mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2024.1.105-114mgssuvest-165Research ArticleИнженерные системы в строительствеEngineering systems in constructionПрименение комплексной системы оптического мониторинга технического состояния с внешним композитным армированием строительных конструкцийApplication of a complex system for optical monitoring of technical condition of building structures with external composite reinforcementФедотовМ. Ю.FedotovM. Yu.

Михаил Юрьевич Федотов — заместитель президента

125009, г. Москва, Газетный пер., д. 9, стр. 4

Mikhail Yu. Fedotov — Vice president

build. 4, 9 Gazetny lane, Moscow, 125009, Gazetny lane

fedotovmyu@gmail.comКальгинА. А.KalginA. A.

Александр Анатольевич Кальгин — заместитель президента

125009, г. Москва, Газетный пер., д. 9, стр. 4

Alexander A. Kalgin — Vice president

build. 4, 9 Gazetny lane, Moscow, 125009, Gazetny lane

alexander.kalgin@mail.ruШмойловЕ. Е.ShmoilovE. E.

Евгений Евгеньевич Шмойлов — главный эксперт департамента исследований и разработок

109316, г. Москва, Волгоградский пр-т, д. 42, корп. 5

Evgeniy E. Shmoilov — Chief expert of the Research and Development Department

build. 5, 42 Volgogradsky prospekt, Moscow, 109316

e.shmoylov@umatex.ruКапыринП. Д.KapyrinP. D.

Павел Дмитриевич Капырин — начальник научно-технического управления

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

Pavel D. Kapyrin — Head of Scientific and Technical Management

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337

kapyrin@mgsu.ruКорневО. А.KornevO. A.

Олег Александрович Корнев — заместитель директора Научно-исследовательского института экспериментальной механики (НИИ ЭМ)

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

Oleg A. Kornev — Deputy director of the Research Institute of Experimental Mechanics

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337

i@okornev.ruРоссийская инженерная академия (РИА)РоссияRussian Academy of Engineering (RAE)Russian FederationАО «Препрег-Современные Композиционные Материалы» (АО «Препрег-СКМ»)РоссияJoint-stock company “Prepreg – Advanced Composite Materials”Russian FederationНациональный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)РоссияMoscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)Russian Federation202431012024191105114Copyright © Федотов М.Ю., Кальгин А.А., Шмойлов Е.Е., Капырин П.Д., Корнев О.А., 20242024Федотов М.Ю., Кальгин А.А., Шмойлов Е.Е., Капырин П.Д., Корнев О.А.Fedotov M.Y., Kalgin A.A., Shmoilov E.E., Kapyrin P.D., Kornev O.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/165Введение

Введение. Обоснована актуальность применения современных методов непрерывной оценки фактического состояния автомобильных и железнодорожных мостов, промышленных и иных инженерных сооружений. Приведены результаты широкого использования оптического метода непрерывного контроля технического состояния инженерных сооружений в реальных условиях эксплуатации.

Материалы и методы

Материалы и методы. Использованы квазираспределенные волоконно-оптические датчики (ВОД) на основе волоконных брэгговских решеток. Представлен опыт применения волоконно-оптических систем мониторинга, в общем случае включающих: совокупность ВОД, построенных на различных физических принципах; многоканальные устройства их опроса (интеррогаторы); встроенное специальное программное обеспечение, предназначенное для сбора, обработки и визуализации данных мониторинга. Среди наиболее известных разработчиков и поставщиков композитных систем внешнего армирования на основе углеродных армирующих волокон стоит выделить зарубежные и отечественные материалы торговых марок MasterBrace (фирма BASF SE, Германия), SikaWrap (фирма Sika Group, Германия), Torayca (фирма Toray Industries, Япония), FibArm (АО «Препрег-СКМ», Россия), S&P (АО «Триада-Холдинг», Россия) и др. Одними из первых нормативных документов, устанавливающих требования к организации мониторинга в строительной отрасли, являются МГСН 4.19–2005, ГОСТ Р 22.1.12–2005, МРДС-02–08 и др.

Результаты

Результаты. Установлено, что одной из наиболее перспективных технологий восстановления поврежденных конструкций служит применение систем внешнего армирования из полимерных композитных материалов на основе углеродных волокон и полимерных связующих холодного отверждения. Описан опыт практического использования композитных систем внешнего армирования инженерных сооружений.

Выводы

Выводы. Результаты контроля позволяют своевременно выявлять снижение несущей способности, возникновение эксплуатационных повреждений, планировать ремонтные мероприятия. Применение волоконно-оптических методов и средств непрерывной диагностики и композитных систем внешнего армирования в комплексе дают возможность обеспечить безопасность эксплуатации инженерных сооружений в реальных условиях.

Introduction

Introduction. The relevance of using modern methods for continuous assessment of the actual condition of road and railway bridges, industrial and other engineering structures is substantiated. The results of wide application of optical method for continuous control of technical condition of engineering structures under real operating conditions are presented.

Materials and methods

Materials and methods. Using quasi-distributed fibre-optic sensors based on fibre Bragg gratings. This paper presents experience in the application of fibre-optic monitoring systems, which generally include — a set of fibre-optic sensors (FOS), built on different physical principles, — multi-channel devices for their interrogation (interrogators), — built-in special software (Open source software) designed for collecting, processing and visualizing monitoring data. Among the most well-known developers and suppliers of composite systems for external reinforcement based on carbon reinforcing fibres, it is worth mentioning foreign and domestic materials under the trademarks of MasterBrace (BASF SE, Germany), SikaWrap (Sika Group, Germany), Torayca (Toray Industries, Japan), FibARM ( JSC “Prepreg-SСM”, Russia), S&P (JSC “Triada-Holding”, Russia) and others. Some of the first regulatory documents establishing requirements for organizing monitoring in the construction industry are MGSN 4.19–2005, GOST R 22.1.12–2005, MRDS-02–08 and some others.

Results

Results. It was established that one of the most promising technologies for restoration of damaged structures is the application of external reinforcement systems made of polymer composite materials based on carbon fibres and cold-curing polymer binders. The experience of practical application of composite systems of external reinforcement of engineering structures is described.

Conclusions

Conclusions. It is shown that the results of such control allow timely revealing the reduction of bearing capacity, occurrence of operational damages, planning repair measures that the application of fibre-optic methods and means of continuous diagnostics and composite systems of external reinforcement in a complex, allows to provide safety of operation of engineering constructions in real conditions.

инженерное сооружениепромышленное зданиемостволоконно-оптическая система мониторингаволоконно-оптический датчикполимерный композитный материалкомпозитная система внешнего армированияусилениеengineering structureindustrial buildingbridgefibre-optic monitoring systemfibre-optic sensorpolymer composite materialcomposite external reinforcement systemreinforcementReferencesКальгин А.А. Обращение с отходами // Строительство. Экономика и управление. 2022. № 2 (46). С. 16–23. EDN BFQXEN.Kalgin A.A. Waste management. Construction. Economics and Management. 2022; 2(46):16-23. EDN BFQXEN. (rus.).Кальгин А.А. Функциональная иерархия принятия решений // Academia. Архитектура и строительство. 2018. № 1. С. 88–91. DOI: 10.22337/2077-9038-2018-1-88-91. EDN YWPFHA.Kalgin A.A. Functional hierarchy in decision making. Academia. Architecture and Construction. 2018; 1:88-91. DOI: 10.22337/2077-9038-2018-1-88-91. EDN YWPFHA. (rus.).Теличенко В.И., Лапидус А.А., Слесарев М.Ю. Риски интеграции технологий искусственного интеллекта в «зеленые» стандарты // Промышленное и гражданское строительство. 2023. № 8. С. 102–108. DOI: 10.33622/0869-7019.2023.08.102-108. EDN ARDRBK.Telichenko V.I., Lapidus A.A., Slesarev M.Yu. Risks of integrating artificial intelligence technologies into “green” standards. Industrial and Civil Engineering. 2023; 8:102-108. DOI: 10.33622/0869-7019.2023.08.102-108. EDN ARDRBK. (rus.).Теличенко В.И., Лапидус А.А., Слесарев М.Ю. Анализ и синтез образов экологически ориентированных инновационных технологий строительного производства // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 8. С. 1298–1305. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.8.1298-1305Telichenko V.I., Lapidus А.А., Slesarev M.Yu. Analysis and synthesis of images of environmentally oriented innovative technologies of construction production. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2023; 18(8):1298-1305. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.1298-1305. (rus.).Теличенко В.И. Комплексная безопасность строительства // Вестник МГСУ. 2010. № 4–1. С. 10–17. EDN NEJDCN.Telichenko V.I. Complex safety of building. Bulletin of MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2010; 4-1:10-17. EDN NEJDCN. (rus.).Иванников В.В., Николаев А.Г., Шварц В.М., Рябов О.Б., Степанов В.Н. Характерные дефекты и повреждения металлических конструкций // Химическая техника. 2015. № 7. С. 7. EDN ULQNQN.Ivannikov V.V., Nikolaev A.G., Shvarts V.M., Ryabov O.B., Stepanov V.N. Characteristic defects and damage to metal structures. Chemical Technology. 2015; 7:7. EDN ULQNQN. (rus.).Овчинников И.И., Овчинников И.Г. О причинах аварий и повреждений транспортных и других инженерных сооружений // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона. 2021. № 1 (13). С. 186–193. EDN FDVYSD.Ovchinnikov I.I., Ovchinnikov I.G. About causes of accidents and damages of transportation and other engineering constructions. Resource and energy efficient technologies in the construction complex of the region. 2021; 1(13):186-193. EDN FDVYSD. (rus.).Gusev B.V., Fedotov M.Yu., Leshchenko V.V., Lepikhin A.M., Makhutov N.A., Budadin O.N. Nondestructive testing of offshore subsea pipelines and calculation substantiation of their safety according to risk criteria // Chemical and Petroleum Engineering. 2023. Vol. 58. Issue 9–10. Pp. 776–787. DOI: 10.1007/s10556-023-01161-0Gusev B.V., Fedotov M.Yu., Leshchenko V.V., Lepikhin A.M., Makhutov N.A., Budadin O.N. Nondestructive testing of offshore subsea pipelines and calculation substantiation of their safety according to risk criteria. Chemical and Petroleum Engineering. 2023; 58(9-10):776-787. DOI: 10.1007/s10556-023-01161-0Беккер А.Т., Уманский А.М. Полимерное связующее композитной арматуры. Виды, характеристики и перспективы к модификации // Вестник науки и образования. 2018. № 3 (39). С. 22–25.Bekker A.T., Umanskii A.M. Polymer binder of composite reinforcement. Types, characteristics and prospects of modification. Bulletin of Science and Education. 2018; 3(39):22-25. (rus.).Гусев Б.В., Будадин О.Н., Федотов М.Ю., Козельская С.О., Шелемба И.С. Опыт мониторинга технического состояния и усиления поврежденных строительных конструкций полимерными композиционными материалами // Вопросы оборонной техники. Научно-технический сборник. Серия 15. Композиционные неметаллические материалы в машиностроении. 2020. № 3–4. С. 85–94.Gusev B.V., Budadin O.N., Fedotov M.Yu., Kozelskaya S.O., Shelemba I.S. Experience in monitoring the technical condition and strengthening of damaged building structures with polymer composite materials. Questions of defense technology. Scientific and technical collection. Series 15. Composite non-metallic materials in mechanical engineering. 2020; 3-4:85-94. (rus.).Yang M., Xu H. Application of fiber Bragg grating sensing technology and physical model in bridge detection // Results in Physics. 2023. Vol. 54. P. 107058. DOI: 10.1016/j.rinp.2023.107058Yang M., Xu H. Application of fiber Bragg grating sensing technology and physical model in bridge detection. Results in Physics. 2023; 54:107058. DOI: 10.1016/j.rinp.2023.107058Shahmirzaloo A., Manconi M., van den Hurk B., Xu B., Blok R., Teuffel P. Numerical and experimental validation of the static performance of a full-scale flax fiber-polyester composite bridge model to support the design of an innovative footbridge // Engineering Structures. 2023. Vol. 291. P. 116461. DOI: 10.1016/j.engstruct.2023.116461Shahmirzaloo A., Manconi M., van den Hurk B., Xu B., Blok R., Teuffel P. Numerical and experimental validation of the static performance of a full-scale flax fiber-polyester composite bridge model to support the design of an innovative footbridge. Engineering Structures. 2023; 291:116461. DOI: 10.1016/j.engstruct.2023.116461Altabey W.A., Wu Z., Noori M., Fathnejat H. Structural health monitoring of composite pipelines utilizing fiber optic sensors and an ai-based algorithm — a comprehensive numerical study // Sensors. 2023. Vol. 23. Issue 8. P. 3887. DOI: 10.3390/s23083887Altabey W.A., Wu Z., Noori M., Fathnejat H. Structural health monitoring of composite pipelines utilizing fiber optic sensors and an AI-based algorithm — a comprehensive numerical study. Sensors. 2023; 23(8):3887. DOI: 10.3390/s23083887Alwis L., Bremer K., Roth B. Fiber optic sensors embedded in textile-reinforced concrete for smart structural health monitoring : A review // Sensors. 2021. Vol. 21. Issue 15. P. 4948. DOI: 10.3390/s21154948Alwis L., Bremer K., Roth B. Fiber optic sensors embedded in textile-reinforced concrete for smart structural health monitoring : A review. Sensors. 2021; 21(15):4948. DOI: 10.3390/s21154948Fouad N., Saifeldeen M.A. Smart self-sensing fiber-reinforced polymer sheet with woven carbon fiber line sensor for structural health monitoring // Advances in Structural Engineering. 2021. Vol. 24. Issue 1. Pp. 17–24. DOI: 10.1177/1369433220944507Fouad N., Saifeldeen M.A. Smart self-sensing fiber-reinforced polymer sheet with woven carbon fiber line sensor for structural health monitoring. Advances in Structural Engineering. 2021; 24(1):17-24. DOI: 10.1177/1369433220944507Lau K.-T., Zhou L.-M., Tse P.-C., Yuan L.-B. Applications of composites, optical fibre sensors and smart composites for concrete rehabilitation : An overview // Applied Composite Materials. 2002. Vol. 9. Pp. 221–247. DOI: 10.1023/a:1016051903029Lau K.-T., Zhou L.-M., Tse P.-C., Yuan L.-B. Applications of composites, optical fibre sensors and smart composites for concrete rehabilitation : An overview. Applied Composite Materials. 2002; 9:221-247. DOI: 10.1023/a:1016051903029Watkins S.E. Smart bridges with fiber-optic sensors // IEEE Instrumentation & Measurement Magazine. 2003. Vol. 6. Issue 2. Pp. 25–30. DOI: 10.1109/mim.2003.1200280Watkins S.E. Smart bridges with fiber-optic sensors. IEEE Instrumentation & Measurement Magazine. 2003; 6(2):25-30. DOI: 10.1109/mim.2003.1200280Ларин А.А., Федотов М.Ю. Конструктивные решения для мониторинга фундаментов на Крайнем Севере // Промышленное и гражданское строительство. 2023. № 1. С. 43–50. DOI: 10.33622/0869-7019.2023.01.43-50. EDN PIDVKE.Larin A.A., Fedotov M.Yu. Constructive solutions for monitoring foundations in the Far North. Industrial and Civil Engineering. 2023; 1:43-50. DOI: 10.33622/0869-7019.2023.01.43-50. EDN PIDVKE. (rus.).Бростилова Т.Ю., Бростилов С.А., Мурашкина Т.И. Волоконно-оптический датчик деформации // Надежность и качество сложных систем. 2013. № 1 (1). С. 93–99. EDN RDVFSZ.Brostilova T.Yu., Brostilov S.A., Murashkina T.I. Fiber-optic strain sensor. Reliability and Quality of Complex Systems. 2013; 1(1):93-99. EDN RDVFSZ. (rus.).Федотов М.Ю., Ларин А.А. Особенности формирования пространственной топологии волоконно-оптической системы мониторинга свайных фундаментов в условиях Крайнего Севера // Контроль. Диагностика. 2023. Т. 26. № 2 (296). С. 42–51. DOI: 10.14489/td.2023.02.pp.042-051. EDN VLYIZH.Fedotov M.Yu., Larin A.A. Features of the formation of the spatial topology of the fiber-optic system of monitoring pile foundations in the conditions of the Far North. Control. Diagnostics. 2023; 26(2):(296):42-51. DOI: 10.14489/td.2023.02.pp.042-051. EDN VLYIZH. (rus.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.