Przez ostatnie dwa i pół roku zespół B+R firmy SHM System pracował nad rozwiązaniem, które sprawi, iż o decyzji zastosowania automatycznych pomiarów przemieszczeń przestanie przesądzać cena. Tak powstał pierwszy na świecie w pełni automatyczny hydrauliczny czujnik przemieszczeń SHM Profiler. Nad nowym rozwiązaniem pracował interdyscyplinarny zespół, w skład którego weszli zarówno projektanci konstrukcji, materiałoznawcy, mechanicy, elektronicy, jak i informatycy.

SHM Profiler – wizualizacja przestrzenna hydraulicznego czujnika przemieszczeń

W odróżnieniu od dostępnych na rynku rozwiązań, SHM Profiler w pełni automatycznie gromadzi dane nt. zmian profilu przemieszczeń pionowych na całej długości monitorowanego odcinka w cenie poniżej stu tysięcy złotych za system. Istnieje możliwość dowolnego zdefiniowania rozdzielczości przestrzennej pomiaru (w zależności od potrzeb kolejne punkty pomiarowe mogą być rozmieszczone co 5 cm, jak i co 5 m) na całej długości monitorowanego odcinka. W praktyce oznacza to możliwość obserwacji przebiegu procesów zachodzących w ramach budowy i eksploatacji m.in. nasypów (drogowych, kolejowych), konstrukcji geotechnicznych, mostów i innych obiektów liniowych, w tym choćby rurociągów.

Widok stalowych dźwigarów, których przemieszczenia pionowe kontrolowane są z wykorzystaniem czujnika SHM Profiler

SHM Profiler znajdzie zastosowanie w wielu obszarach inżynierii lądowej – wszędzie tam, gdzie potrzebna jest informacja o rozkładzie przemieszczeń. To pierwsze rozwiązanie na świecie, które umożliwi w pełni automatyczny pomiar profilu przemieszczeń w niedostępnej dotąd cenie – mówi Przemysław Rudziejewski-Rudziewicz, koordynator prac badawczych.

SHM Profiler w trakcie badań w jedynej w Polsce dwustrefowej komorze termicznej o długości 4 m

Dane w czasie rzeczywistym

System monitorowania musi odpowiadać na konkretne pytania – istotne z punktu widzenia procesu technologicznego, a także bezpieczeństwa robót czy powstającej konstrukcji. Trzeba też pamiętać, że działania prowadzone na placu budowy niosą ze sobą ryzyko poważnego wpływania na stan obiektów znajdujących się w jego sąsiedztwie. Dla inwestora, w przypadku braku stosownych pomiarów, może wiązać się to z koniecznością wypłaty olbrzymich rekompensat.

Świetnym przykładem zastosowania nowego czujnika jest budowa drogi na torfach, gdzie wykonawcy mają do czynienia z gruntem o dużej ściśliwości. W takiej sytuacji – w celu sprawdzenia, w którym momencie osiągnięto wymaganą stabilizację osiadań (przemieszczeń pionowych) związaną z konsolidacją gruntu – korzysta się np. z nasypu przeciążającego. Nasz czujnik pozwala skrócić czas takich prac, dostarczając wiarygodnych danych na temat przebiegu procesu konsolidacji i wskazując w czasie rzeczywistym moment jej zakończenia – dodaje Tomasz Howiacki, projektant rozwiązań mechanicznych nowego czujnika.

Nowe rozwiązanie na każdą kieszeń

Celem inżynierów SHM System było stworzenie systemu, który dostarczy najwyższej jakości danych pomiarowych w nieosiągalnej dotąd na rynku cenie. Do tej pory, ze względów finansowych, ograniczano zwykle pomiar przemieszczeń pionowych do punktowych pomiarów geodezyjnych. Tam, gdzie decydowano się na pomiar automatyczny, ograniczano liczbę punktów pomiarowych do minimum – ze względu na istotną zależność ceny systemu od liczby wykorzystanych czujników. Np. w przypadku inklinometrów poziomych, koszt każdego kolejnego metra odcinka pomiarowego to około 2,5–3 tys. zł.

Wizualizacja przemieszczeń pionowych obiektu mostowego monitorowanego z wykorzystaniem czujnika SHM Profiler

Sprawdzony w ciężkich warunkach

Najnowsze dostępne na rynku rozwiązania w zakresie materiałów czy maszyn sprawiają, że roboty budowlane wykonywane są przez praktycznie cały rok, także zimą. Z całą pewnością cieszy to inwestorów, którzy dany obiekt mogą oddać do użytku szybciej. Jednak fakt ten stwarza także ryzyko powstania błędów pomiarowych związanych z wpływem zmian temperatury na dokładność odczytów. Czynnik ten często komplikował życie projektantom oraz użytkownikom różnych systemów monitorowania. Wystarczy pomyśleć o przykładzie nasypu w ciepłe letnie południe – różnica temperatur pomiędzy odcinkiem czujnika bezpośrednio przy skarpie i w środku nasypu (pod wielometrową warstwą gruntu) może sięgać nawet kilkudziesięciu stopni Celsjusza.

Właśnie z uwagi na możliwość występowania skrajnie różnych temperatur, system firmy SHM System wyposażono w układ autokompensacji termicznej. Nie musimy już obawiać się wykonywania pomiarów w zróżnicowanych warunkach termicznych. Nasz system wyrównuje temperaturę na całej monitorowanej długości, przez co eliminujemy ryzyko błędów pomiarowych – wyjaśnia Tomasz Howiacki.

Trzeba też pamiętać, że plac budowy to miejsce pracy ciężkich maszyn i pojazdów transportowych, rozładunku oraz magazynowania materiałów budowlanych, składowania odpadów. Z tego powodu nowy czujnik opracowano w taki sposób, by był odporny na różnego rodzaju oddziaływania, w tym mechaniczne. Bez obawy o uszkodzenie możemy go stosować nawet podczas ciężkich prac ziemnych. Odporność SHM Profilera potwierdziliśmy m.in. w ramach instalacji pod jednym z najwyższych nasypów drogowych w Polsce – zapewnia Tomasz Howiacki.

Wizualizacja przestrzenna lokalizacji czujnika SHM Profiler w ramach budowy jednych z najwyższych w Polsce nasypów drogowych

Ograniczona rola człowieka

Montaż czujnika zależy od rodzaju monitorowanej konstrukcji i etapu inwestycji budowlanej. Przykładowo, we wczesnym etapie budowy nasypu, wystarczy ułożyć go na gruncie i ustabilizować za pomocą prostych uchwytów. Potem będzie już zasypywany kolejnymi warstwami nasypu. Ważne, żeby wykonywać pomiary w ciągu całego tego procesu. Na bieżąco sprawdzać, w jaki sposób osiadania stabilizują się w czasie. Często możliwość rozpoczęcia kolejnego etapu prac wymaga osiągnięcia ustalonych parametrów stabilizacji gruntu. Korzystając z pomiarów automatycznych jesteśmy w stanie proces ten optymalizować i przyspieszać – mówi Tomasz Howiacki.

Z kolei w przypadku instalacji czujnika np. na elementach istniejącego obiektu mostowego, stosowane są specjalne uchwyty montażowe (dobiera się je indywidualnie, w zależności od geometrii czy rodzaju materiału budowlanego).

Widok mostu drogowego objętego monitoringiem z wykorzystaniem czujnika SHM Profiler

Bezpośrednio do czujnika podłączana jest elektronika pomiarowa, umożliwiająca automatyzację pomiarów. Po instalacji i uruchomieniu, system zdalnie przesyła dane pomiarowe, które następnie przetwarzane są wg dowolnie zdefiniowanych procedur. Kluczowym elementem tego procesu jest możliwość wczesnego ostrzegania o istniejących zagrożeniach, tj. w sytuacjach, kiedy zmierzone wartości przemieszczeń przekroczą ustalone wcześniej wartości graniczne.

Warto pamiętać, że choć rozwój technologii budowlanych umożliwił prowadzenie robót niemal w każdych warunkach gruntowych i w bezpośrednim sąsiedztwie istniejącej infrastruktury (w tym zabytkowych obiektów), to kluczową rolę w zapewnieniu bezpieczeństwa inwestycji pełnią systemy monitorowania. Nowe rozwiązanie firmy SHM System znajduje się obecnie na etapie wdrożeniowym i już niedługo planowane jest jego wprowadzenie na rynek, o czym będziemy informować na bieżąco.

Czujnik SHM Profiler powstał w wyniku realizacji projektu pn. „Opracowanie nowego czujnika hydraulicznego do pomiaru profilu przemieszczeń pionowych w ramach Działania 1.1 „Projekty B+R przedsiębiorstw”, Poddziałanie 1.1.1 „Badania przemysłowe i prace rozwojowe realizowane przez przedsiębiorstwa” Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014-2020 współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego”.