Siguranta structurilor cu cabluri portante

Structurile portante cu cabluri fac parte din categoria constructiilor flexibile care preiau si transfera forte predominant de intindere, utilizand rezistenta materialului, prin coeziune intermoleculara.

Cablurile se utilizeaza ca elemente portante la diverse structuri civile, miniere, maritime, militare si de transport. Folosirea acestor elemente structurale este, in principiu, nelimitata, cu specificarea ca rentabi­litatea lor creste odata cu cresterea marimii deschiderilor. Diametrul cablurilor rezulta in functie de fortele ce se dezvolta in regim de solicitare static si dinamic.

Rezolvarea ancorarii cablurilor are o importanta vitala pentru siguranta structurilor portante cu cabluri. La eforturi de intindere considerabile, capetele cablurilor trebuie prevazute cu mufe din otel turnat.

Structurile portante cu cabluri (poduri suspendate sau hobanate, structuri pentru teleferice, telecabine sau telegondole, structuri pentru acoperisuri suspendate etc.), odata receptionate, sunt supuse la actiuni care, de multe ori, difera semnificativ de incarcarile luate in considerare in cadrul codurilor de proiectare.

Telegondolele reprezinta o solutie moderna si eficienta pentru opera­tiile de transport in zone cu teren accidentat. Linia telegondolelor variaza intre 2 km si 8 km. Succesiunea deschiderilor se alege in functie de posibilitatea de amplasare a pilelor, astfel incat sa se evite edificiile, albiile, liniile de inalta tensiune, strazile si sa se reduca la maximum exproprierile necesare. Pentru pile (stalpi) se utilizeaza structuri cu sectiune chesonata si, mai rar, structuri cu zabrele.

Avantajele acestor instalatii de transport sunt:

• universalitatea folosirii lor atat pentru transport de oameni cat si pentru transport de materiale;

• exploatarea poate avea loc atat in timpul verii cat si in timpul iernii.

Extinderea acestui mijloc de transport permite renuntarea la realizarea unor cai de acces terestre cu infrastructuri foarte scumpe.

Aceste constructii necesita urmarire (monitorizare) curenta, conform legis­latiei existente, anume:

• Legea nr.10/1995 – Legea cali­tatii in constructii;

• Normativul P130/1999 privind comportarea in timp a constructiilor.

Confirmarea sigurantei unor ase­me­nea structuri are la baza o analiza structurala in regim static si dinamic, utilizand geometria reala, ceea ce inseamna ca nu sunt suficiente observatiile curente [1], [2].

Geometria reala pentru elemen­tele portante depinde de foarte multe aspecte, care sunt: nivelul solicitarii, tipul de material, conditiile de ex­ploatare etc.

Materialele utilizate in decursul istoriei, pentru confectionarea cablu­rilor, au fost: papirusul, parul de camila, inul si canepa, pana cand, in anul 1834, au fost confectionate primele cabluri din sarma de otel.

Acest element de constructie, datorita proprietatilor sale deosebite, rezistenta mare de rupere comparativ cu greutatea proprie, mare flexibilitate si durabilitate, a devenit indispensabil in multe domenii ale ingineriei structurale.

Cablurile utilizate pentru structuri portante pot avea constructie clasica sau constructie speciala cu elemente de insertie metalica cu trei sau cinci muchii. Cablurile din otel se confectioneaza din otel carbon de calitate, avand un continut mediu de carbon de 0,5% si o rezistenta la rupere de circa 60 daN/mm2. Prin trefilare, lingoul de otel, cu sectiune circulara, se transforma in sarma, rezistenta la rupere crescand pana la 120-200 daN/mm2. Dupa trefilare sarma se supune unui tratament termic si astfel materialul isi recapata proprietatile plastice. Firele de sarma se rasucesc in jurul unei sarme centrale, intr-un singur strat sau in mai multe straturi, formand toroane. La randul lor, toroanele se infasoara in jurul unei inimi centrale, formand cablul.

In ultima perioada, in medii puternic corozive, se utilizeaza cablurile realizate din polipropilena (greutatea specifica a cablului / greutatea spe­cifica a apei = 0,91), polimeri armati cu fibre de carbon (FRP – fibre polimerice plastice), poliesteri si nylon (greutatea specifica a cablului / greutatea specifica a apei = 1,14).

In cazul stucturilor portante cu cabluri din materiale polimerice, problema comportarii in timp si a monitorizarii apare ca o chestiune foarte delicata, datorita complexitatii factorilor implicati in imbatranirea si degradarea elementelor structurale polimerice.

Factorii care intervin in degra­darea si imbatranirea cablurilor polimerice sunt:

• continutul de CO₂ si SO₂ din atmosfera;

• precipitatiile si pH-ul lor;

• razele ultraviolete;

• variatia energiei din radiatia solara;

• diferentele de temperatura (vara-iarna, zi-noapte).

Monitorizarea are ca obiectiv realizarea unei corespondente intre valorile marimi de intrare si valorile marimi de iesire. Monitorizarea poate fi de tip deschis sau de tip inchis. Sistemul de monitorizare deschis nu realizeaza o verificare a relatiei intre aceste valori. Sistemul de monitorizare inchis realizeaza o verificare a raportului intre valorile marimi de intrare si valorile marimi de iesire.

Pentru monitorizarile in situ se utilizeaza, in principiu, urmatoarele procedee:

• observatia vizuala;

• metode electrochimice (metoda potentialului, metoda magnetizarii, metoda sunetelor mecanice si electrochimice etc);

• metode neelectrochimice (obser­varea microscopica, gravimetria, termografia in infrarosu, gamagrafierea, radiografierea si procedeul radar).

SCANAREA 3D

Pentru diagnosticarea vizuala sunt necesare scanari structurale. Scanarea structurala se recomanda a fi executata cu o camera digitala glisanta, procedeu denumit „de tip MOV_CAM“ (in curs de brevetare, autori: Kopenetz Ludovic si colectiv).

Etapele de lucru sunt:

• colectarea imaginilor;

• procesarea imaginilor;

• analiza imaginilor;

• prezentarea si managementul rezultatelor.

Mai nou, pentru realizarea acestor operatii, se foloseste scanarea cu laser si procedura cu holograme interioare si exterioare.

Scanarea tridimensionala este o operatie de masurare asupra obiectului real, pentru achizitia de imagini si de date geometrice 3D.

In cadrul scanarii, de obicei, se determina coordonatele 2D ale punc­telor, urmand a se determina apoi coordonatele 3D, utilizand un sistem de referinta.

Aceste imagini contin informatii in legatura cu pozitiile si amploarea degradarilor existente.

Principalele degradari sunt:

• pierderea sectiunii cablului, adica micsorarea sectiunii utile (loss of metalic cross-sectional area – LMA), din coroziune, uzura si deformatii plastice;

• modificarea formei geometriei;

• ruperi de sarme si alte defecte locale (local fault – LF).

Pentru determinari tip LMA si LF se utilizeaza, in general, procedeul de investigare electromagnetic, care are la baza un cap magnetic cu magneti puternici permanenti si senzori cu contor de distanta. Softul permite redarea si afisarea defectelor locale LF si a reducerilor de sectiune LMA, in mod sintetic.

Este necesar ca achizitia datelor imagine sa fie in timp real, continua, si trebuie sa permita localizarea exacta a punctelor de masurare.

Achizitia datelor prin telemetrie, cu toate ca a inceput inca din anii 1980, a luat avant doar odata cu folosirea sistemelor GPS.

SCANAREA SONICA

Ruperea unor fibre componente ale cablurilor portante poate genera un nivel foarte mare de zgomot si poate reprezenta un semnal important al degradarii capacitatii portante. Acest semnal se propaga prin materialul cablului cu o viteza de cca. 5000 m/s spre punctele de ancorare ale cablului (Procedeul SONO_CABLE, in curs de brevetare, autori Kopenetz Ludovic si colectiv).

Intensitatea semnalului fiind proportionala cu numarul de fibre rupte, apare posibilitatea unui control structural eficient.

Senzorii care se utilizeaza pentru preluarea semnalului trebuie sa fie robusti, usor de montat si trebuie prevazuti cu ecranare electro-magnetica.

Senzorii sonori se aleg astfel incat vibratiile, temperatura mediului si efectul diferitelor campuri (electrice, magnetice) sa perturbe intr-o masura mica functionarea lor.

Echipamentul in situ cuprinde:

• captori sonori;

• sisteme de filtrare si amplificare;

• sisteme de inregistrare.

Testele de calibrare ale senzo­rului necesita o munca intensa, in vederea obtinerii functiei de transfer cautate.

INTERPRETAREA REZULTATELOR SCANARILOR PRIN LOGICA FUZZY

Daca problemele de relevare-scanare sunt, in general, stapanite, nu acelasi lucru se poate spune despre interpretarea releveelor.

Problemele pe care le ridica interpretarea rezultatelor monitori­zarii structurilor portante cu cabluri sunt de mare complexitate, datorita multiplelor variabile aleatoare care intervin. In acest sens, se poate apela la modul de interpretare al acestor scanari utilizand logica fuzzy [3], [4].

Folosirea rationarii pe baza de logica „fuzzy“ poate fi de succes la sisteme structurale mari, unde factorul uman (expertul) apare ca o componenta de baza in problema conceptului de decizie.

Gruparea informatiilor se face pe baza urmatoarelor criterii:

• natura sistemului cercetat;

• scopul identificarii;

• tipurile de date cu care se opereaza.

Caracteristica sistemului structural real, privit ca un sistem informatic, este incertitudinea.

Incer­titudinile principale la o struc­tura portanta sunt:

• legaturile dintre fibre si intre elementele structurale;

• natura si amploarea degradarilor;

• pozitia si tipul ruperilor de fibre;

• coscovirea, dezagregarea si eroziunea fibrelor;

• tipul de coroziune existent etc.

Odata cu cresterea dimensiunilor si complexitatii structurii aceste incer­titudini se amplifica exponential.

Incertitudinile se pot imparti in doua clase principale:

• incertitudini cu informatii imprecise;

• incertitudini cu informatii incerte.

Dupa cum se vede, problema de baza apare din necesitatea cuantificarii acestor informatii imprecise.

Gestionarea comoda a incertitudinilor cu informatii imprecise utili­zeaza logica fuzzy sau logica vagului [5], [6], [7].

In acest sens, termenul imprecis cu ambiguitate se reprezinta utilizand submultimi fuzzy (FUZZY SET) cu descrieri lingvistice.

In general, modelul se exprima prin implicatii fuzzy avand forma legaturii antecedent si consecvent, adica:

– if (starea determinanta model „A“),

– then (starea determinata model „A“).

In acest fel modelul „A“ este precizat daca sunt precizate valorile fuzzy asociate variabilelor fuzzy.

In vederea operarii cu incertitudini, avand informatii incerte, se foloseste factorul de confidenta CF (Certitude Factor sau Confidence Factor), care este o valoare nume­rica intre 0,00 (sigur fals) si 1,00 (sigur adevarat).

Pozitionarea acestor degradari se va realiza cu ajutorul unor fisiere sablon (de exemplu: fisiere „Ruperi Izolate“, „Ruperi Orizontale“, „Ruperi Inclinate“, „Ruperi Mascate“ etc.), prin crearea unor atribute corespunzatoare degradarilor observate (TAG-urile atributelor).

Problemele de interpretare trebuie sa aiba la baza calibrari si recalibrari cu afisari corespunzatoare ale zonelor monitorizate.

CONCLUZII

Odata cu o cresterea gradului de complexitate a constructiilor (cu inaltimi si cu deschideri mari) avand la baza structurile portante cu cabluri din otel, apare si o crestere a nevoii de evaluare a riscurilor asociate.

Monitorizarea continua, periodica sau continua-periodica permite protectia si analiza riscurilor. Rezultatele monitorizarii stau la baza deciziilor de interventii asupra structurii, in vederea evitarii unor pra­busiri locale sau in lant.

Cu toate ca monitorizarea si inter­pretarea monitorizarii structurale a construc­tiilor cu cabluri portante implica tot ce e mai bun in arta si stiinta ingineriei structurale, numarul si amploarea incertitudinilor este deosebit de mare. Recomandam cuantificarea acestor incertitudini prin implementarea sistemelor de control inteligent cu logica fuzzy.

Utilizarea in activitatea de expertizare a deciziilor pe baza de logica fuzzy permite evaluarea corecta a starii tehnice a structurii portante si luarea unor masuri imediate de punere in siguranta, daca construc­tia expertizata prezinta degradari periculoase.

Remarcam faptul ca prin conceptul „logica fuzzy“ problemele fundamentale ale expertizarii structurale raman valabile, se schimba doar modul de privire, de prelucrare a informatiei.

BIBLIOGRAFIE

[1] Catarig, A., Kopenetz, L., Time Surveyance and in Situ Testing by Dynamic Methods of Steel Structures. A VI-a Conferinta de Constructii metalice, vol. 3, Timisoara, 1991, pag. 259-265;

[2] Lee, L.T., Collins, J.D., Engineering Risk Management for Structures. Journal of the Structural Division, ASCE 103, No.ST9, 1977, pag. 1739-1756;

[3] Bothe, H., Fuzzy Logic. Springer Verlag, Berlin, New York, London, 1994;

[4] Kandel, A., Fuzzy Techniques in Pattern Recognition. John Wiley and Sons, New York, 1986;

[5] Dubois, D., Prade, H., Fuzzy Sets and Systems: Theory and Applications. Academic Press, London, 1980;

[6] Bocklisch, S. F., Processanalyse mit unscharfen Verfahren. VEB Verlag Technik, Berlin, 1987;

[7] Bandemek, H., Tottwald, A., Einfuhrung in Fuzzy Methoden. Academic Press, London, 1990.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 73 – august 2011, pag. 34

Autori:
prof. dr. ing. Ludovic KOPENETZ,
prof. dr. ing. Alexandru CATARIG – Universitatea Tehnica Cluj-Napoca