των βαρύτερων οχημάτων, στο ίδιο 2

διάστημα, και προσδιορίζονται ιδιοσυχνότητες της γέφυρας. Οι ιδιοσυχνότητες αυτές επαληθεύονται από την ανάλυση των καταγραφών των επιταχύνσεων της γέφυρας, από κυκλοφορούντα οχήματα, για διάστημα μισής ώρας. Συμπεραίνεται ότι μέσω των μετρήσεων των επιταχύνσεων στο κατάστρωμα της γέφυρας είναι δυνατή η παραγωγή αξιοποιήσιμων στοιχείων για μία γέφυρα τα οποία αποτελούν το αποτύπωμα της και συμβάλλουν στην αναγνώριση βλαβών που είναι πιθανό να εμφανισθούν μελλοντικά. ΣΥΝΘΕΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΔΚ Τα συστήματα Παρακολούθησης Δομικής Κατάστασης γεφυρών αποτελούνται από ένα πλήθος υποσυνόλων. Οι ενέργειες που πρέπει να εξυπηρετούνται αφορούν την καταγραφή των δεδομένων, την αποκόμιση των δεδομένων, την επεξεργασία των δεδομένων, την αποθήκευση των επεξεργασμένων δεδομένων, την μετατροπή αυτών σε απόκριση της κατασκευής και την ανάκτηση των δεδομένων τόσο πριν όσο και μετά τις διαγνώσεις. Για την καταγραφή των δεδομένων χρησιμοποιούνται αισθητήρες. Σε αυτές τις συσκευές το μετρούμενο μέγεθος μετατρέπεται σε μεταβολή τάσης. Αυτή είναι η κύρια λειτουργία των αισθητήρων. Με τον τρόπο αυτό οι αισθητήρες μετρούν παραμορφώσεις, μετακινήσεις, επιταχύνσεις, θερμοκρασία, φορτίο, ερπυσμό και συστολή ξήρανσης, χημικές ή μηχανικές ιδιότητες υλικών και άλλα μεγέθη. Η επιλογή του κατάλληλου αισθητήρα είναι ενέργεια κεφαλαιώδους σημασίας για τις κατασκευές. Ως παράδειγμα αναφέρεται η χρήση ενός μηκυνσιομέτρου (strain gauge) η οποία ενδεχομένως να είναι καλή για την καταγραφή επιμηκύνσεων ενός φορέα για μικρό χρονικό διάστημα αλλά το υλικό συγκόλλησης να μην λειτουργεί καλά για πολλά χρόνια. Σε κάθε περίπτωση υπάρχουν εναλλακτικές λύσεις. Ως παράδειγμα αναφέρεται ότι στην προηγούμενη περίπτωση αντί του μηκυνσιομέτρου μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα LVDT με μηχανική σύνδεση με την γέφυρα στην θέση της μέτρησης (π.χ. κοχλίωση). Ως εναλλακτική λύση για την περίπτωση αυτή προτείνεται αισθητήρας από οπτική ίνα. Ο αισθητήρας αποκρίνεται συνεχώς στο μετρούμενο μέγεθος. Η αποθήκευση των ωφέλιμων και αξιοποιήσιμων μετρήσεων είναι πολύ σημαντική για την αποφυγή της καταγραφής είτε πολύ λίγων είτε υπερβολικά πολλών καταγραφών. Για τον λόγο αυτό τα σύγχρονα συστήματα καταγραφής της απόκρισης των αισθητήρων διαθέτουν έξυπνο λογισμικό με το οποίο καθορίζεται το εύρος του μετρούμενου μεγέθους πάνω από το οποίο θα εκκινήσει η καταγραφή. Επίσης επειδή το μέγεθος αυτό ενδέχεται να είναι στιγμιαίο και να απαιτείται η καταγραφή της απόκρισης της κατασκευής πριν και μετά, υπάρχει η δυνατότητα καθορισμού χρονικού διαστήματος καταγραφής πριν και μετά την προκαθορισμένη ένδειξη του μετρούμενου μεγέθους. Τα δεδομένα αποθηκεύονται στην καταγραφική μονάδα που συνοδεύει το σύστημα ΠΔΚ. Η αποκόμιση των δεδομένων γίνεται είτε με την επίσκεψη στην ενοργανωμένη κατασκευή και την μεταφορά του υλικού του αποθηκευτικού μέσου του συστήματος σε υπολογιστή είτε μεσω γραμμών τηλεφωνικού δικτύου και μέσω ασύρματης τηλεφωνίας με το ανάλογο κόστος. Σε κάθε περίπτωση θα πρέπει τα δεδομένα να επιλέγονται κατάλληλα, να 3

ελέγχεται ο χρονισμός τους και να απαλλάσσονται από μη χρήσιμες επιδράσεις. Ως παραδείγματα αναφέρονται τόσο η αναγωγή όλων των μετρήσεων σε κοινό χρόνο για να είναι δυνατές οι συσχετίσεις όσο και η αφαίρεση της επίδρασης της θερμοκρασίας στα μετρούμενα μεγέθη (π.χ. παραμορφώσεις). Τα επεξεργασμένα δεδομένα αποθηκεύονται σε κατάλληλα διαμορφωμένη βάση δεδομένων για την εξαγωγή των διαγνώσεων. Το ποιο σημαντικό υποσύνολο του συστήματος ΠΔΚ κατασκευών είναι η διάγνωση ή η ερμηνεία των δεδομένων που έχουν συλλεχθεί και επεξεργασθεί. Σε αυτό το στάδιο τα μετρούμενα μεγέθη μετατρέπονται σε μηχανικά μεγέθη. Για παράδειγμα η μετατόπιση μετατρέπεται σε καμπτική δυσκαμψία ή οι επιταχύνσεις μετατρέπονται σε διαγράμματα ταχέως μετασχηματισμού Fourier (FFT) συναρτήσει της συχνότητας ή οι παραμορφώσεις μετατρέπονται σε τάσεις. Δεν υπάρχει πλήρης θεσπισμένη διαδικασία για την ερμηνεία των δεδομένων. Σε αυτό το σημείο μαζί με τα παραγόμενα αποτελέσματα υπεισέρχεται το κριτήριο του ανθρώπινου παράγοντα που στην περίπτωση αυτή είναι του Μηχανικού ο οποίος και θα κάνει τις τελικές εισηγήσεις. Αυτό το θέμα υφίσταται σε όλες της περιπτώσεις παρακολούθησης μέσω συστημάτων αισθητήρων σε πολλές εφαρμόσιμες επιστήμες και ορθώς η τελική αξιολόγηση δεν γίνεται από το σύστημα ΠΔΚ. Χαρακτηριστικά των Αισθητήρων Τα κυριότερα χαρακτηριστικά των αισθητήρων, τα οποία επηρεάζουν την αποδοτικότητά τους είναι τα παρακάτω: Η Ευαισθησία (sensitivity) Η Εγκάρσια ευαισθησία (cross-axis or transverse sensitivity) Η διακριτότητα (resolution) Η Απόκριση συχνοτήτων (frequency response) Η Μετάθεση φάσης (phase shift) Οι Απαιτήσεις βαθμονόμησης (calibration requirements) Η Περιβαλλοντική ευαισθησία (environmental sensitivity), Το μέγεθος και η μάζα του αισθητήρα. Υπόλοιπο Σύστημα Παρακολούθησης Δομικής Κατάστασης Ενισχυτές: Η απλούστερη περίπτωση ενίσχυσης σήματος είναι η περίπτωση των ταινιών παραμόρφωσης (strain gauges) και των μετρητών δύναμης (load shells). Καλώδια: Το καταγραφόμενο μέγεθος από τους αισθητήρες μετατρέπεται σε μεταβολή τάσης και μέσω των καλωδίων μεταφέρεται στις υπόλοιπες συσκευές του συστήματος ΠΔΚ. Τα ιδανικά καλώδια στην περίπτωση αυτή θα πρέπει να είναι ηλεκτρικά «αόρατα». Δεν πρέπει δηλαδή να επηρεάζουν το σήμα. Δυστυχώς, αν δεν ληφθούν μέτρα, το επηρεάζουν. Τα καλώδια έχουν δύο χαρακτηριστικά, την αντίσταση ανά μονάδα μήκους και την χωρητικότητα ανά μονάδα μήκους. Συχνά, μόνο η χωρητικότητα επισημαίνεται στον αγωγό, καθώς η αντίσταση είναι συνάρτηση της διαμέτρου του αγωγού. 4

Καταγραφείς: Η μεταβολή τάσης που μεταφέρεται από τα καλώδια στην καταγραφική μονάδα μετατρέπεται στο αρχικά μετρούμενο φυσικό μέγεθος βάσει των συντελεστών αναγωγής (calibration factors) των αισθητήρων που εισάγονται στο λογισμικό του καταγραφέα. Οι καταγραφείς συλλέγουν το μετρούμενο μέγεθος σε προκαθορισμένα διαστήματα αναλόγως του μετρούμενου μεγέθους. Για παράδειγμα η καταγραφή σεισμικών επιταχύνσεων απαιτεί 200 με 500 καταγραφές το δευτερόλεπτο ενώ η καταγραφή παραμορφώσεων ενός φορέα για ένα χρόνο λόγω θερμοκρασιακών μεταβολών απαιτεί μία καταγραφή ανά ένα λεπτό. Στα νούμερα (ψηφία) αυτά είναι δυνατό να γίνει επεξεργασία σαν να ήταν μία συνεχής καταγραφή. (ISIS Canada, 2001). Μετρούμενα Μεγέθη ΔΟΜΙΚΗ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΓΕΦΥΡΩΝ Τα μεγέθη που συνήθως μετρούνται είναι: Παραμόρφωση (strain) Μετακίνηση (deflection) Εντοπισμός και μέτρηση ρωγμών Δυνάμεις (forces) Θερμοκρασία Ερπυσμός και συστολή ξήρανσης. Ιδιότητες υλικών Δυναμική απόκριση Δοκιμές Στατικές δοκιμές γεφυρών Δυναμικές δοκιμές γεφυρών Περιοδική παρακολούθηση Διάγνωση Βλαβών Μεθοδολογίες που βασίζονται στην μεταβολή των ιδιοσυχνοτήτων. Μεθοδολογίες που βασίζονται στο παραμένον ιδιομορφικό διάνυσμα Μεθοδολογίες που βασίζονται στην μεταβολή της καμπυλότητας των ιδιομορφών Μεθοδολογίες που βασίζονται στην αναθεώρηση του μητρώου δυσκαμψίας της κατασκευής 5

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΕΝΟΡΓΑΝΩΣΗΣ ΓΕΦΥΡΑΣ ΣΤΟΝ ΝΟΜΟ ΓΡΕΒΕΝΩΝ Η ενοργάνωση της γέφυρας στο ρέμα Τρουμπέτα έγινε για την παρακολούθηση της μετασεισμικής ακολουθίας του σεισμού που συνέβη στον Νομό Γρεβενών στις 17 Ιουλίου του 2007 και είχε μέγεθος Μ=5.4R. Από την ενοργάνωση που έγινε δεν καταγράφηκε μετασεισμός αλλά ταλάντωση της γέφυρας από κυκλοφορία οχημάτων. Στην γέφυρα τοποθετήθηκαν δύο καταγραφικές μονάδες με αισθητήρια όργανα. Την μία καταγραφική μονάδα τοποθέτησε το ΙΤΣΑΚ και την άλλη καταγραφική μονάδα τοποθέτησε η Εγνατία Οδός Α.Ε. Στην παρούσα εργασία γίνεται χρήση και επεξεργασία των καταγραφών του ΙΤΣΑΚ. Η διάταξη των αισθητήριων οργάνων του ΙΤΣΑΚ παρουσιάζεται στο Σχήμα 1 που ακολουθεί. Οι πέντε αισθητήρες που βρίσκονται στο κατάστρωμα της γέφυρας τοποθετήθηκαν στη δεξιά πλευρά και η ονοματολογία τους ερμηνεύεται ως εξής: RT1-CH4:Δεξιός (R) αισθητήρας Νο 1, μέτρηση στην εγκάρσια (T) διεύθυνση RL3-CH3:Δεξιός (R) αισθητήρας Νο 3, μέτρηση στην διαμήκη (L) διεύθυνση RV2-CH6:Δεξιός (R) αισθητήρας Νο2, μέτρηση στην κατακόρυφη (V) διεύθυνση RT4-CH1:Δεξιός (R) αισθητήρας Νο 4, μέτρηση στην εγκάρσια (T) διεύθυνση RV5-CH2:Δεξιός (R) αισθητήρας Νο5, μέτρηση στην κατακόρυφη (V) διεύθυνση Ακολούθως δίνονται χαρακτηριστικές φωτογραφίες από την γέφυρα και το σύστημα ενοργάνωσης. Σχήμα 1. Διάταξη ενοργάνωσης γέφυρας 6

Εικόνα 2. Γενική άποψη γέφυρας. Εικόνα 3. Λεπτομέρεια στις θέσεις έδρασης των δοκών της γέφυρας. Εικόνα 4. Προγραμματισμός της κεντρικής καταγραφικής μονάδας. Εικόνα 5. Αισθητήρια RL3-CH3 και RV2-CH6 Η γέφυρα αποτελείται από αμφιέριστες δοκούς οι οποίες εδράζονται σε βάθρα με διαπλατυμένη κεφαλή. Για την ενοργάνωση που έγινε, το σύστημα καταγραφής προγραμματίστηκε να καταγράφει διεγέρσεις με επιτάχυνση μεγαλύτερη από το 6% της επιτάχυνσης της βαρύτητας. Με τον τρόπο αυτό έγιναν 7 καταγραφές σε πέντε διαφορετικές θέσεις πάνω στην γέφυρα η κάθε μία. Επίσης η καταγραφική μονάδα τέθηκε σε λειτουργία καταγραφής για μισή ώρα. Την περίοδο αυτή κατέγραψε ταλαντώσεις της γέφυρας από διερχόμενη κυκλοφορία. Στο Σχήμα 6, δίνεται η απόκριση της γέφυρας στο μέσον του μεσαίου ανοίγματος για την δυσμενέστερη φόρτιση που καταγράφηκε σε διάστημα 10 ημερών. Όπως παρατηρείται για την διεύθυνση των βυθίσεων οι μετακινήσεις είναι περίπου 2mm. Η δυναμική ενίσχυση των βυθίσεων είναι της τάξης του 50%. Αυτό δείχνει πως για βυθίσεις μικρότερες από τις βυθίσεις σχεδιασμού της γέφυρας ο συντελεστής ταλάντωσης (δυναμικής ενίσχυσης) είναι μεγαλύτερος από τον αντίστοιχο συντελεστή κατά την οριακή κατάσταση λειτουργικότητας. Για ορισμένες από τις καταγραφές που έγιναν υπολογίζονται τα διαγράμματα FFT (ταχέως μετασχηματισμού Fourier). Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται οι βυθίσεις του μεσαίου ανοίγματος, οι διαμήκεις και οι εγκάρσιες παραμορφώσεις 7

από τις δύο ισχυρότερες καταγραφές καθώς και παραμορφώσεις από την καταγραφή των αισθητήρων της γέφυρας για 30λεπτά της ώρας. 100 cm/sec 2 80 60 40 20 0-20 0 2 4 6 8 10-40 sec -60-80 -100 (α) 2.5 cm/sec 2 1.5 1 0.5 sec 0-0.5 0 2 4 6 8 10-1 -1.5-2 -2.5 (β) 0.1 0.05 0 0-0.05 2 4 6 8 10 sec -0.1-0.15-0.2-0.25 cm 0-20 0 2 4 6 8 10-40 sec (γ) (δ) Σχήμα 6. Διαγράμματα απόκρισης της γέφυρας για διέλευση του βαρύτερου οχήματος σε διάστημα 10 ημερών. (α) Κατακόρυφες Επιταχύνσεις RV5, (β) Κατακόρυφες Ταχύτητες RV5, (γ) Κατακόρυφες Μετακινήσεις Βυθίσεις στο μέσον του μεσαίου ανοίγματος. Επιταχυνσιόμετρο RV5-CH2. Σχήμα 6(δ). Οριζόντιες Επιταχύνσεις στο μέσον του μεσαίου ανοίγματος σε διεύθυνση εγκάρσια της διεύθυνσης της γέφυρας, για το ίδιο αίτιο, RT4-CH1. 100 80 60 40 20-60 -80-100 cm/sec 2 Στα σχήματα 7 και 8 δίνονται τα διαγράμματα ταχέως μετασχηματισμού Fourier (FFT) που προέκυψαν από δύο διελεύσεις βαρέων οχημάτων. Οι ιδιοσυχνότητες που διακρίθηκαν δίνονται στον πίνακα που ακολουθεί. Οι τιμές αυτές ελέγχθηκαν και με το διάγραμμα FFT που προέκυψε από την καταγραφή της κυκλοφορίας για διάστημα μισής ώρας (Σχήμα 9). Στο Σχήμα 10 παρουσιάζεται το Σχήμα 6γ πλήρως αναπτυγμένο. Πίνακας 1. Ιδιοσυχνότητες και ιδιοπερίοδοι της γέφυρας, που αναγνωρίσθηκαν, κατά αύξουσα σειρά. Σειρά 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Hz 0.55 0.87 1.22 3.40 3.91 4.32 5.93 7.21 12.59 sec 1.82 1.15 0.82 0.29 0.26 0.23 0.17 0.14 0.08 8

Από τις ιδιομορφές που διακρίθηκαν παρουσιάζονται αυτές που εμφανίσθηκαν σε όλα τα διαγράμματα. Είναι βέβαιο ότι υπάρχουν και άλλες ενδιάμεσες ιδιομορφές. Η εύρεσή τους αποτελεί τμήμα έρευνας η οποία βρίσκεται σε εξέλιξη και για την ολοκλήρωσή της απαιτείται η ολοκλήρωση του αναλυτικού προσομοιώματος της γέφυρας. 0.020 0.018 0.016 0.014 0.012 0.010 0.008 0.006 0.004 0.002 0.000 sec -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Σχήμα 7. Διάγραμμα FFT από τις καταγεγραμμένες επιταχύνσεις κατά την διέλευση μεγάλου οχήματος. 0.040 0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 sec -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Σχήμα 8. Διάγραμμα FFT από τις καταγεγραμμένες επιταχύνσεις κατά την διέλευση μεγάλου οχήματος. 9

0.020 0.018 0.016 0.014 0.012 0.010 0.008 0.006 0.004 0.002 0.000 sec -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Σχήμα 9. Διάγραμμα FFT από τις καταγεγραμμένες επιταχύνσεις κατά την διέλευση οχημάτων για διάστημα 30 λεπτών της ώρας. 0.1 cm 0.05 0-0.05-0.1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 sec -0.15-0.2-0.25 Σχήμα 10. Ολόκληρη η καταγραφή των βυθίσεων του σχήματος 6γ. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ Αποτελεί γεγονός ότι η δυσκαμψία ενός φορέα παίζει σημαντικό ρόλο στον υπολογισμό των δυναμικών χαρακτηριστικών ενός φορέα και μάλιστα όσο μειωμένη υπερστατικότητα έχει ο φορέας αυτός τόσο μεγαλύτερη είναι η επιρροή της δυσκαμψίας στα δυναμικά χαρακητριστικά του φορέα. Ως παράδειγμα αναφέρονται οι φορείς γεφυρών Ο/Σ στους οποίους η υπερστατικότητα είναι σημαντικά μικρότερη από αυτή των κτιρίων. Η βλάβη στα φέροντα στοιχεία μιας 10

γέφυρας σημαίνει την σημαντική μεταβολή της δυσκαμψίας του φορέα της. Το ερώτημα που προκύπτει στην περίπτωση αυτή σχετίζεται με την ευαισθησία των δυναμικών χαρακτηριστικών της γέφυρας σε σχέση με την μεταβολή της δυσκαμψίας. Ως παράδειγμα αναφέρεται ότι σε αμφιέριστη γέφυρα με μείωση 50% στην δυσκαμψία του ανοίγματος η μεταβολή σε κάποιες ιδιόσυχνότητες φθάνει το 80% (ISIS 2001, Appendix C). Σε τέτοιους απλούς φορείς γεφυρών είναι δυνατός ο προσδιορισμός της θέσης και της σφοδρότητας της βλάβης. Οι υπολογισμοί αυτοί είναι δυνατό να γίνουν με πολλές μεθόδους. Σε κάθε περίπτωση θα πρέπει να έχουν προσδιορισθεί με μεγάλη ακρίβεια τα δυναμικά χαρακτηριστικά της κάθε γέφυρας και η βλάβη να συνεπάγεται σημαντική μεταβολή στην δυσκαμψία του φέροντος οργανισμού της γέφυρας. Για την εφαρμογή αρκετών μεθόδων αναγνώρισης βλαβών θα πρέπει ο θόρυβος στο καταγεγραμμένο σήμα να είναι κάτω από το 20-25% του σήματος που παράγεται από την βλάβη. Στην περίπτωση κατά την οποία λόγω υγρασίας, ανέμου ή θερμοκρασιακών επιρροών προκύπτουν σήματα μεγαλύτερα από αυτά που παράγει η βλάβη, δεν είναι δυνατή η ανίχνευση της βλάβης με τις μεθόδους που βασίζονται στα δυναμικά χαρακτηριστικά. Οι συνθήκες στήριξης μιας γέφυρας είναι σχεδόν αδύνατο να λειτουργούν π.χ. ως πάκτωση ή άρθρωση όπως σε ένα αναλυτικό προσομοίωμα. Για τον λόγο αυτό ακετές φορές απαιτείται η κατάλληλη βαθμονόμηση του αναλυτικού προσομοιώματος (πολλές φορές με αντίστροφη ανάλυση δηλ. από τις καταγραφές να μορφοποιείται το προσομοίωμα) για την ΠΔΚ μιας γέφυρας. Ομοίως στην πραγματική κατασκευή ενδέχεται να μεταβάλλεται η ρηγμάτωση κύριων φερόντων στοιχείων καθώς και οι ιδιότητες των υλικών. Με την χρήση γραμμικών νόμων υλικών προκύπτει μια προσεγγιστική εκτίμηση της κατάστασης της κατασκευής. Όπως τονίστηκε προηγουμένως με την επιτόπου οπτική ή/και ενόργανη παρακολούθηση είναι δυνατός ο εντοπισμός και η ποσοτικοποίηση μιας βλάβης. Για τον έλεγχο των γεφυρών στις ΗΠΑ απαιτείται ένας χρονικός κύκλος 2 ετών ο οποίος ενδεχομένως να είναι μεγάλος για τις συνήθεις βλάβες των γεφυρών, Chang et al., (2003). Μία λύση σε αυτή την περίπτωση αποτελεί η εκτέλεση δοκιμών στην γέφυρα. Μερικοί κανονισμοί αποτίμησης υφισταμένων γεφυρών όπως ο OHBDC, (1992) και ο CHBDC, (2000) επιτρέπουν τον καθορισμός της Ανοχής Δυναμικών Φορτίων μέσω δυναμικών δοκιμών. Υπάρχουν πολλές διαθέσιμες μέθοδοι όπως η επιβολή εξαναγκασμένων διεγέρσεων, η χρήση προτύπων οχημάτων με γνωστά χαρακτηριστικά, η μέτρηση περιβαλλοντικών διεγέρσεων κ.ά. Σχεδόν όλα τα προβλήματα που αναφέρθηκαν στην προηγούμενη παράγραφο εισέρχονται σε αυτές τις δοκιμές. Επίσης στις δοκιμές προκύπτουν ακόμη περισσότερα προβλήματα που σχετίζονται με την αναπτυσσόμενη φόρτιση. Ως παράδειγμα αναφέρεται ότι με την χρήση πρότυπου οχήματος, για επιτόπου δοκιμές και μετρήσεις, την ταλάντωση της γέφυρας επηρεάζουν οι προεξοχές της ασφάλτου στο κατάστρωμα της γέφυρας, ή δυσκαμψία των αναρτήσεων του οχήματος και η μάζα του οχήματος. Απαιτείται δυσανάλογα μεγάλη προσπάθεια (ως προς το αποτέλεσμα της ΠΔΚ μιας γέφυρας) για την πλήρη γνώση όλων των παραμέτρων που επηρεάζουν τις μετρήσεις. 11

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Παρουσιάσθηκε η ενοργάνωση γέφυρας στον Νομό Γρεβενών και οι αναλύσεις των καταγραφών που έγιναν. Προκύπτει ότι μέσω των καταγραφών της απόκρισης της γέφυρας και από την μετεπεξεργασία τους προκύπτουν χρήσιμα στοιχεία για τα δυναμικά χαρακτηριστικά της γέφυρας. Σε κάθε περίπτωση δεν αρκούν μόνο οι μετρήσεις της γέφυρας αλλά απαιτείται και η κατασκευή του αναλυτικού προσομοιώματος της γέφυρας για την ποιοτική και ποσοτική αξιοποίηση των αποτελεσμάτων των καταγραφών. Για την χρήση της καταγεγραμμένης απόκρισης της γέφυρας για την διάγνωση βλαβών απαιτείται η εγκατάσταση μόνιμου δικτύου αισθητήρων και καταγραφικής μονάδας στην γέφυρα. Επίσης απαιτείται η εκπόνηση πολλών μετρήσεων και η επεξεργασία τους προκειμένου να προκύψει η πλήρης ταυτότητα των δυναμικών χαρακτηριστικών της γέφυρας. Τα χαρακτηριστικά αυτά χρησιμοποιούνται για την αναγνώριση των βλαβών που θα συμβούν στον φορέα της γέφυρας μελλοντικά. Το κόστος προμήθειας και εγκατάστασης ενός συστήματος αισθητήρων και της καταγραφικής μονάδας είναι πολύ μικρό σε σχέση με το κόστος της γέφυρας ώστε να μπορεί να καλυφθεί με μικρό ποσοστό από τα απρόβλεπτα έξοδα κατασκευής της γέφυρας. Σε κάθε περίπτωση απαιτείται η ύπαρξη εξειδικευμένου επιστημονικού δυναμικού για τους ελέγχους και για την εισήγηση των καταλληλότερων προτάσεων. Από την ενοργάνωση της γέφυρας με επιταχυνσιόμετρα μετρήθηκαν οι βυθίσεις στο μέσον των ανοιγμάτων των δοκών και βρέθηκε η δυναμική ενίσχυσή τους. Σε αυτή την περίπτωση καταδεικνύεται ένας ακόμη λόγος για την Δομική Παρακολούθηση Γεφυρών, καθώς μέσω των καταγραφών είναι δυνατή η εύκολη παρακολούθηση των βελών κάμψης της γέφυρας. Στην περίπτωση που παρουσιάζεται στην παρούσα εργασία, Σχήμα 6γ, δίνεται η μέγιστη βύθιση (από όλες τις καταγραφές) στο μέσον του μεσαίου ανοίγματος και η δυναμική της ενίσχυση προκύπτει περίπου 50%. Η τιμή αυτή είναι ενδεικτική της τάξης μεγέθους της δυναμικής ενίσχυσης των φορτίων μιας γέφυρας. Ως γενικό συμπέρασμα της εργασίας διατυπώνεται ότι η επιστήμη για την ΠΔΚ κατασκευών έχει προχωρήσει σημαντικά σε αναλυτικό επίπεδο και υπάρχουν διαθέσιμα για τον μηχανικό πάρα πολλά αναλυτικά εργαλεία (software). Οι περιορισμοί που δημιουργούνται αφορούν το υλισμικό (Hardware). Απαιτείται η ανάπτυξη και χρήση εξοπλισμού υψηλής ευαισθησίας και μεγάλου χρόνου, όχι μόνο ζωής (τουλάχιστο 50 χρόνια), αλλά και ορθής λειτουργίας. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η εκπόνηση της ενοργάνωσης και της επεξεργασίας των μετρήσεων έγινε σε συνεργασία με το Τεχνικό Προσωπικό του ΙΤΣΑΚ προς το οποίο εκφράζονται ευχαριστίες. Επίσης η οικονομική δαπάνη καλύφθηκε από πόρους του ΙΤΣΑΚ. 12

ΑΝΑΦΟΡΕΣ Chang, P., Flatau, A., Liu, S., Review Paper: Health Monitoring of Civil Infrastucture, Structural Health Monitoring Journal, Vol. 2, No 3, (2003), 257 267. Doebling, S.W., Farrar, C.R., Prime, M.B., and Shevitz, D.W. Damage Identification and Health Monitoring of Structural and Mechanical Systems from Changes in Their Vibration Characteristics: A Literature Review. Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, New Mexico, Report No. LA 13070-MS, (1996). Farrar, C.R, Baker, W.E., Bell, T.M., Cone, K.M., Darling, T.W., Duffey, T.A., Eklund, A., and Migliori, A. Dynamic Characterization and Damage Detection in the I- 40 Bridge Over the Rio Grande. Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, New Mexico, Report No. LA 12767-MS, (1994). ISIS CANADA, Guidelines for Structural Health Monitoring, The Canadian Network of Centres of Excellence on Intelligent Sensing for Innovative Structures, (2001). Ludescher, H., Bruhwiler, E., Dynamic Amplification of Traffic Loads on Road Bridges. Structural Engineering International Journal, Vol. 19 No 2, (2009), 190 197. Σαλονικιός, Θ., Προσωπικό Αρχείο Καταγραφών Γεφυρών και Κτιρίων, Ινστιτούτο Τεχνικής Σεισμολογίας και Αντισεισμικών Κατασκευών, Θεσσαλονίκη, (2000 2009). 13