АЛГОРИТМ БЕЗОПАСНОСТИ

Системы деформационного мониторинга разрабатываются в институте не одно десятилетие, они установлены на различных объектах промышленной и гражданской инфраструктуры, в том числе на Петриковском ГОКе (Республика Беларусь), в торгово-развлекательном комплексе «Семья» и на блоках плавательного бассейна в Перми, на 38 сооружениях (жилых домах, детских садах и др.) в Березниках (Пермский край).

— Интеллектуальный мониторинг — комплекс мероприятий, включающий несколько этапов, — говорит заведующий молодежной лабораторией, кандидат технических наук Георгий Гусев (на фото). — Это детальное техническое обследование сооружения и создание его цифрового двойника, позволяющего моделировать механическое поведение конструкции в условиях реальных нагрузок и определять, какие деформационные характеристики нужно измерять и где и какие датчики располагать; сбор данных с первичных датчиков и оценка текущего состояния объекта на основе его цифрового двойника и, конечно, самое главное — научно обоснованное прогнозирование деформационного состояния конструкции.

Внедрение систем интеллектуального мониторинга в Арктике сопряжено с дополнительными трудностями. Это прежде всего огромный диапазон температур — от +40°С до –70°С, который делает проблематичным использование стандартных систем регистрации деформационных параметров. А также особый класс задач, связанный с описанием механического поведения строительных материалов и конструкций в условиях низких температур. Проблемы возникают и в связи с активизацией процессов таяния вечной мерзлоты. В этих новых условиях существенно изменяются механические свойства грунтов, и это неизбежно влияет на состояние расположенных на них сооружений. Нужно адаптировать к арктическим условиям все элементы систем мониторинга — датчики измерения деформационных параметров и контроля эволюции дефектов, аппаратно-технические средства опроса датчиков и оборудование по сбору и анализу данных. Необходимо разработать надежные средства передачи данных, обеспечивающие бесперебойную удаленную работу системы в режиме online. Особое внимание уделяется разработке математических моделей, которые позволяют описать процессы изменения деформированного состояния строительных сооружений в условиях таяния вечной мерзлоты и перепадов температур. Применение их в совокупности с прочими методами интеллектуального мониторинга позволяет решать задачи прогнозирования механической безопасности объектов. Следующие этапы — апробация разработанных вариантов системы деформационного мониторинга на модельном объекте и затем ее развертывание на пилотном объекте, расположенном в зоне таяния вечной мерзлоты.

Натурные эксперименты с крупномасштабными модельными конструкциями проводятся на специальном стенде, созданном в Институте механики сплошных сред ПФИЦ УрО РАН в 2016 г. под руководством доктора физико-математических наук И.Н. Шардакова (на фото). Вот что рассказал Игорь Николаевич о возможностях, которые предоставляет стенд:

— Модельное представление сложного и крупногабаритного объекта далеко не всегда может передать все многообразие процессов, провоцирующих разрушение конструкции. Хорошую верификацию таких моделей можно выполнить только на базе физического эксперимента, в ходе которого воспроизводится поведение элементов конструкции в сложном напряженно-деформированном состоянии, а также взаимодействие всех ее разнородных и разномасштабных частей — при математическом моделировании оно, как правило, описывается идеализированно. Натурные эксперименты дают неоценимую информацию для понимания механического поведения конструкций неоднородной структуры, особенно, когда ее состояние приближается к критическому.

Наш стенд представляет собой площадку, оснащенную оборудованием, позволяющим создавать нагрузки различного уровня и характера, и регистрировать деформационные процессы, порождаемые этими нагрузками. Уникальность его заключается в возможности проводить исследования моделей, сопоставимых по масштабу с реальными объектами. Например, сейчас на стенде испытывается фрагмент 4-этажного железобетонного здания высотой 6 м, длиной 9 м и шириной 6 м. Для него можно задавать нагрузки, обеспечивающие упругое или неупругое деформирование, создавать условия, провоцирующие различные повреждения, и в ходе испытаний он может быть доведен даже до полного разрушения. Один из эффективных способов  оценки «здоровья» конструкции — анализ ее вибрационных свойств. На нашей модели установлены устройства, задающие вибрационное воздействие определенной частоты и амплитуды, и датчики, регистрирующие «отклик» конструкции. Анализируя, как изменяется этот отклик в процессе жизни конструкции, мы можем понять, какие изменения произошли в ее состоянии, а также оценить ее текущую работоспособность и дать прогноз о сроке ее безопасной эксплуатации. На базе стенда запланирован большой цикл экспериментов, нацеленных на исследование процесса зарождения и развития опасных повреждений, поиск и регистрацию предвестников разрушения.

— Созданные в институте системы деформационного мониторинга хорошо зарекомендовали себя и в обычном климате, — отметил заведующий молодежной лабораторией интеллектуального мониторинга Георгий Гусев. — Как уже говорилось, сейчас наша задача — разработать их специализированные версии для северных (арктических) условий. В последнее время мы начали сотрудничество с коллегами из Института физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова (Якутский ФИЦ Сибирского отделения РАН). Совместно уже выбраны объекты мониторинга деформационного состояния — это и жилые дома, и административные здания, и промышленные сооружения, а также нефте- и газопроводы.