Применение струнных тензодатчиков в железобетонных конструкциях: от теории колебаний к инженерным решениям

Введение. Струнные тензодатчики деформаций, или тензодатчики струнного типа, являются высокоточными приборами, предназначенными для измерения деформаций в различных конструкциях, включая бетон. Эти устройства широко применяются при мониторинге сооружений. В основе работы таких датчиков лежит измерение изменений резонансной частоты натянутой струны в зависимости от приложенных усилий, что позволяет точно определять деформации в конструкциях. В статье рассматривается теоретическое обоснование при определении собственных колебаний струны в зависимости от силы натяжения и прикладываемых усилий.

Цель заключается не только в рассмотрении теоретической работы струнного датчика и описании колебаний струны, но и в оценке напряженно-деформированного состояния прибора при воздействии усилий. Также целью работы является проверка соответствия теоретических результатов с фактическими данными, получаемыми с помощью струнных датчиков, с численными экспериментами, выполненными на базе конечно-элементной модели датчика. Несмотря на многолетний опыт применения струнных датчиков, такие исследования в аналогичных условиях, с учетом специфики задачи и типов конструкций, еще не проводились.

Материалы и методы. Для анализа использованы аналитические методы расчета и метод конечных элементов для оценки напряженно-деформированного состояния струнных датчиков. Для проверки теоретических решений была выполнена верификация расчетов с использованием программного комплекса ANSYS.

Результаты. В результате проведенного анализа была разработана математическая модель для определения резонансной частоты струны, а также исследованы ее вибрационные характеристики. Кроме того, была выполнена верификация расчетов с использованием программного комплекса ANSYS и сравнены теоретические данные с фактическими измерениями, что подтвердило высокую точность расчетов. Приведенные результаты демонстрируют хорошее согласование теоретических моделей с реальными данными, что подтверждает надежность метода и его применимость в практике мониторинга напряжений в арматуре железобетонных конструкций.

Выводы. Таким образом, использование струнных тензодатчиков для мониторинга напряжений в арматуре железобетонных конструкций представляет собой перспективный и эффективный метод. Данная работа, с учетом проверки соответствия теоретических расчетов и фактических данных, а также верификации с помощью метода конечных элементов, подтверждает надежность разработанной методики расчета напряженно-деформированного состояния датчиков. Эти датчики обеспечивают точные данные о напряжениях в арматуре и могут использоваться для долговременного мониторинга в различных конструкциях, что повышает безопасность и долговечность объектов.

1. Ахметкереев М.Х., Брайцев В.В., Гуляев Н.А., Зиновьев Р.К., Кузин А.Г., Николаев В.Б., Петрашень И.Р., Салов В.Н. Способ измерения усилия в рабочей стержневой арматуре железобетонного сооружения и устройство для его осуществления (варианты). Патент RU 2191990 C1. Опубл. 27.10.2002.

2. Уткин В.С., Соловьев С.А. Способ измерения деформаций, напряжений и усилий в арматуре эксплуатируемых железобетонных конструкций. Патент RU 2721892 C1. Опубл. 25.05.2020.

3. Bakkehøi Steinar, Øien Kjell, Førland Eirik J. An Automatic Precipitation Gauge Based on Vibrating-Wire Strain Gauges. <i>Hydrology Research</i>. 1985, vol. 16, iss. 4, pp. 193–202. DOI: https://doi.org/10.2166/nh.1985.0015.

4. Cudmani Roberto, Rebstock Daniel, Schorr Joshua. Geotechnical Challenges for the Numerical Prediction of the Settlement Behaviour of Foundations in Rosenheim’s Seeton. In: Recent Developments of Soil Mechanics and Geotechnics in Theory and Practice. 2020, vol. 91, pp. 323–346. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-28516-6_17.

5. Ing Khihok, Anantanasakul Pongpipat. Analysis of Full-scale Load Tests on Bored Piles Socketed in Weathered Rock: A Case Study of the Subsoils of Phnom Penh Area. Conference: The 27th National Convention on Civil Engineering. Chiang Rai, THAILAND, 2022. Available at: https://www.researchgate.net/publication/365048854_Analysis_of_Full-scale_Load_Tests_on_Bored_Piles_Socketed_in_Weathered_Rock_A_Case_Study_of_the_Subsoils_of_Phnom_Penh_Area.

6. Khayat Kamal, Sadati Seyedhamed. Recycled Concrete Aggregate: Field Implementation at the Stan Musial Veterans Memorial Bridge. 2014. Available at: https://www.researchgate.net/publication/281232916_Recycled_Concrete_Aggregate_Field_Implementation_at_the_Stan_Musial_Veterans_Memorial_Bridge.

7. Ling Hui Zheng, Xin-Yin Zhu. The High Precision Vibration Signal Data Acquisition System Based on the STM32. Sensors and Transducers. 2014, vol. 172, iss. 6, pp. 98–104. Available at: https://www.researchgate.net/publication/288531967_The_High_Precision_Vibration_Signal_Data_Acquisition_System_Based_on_the_STM32.

8. Osman Ashraf, Malak Charles. Evaluating the stresses in a supertall structure: Field monitoring and numerical analysis. 2017. Available at: https://www.researchgate.net/publication/319840035_Evaluating_the_stresses_in_a_supertall_structure_Field_monitoring_and_numerical_analysis.

9. Álvaro Paul, Lawrence Kahn, Kimberly Kurtis. Corrosion-Free Precast Prestressed Concrete Piles Made with Stainless Steel Reinforcement: Construction, Test and Evaluation. 2015. Available at: https://www.researchgate.net/publication/292157936_Corrosion-Free_Precast_Prestressed_Concrete_Piles_Made_with_Stainless_Steel_Reinforcement_Construction_Test_and_Evaluation.

10. Clough R.W., Penzien J. Dynamics of Structures. McGraw-Hill, 1993.

11. Morse P.M., Ingard K.U. Theoretical Acoustics. New York: McGraw-Hill, 1968.

12. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L. The finite element method: its basis and fundamentals. Amsterdam; Boston: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2005.

13. ANSYS Theory Reference. User Guide for ANSYS Structural Analysis. ANSYS Inc., 2020.