Schválené projekty 2018

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2018

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 55 008 271 Kč

Z toho 2.5% - 1 375 200 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakulta přidělená částka v Kč
FBI  1 169 170
EKF  3 711 750
FAST  2 600 000
FS  8 523 694
FEI 14 727 528
HGF  6 164 359
FMT  7 136 570
VC  9 600 000
CELKEM 53 633 071

KódSP2018/55
Název projektuVyužití optovláknových technologií pro monitorování tunelů
ŘešitelFajkus Marcel Ing., Ph.D.
Školitel projektudoc. RNDr. Eva Hrubešová, Ph.D.<br />
Období řešení projektu01.01.2018 - 31.12.2018
Předmět výzkumu1. Předmět výzkumu
1.1 Současný stav řešené problematiky
Diagnostický a geotechnický monitoring je dnes neodmyslitelnou součástí výstavby inženýrských staveb a jejich provozování. Monitorování poměrných přetvoření poskytuje informaci o stavech napjatosti v betonu v průběhu živostnosti. Získané údaje slouží pro sledování poruch, ztráty stability, vzniku a vývoje trhlin, či jiného nežádoucího resp. poruchového stavu. V současnosti se pro geotechnický monitoring používají standardní strunové nebo piezoelektrické snímače apod [1-2]. Dle potřeb stavby se pak využívají následující metody monitoringu: inklinometrické nebo extenzometrické měření, měření dilatace na trhlinách, měření deformací výrubu nebo povrchu, geodetická měření apod. [3]

Speciálním druhem inženýrských staveb jsou dálniční nebo železniční tunely, jež jsou celým objemem umístěny v horninovém prostředí. Tyto stavby výrazným způsobem ovlivňují okolní prostředí, kde nejvýznamnějším bodem je právě sledování spolupůsobení horninového masivu s konstrukčními prvky podzemního díla. U těchto staveb se realizuje vnitřní monitorování zatížení primárního resp. sekundárního ostění a konvergenční monitoring nebo vnější monitoring posuvu horninového nadloží pomocí inklinometrů resp. extenzometrů apod. Velmi důležitým typem je observační monitoring, při kterém je podzemní dílo sledováno při samotné výstavbě. [4-6]
Přestože jsou konvenční přístupy monitorování podzemních staveb dnes využívané, vykazují řadu nevýhod. V rámci monitoringu je nutné využít velký počet jednobodových senzorů, s čímž souvisí komplikovaná a velmi hustá síť přívodních kabelů. Dále musí být konvenční senzory elektricky napájeny, s čímž souvisí problémy s elektromagnetickým rušením, projevují se problémy s korozí a další.

Alternativní přístup tvoří nové vláknově optické senzory, které mohou přispět k rozšíření a zpřesnění informací o deformačním chování podzemních staveb, neboť jsou obecně velmi přesné a umožňují velmi citlivé snímání téměř libovolné fyzikální veličiny, jsou elektricky pasívní, imunní vůči korozi a elektromagnetickému rušení a díky velmi malým rozměrům jsou snadno implementovatelné do betonové struktury. Stěžejní výhodou jsou minimální požadavky na přívodní kabeláž díky kvazidistribuovanému nebo distribuovanému přístupu snímání.

Mezi nejrozšířenější optovláknové senzorické technologie patří Braggovské mřížky (FBG) a distribuované systémy založené na Brillounově rozptylu (BOTDR). Mřížkový přístup umožňuje multiplexovat desítky snímačů na jediném optickém vlákně, distribuované systémy pak umožňují sledovat měřenou veličinu podél celého optického vlákna do délky až několika desítek kilometrů. Díky těmto vlastnostem je možné realizovat hustou senzorickou síť s minimálními nároky na přívodní kabeláž. Kromě deformačních měření poskytují také monitorování tepelných polí a jejich změn již v průběhu betonáže nebo sezónních teplotních změn, které mohou vést ke vzniku trhlin či vyšší míry degradace a porušení podzemního díla a jeho ostění. [7-9]

Optovláknové distribuované monitorování proběhlo již v dálničním tunelu u Žiliny, kde byl použit standardní telekomunikační kabel s optickými vlákny. Tento kabel byl v průběhu stavby tunelu umístěn v jedné části na příhradový nosník v primárním ostění. Následovalo zhruba roční měření, jehož výsledky ukazují funkční řešení tohoto přístupu [10]. Budoucí výzkum bude orientován na využití speciálních optických kabelů s vyšší citlivostí na deformační účinky a návrhu způsobu implementace optických vláken a FBG senzorů po celé délce budovaného tunelu.


1.2 Přehled použitých metod
V rámci projektu budou činnosti rozděleny na dvě úrovně.

V první úrovni budou analyzovány vhodné typy optických kabelů pro distribuované snímání, jejich uspořádání a optimální způsob implementace do betonových konstrukcí. Následně bude provedena jejich deformační a teplotní kalibrace. V rámci mřížkových senzorů bude navíc navržena a realizována minimálně dvě řešení konstrukčního zapouzdření. Jednak bude využit polymerový materiál polydimethylsiloxane, který poskytuje vhodné mechanické a deformační vlastnosti a jednak budou využity hliníkové profily pro realizaci vysoce odolného senzoru implementovaného do betonu. Optovláknové senzorické prvky budou zalévány do betonových trámců (1700×120×100 mm) a betonových kostek (400×400×120 mm) a zkoušeny v laboratoři. Betonové trámce jsou zvoleny pro analýzu podélných přetvoření, zatímco betonové kostky budou využity pro hledání vhodného rozmístění rastru optických vláken pro sledování prostorového rozložení zatížení. Vzhledem k uvažovanému počtu alespoň pěti typů testovaných optických kabelů a dvou až tří typů mřížkových senzorů, jsou naplánovány zkoušky minimálně tří trámců a minimálně tří betonových kostek. Současně budou využity také fóliové tenzometry pro možnost srovnání s konvenčními používanými metodami.

Druhou úroveň pak tvoří sjednaná spolupráce s firmou Subterra a.s. na budovaném železničním tunelu Milochov, kde budou průběžně dosažené laboratorní výsledky využity pro implementaci optovláknových technologií do primárního ostění tunelu při jeho ražbě. V plánu je provést několik implementací v různých úsecích a následně realizace opakovaného měření jak po dobu řešení projektu SGS, tak i po jeho skončení.


1.3 Literatura
[1] Q. Feng, H. Xiao, Q. Kong, Y. Liang, and G. Song, “Damage detection of concrete piles subject to typical damages using piezoceramic based passive sensing approach,” J. Vibroengineering, vol. 18, no. 2, pp. 801–812, 2016.
[2] V. Talakokula, S. Bhalla, and A. Gupta, “Monitoring early hydration of reinforced concrete structures using structural parameters identified by piezo sensors via electromechanical impedance technique,” Mech. Syst. Signal Process., vol. 99, pp. 129–141, 2018.
[3] Millogo, Y., Morel, J.-C., Traoré, K. and Ouedraogo R. (2012) Microstructure, Geotechnical and Mechanical Characteristics of Quicklime-Lateritic Gravels Mixtures Used in Road Construction. Construction and Building Materials, 26, 663-669.
[4] Burland J.B., Standing J.R. and Jardine F.M. (2001) “Building Response to Tunnelling” Case studies from construction of the Jubilee Line Extension, London. Thomas Telford publishers, London.
[5] LUNARDI, Pietro. DESIGN AND CONSTRUCTION OF TUNNELS: Analysis of controlled deformation in rocks and soils (ADECO-RS). Milano: Springer, 2008. ISBN 978-3-540-73874-9.
[6] Tunnels and Tunnelling (2001) “European Practice in geotechnical instrumentation for tunnel construction control”, Tunnels and Tunnelling International, April 2001, pp 51-54.
[7] Song, G., Li, W., Wang, B., and Ho, S. C. M., "A review of rock bolt monitoring using smart sensors," MDPI AG 17(4), (2017).
[8] S. C. M. Ho, W. Li, B. Wang, and G. Song, “A load measuring anchor plate for rock bolt using fiber optic sensor,” 26(5), (2017).
[9] T. M. Do and Y. S. Kim, “Prediction of load transfer depth for cost-effective design of ground anchors using FBG sensors embedded tendon and numerical analysis,” 10(6), 737–755, (2016).
[10] M. Fajkus, J. Nedoma, P. Mec, E. Hrubesova, R. Martinek, V. Vasinek, “Analysis of the highway tunnels monitoring using an optical fiber implemented into primary lining,” Journal of Electrical Engineering, 2017, IF. 0,483.


1.4 Harmonogram řešení
Únor: rešerše konvenčních a optovláknových technologií pro monitorování zatížení betonových konstrukcí (budovy, mosty, tunely), vhodných optických vláken a metod jejich zapouzdření pro zalévání do betonu. Schůzka s projektanty a raziči tunelu Milochov a návrh implementace optických vláken do primárního ostění tunelu.
Březen: Nákup vhodných typů optických vláken pro distribuované monitorování betonových konstrukcí, Braggovských mřížek, tenzometrů a spotřebního materiálu jako jsou trubičky, hliníkové profily apod. Návrh mřížkového (FBG) senzoru s teplotní kompenzací pro zalévání do betonu a implementaci na povrch betonové konstrukce.
Duben - květen: Realizace FBG senzoru s teplotní kompenzací pro zalévání do betonu, měření teplotní a deformační citlivosti. Realizace betonového trámce s využitím dvou typů optických vláken, realizovaného FBG senzoru a sady tenzometrů. Realizace betonové kostky s optickými vlákny a tenzometry. Zkoušení betonového trámce a betonové desky, zpracování dat. Implementace optovláknových technologií do ostění tunelu Milochov.
Červen – červenec: Realizace FBG senzoru s teplotní kompenzací pro implementaci na povrch betonové konstrukce, měření teplotní a deformační citlivosti. Realizace betonového trámce s druhou sadou optických vláken a realizace betonové kostky s optimalizací rozvržení optických vláken. Příprava publikací 2×D. Implementace optovláknových technologií do ostění tunelu Milochov a měření.
Srpen – září: Realizace betonového trámce a kostky č. 3 pro vylepšení a optimalizaci rozložení optických vláken. Zkoušení betonové kostky, zpracování dat, numerické modelování zatížení betonové desky. Příprava publikace 1×D. Měření v tunelu Milochov.
Říjen – listopad: Zkoušení betonového trámce, zpracování a analýza dat, matematické modelování zatížení trámce, příprava publikace 1×Jsc. Měření v tunelu Milochov.
Prosinec – vyhodnocení projektu SGS, měření v tunelu Milochov, psaní závěrečné zprávy projektu.


1.5 Řešitelský kolektiv
1.5.1 Zdůvodnění zapojení jednotlivých členů týmu
Ing. Marcel Fajkus (student) – hlavní řešitel, návrh a realizace mřížkových senzorů, návrh uložení optických vláken do betonových konstrukcí, realizace laboratorních experimentů, konzultace a koordinace spolupráce s firmou Subterra, a.s., příprava a realizace měření v tunelu Milochov, analýza výsledků a zpracování dat, psaní publikačních výstupů.

Ing. Jan Nedoma (student) - návrh uložení optických vláken do betonových konstrukcí, kalibrační měření optovláknových senzorů, laboratorní měření a měření v tunelu Milochov, psaní publikačních výstupů.

Ing. Pavel Mec (akademický pracovník) – numerické modelování zatížení betonových trámců a kostek, osoba nutná pro obsluhu zařízení, měření s referenčními tenzometry, návrh měření v tunelu Milochov, psaní publikačních výstupů.

Ing. David Pytlík (student) – návrh složení vysokopevnostních receptur a přípravu vzorků, technická příprava experimentů v laboratoři a jejich provedení, vyhodnocení dat, příprava a realizace měření v tunelu Milochov, psaní publikačních výstupů.

Doc. RNDr. Eva Hrubešová, Ph.D. (akademický pracovník) – školitel, konzultace a koordinace s firmou Subterra a.s., konzultace spojená s optimalizací umístění monitorovacího senzoru v tunelu.

Hlavní řešitel projektu Ing. Marcel Fajkus se zabývá využitím optovláknových senzorů v oblasti železniční a automobilové dopravy, perimetrických systémů a biomedicínských aplikací již 7 let na katedře telekomunikační techniky, fakulty elektrotechniky a informatiky. Ve spolupráci s řešitelem SGS Ing. Pavlem Mecem a Ing. Janem Nedomou spolupracuje v oblasti využití optovláknových senzorů ve stavebnictví od roku 2014 a společně také realizovali roční zkouškové monitorování dálničního tunelu s optickými vlákny implementovanými do primárního ostění. Kromě jiného se hlavní řešitel také podílí na zkoušení betonové desky (STAND) s distribuovaným optovláknovým systémem v areálu Fakulty stavební.


1.5.2 Nejvýznamnější publikační a aplikační výstupy
Ing. Marcel Fajkus (Author Scopus ID: 55645595200)
Celkový počet publikovaných publikací: 53
Celkový počet platných patentů: 2

Ing. Jan Nedoma (Author Scopus ID: 57014879400)
Celkový počet publikovaných publikací: 48
Celkový počet platných patentů: 3

[1] Fajkus, M., Nedoma, J., Martinek, R., Vasinek, V., Nazeran, H., Siska, P. A non-invasive multichannel hybrid fiber-optic sensor system for vital sign monitoring (2017) Sensors (Switzerland), 17 (1), art. no. 111, IF. 2677 (Q1), Cited 19 times.
[2] Martinek, R., Nedoma, J., Fajkus, M., Kahankova, R., Konecny, J., Janku, P., Kepak, S., Bilik, P., Nazeran, H. A phonocardiographic-based fiber-optic sensor and adaptive filtering system for noninvasive continuous fetal heart rate monitoring (2017) Sensors (Switzerland), 17 (4), art. no. 890, IF. 2677 (Q1), Cited 11 times.
[3] Martinek, R., Kahankova, R., Nazeran, H., Konecny, J., Jezewski, J., Janku, P., Bilik, P., Zidek, J., Nedoma, J., Fajkus, M. Non-invasive fetal monitoring: A maternal surface ECG electrode placement-based novel approach for optimization of adaptive filter control parameters using the LMS and RLS algorithms´(2017) Sensors (Switzerland), 17 (5), art. no. 1154, IF. 2677 (Q1), Cited 4 times.
[4] Vanus, J., Belesova, J., Martinek, R., Nedoma, J., Fajkus, M., Bilik, P., Zidek, J. Monitoring of the daily living activities in smart home care (2017) Human-centric Computing and Information Sciences, 7 (1), art. no. 30, SJR: 0.615 (Q1)
[5] Fajkus, M., Nedoma, J., Mec, P., Hrubesova, E., Martinek, R., Vasinek, V. Analysis of the highway tunnels monitoring using an optical fiber implemented into primary lining (2017) Journal of ELECTRICAL ENGINEERING, IF. 0.483 (Q2).
[6] Fajkus, M., Nedoma, J., Bednarek, L., Frnda, J., Vasinek, V. Analysis of the applicability of singlemode optical fibers for measurement of deformation with distributed systems BOTDR (2016) Advances in Electrical and Electronic Engineering, 14 (4Special Issue), pp. 453-459. Cited 3 times.
[7] VASINEK, V., J. NEDOMA, J. CUBIK, S. KEPAK, P. ZAVODNY, R. MARTINEK, P. SISKA a M. FAJKUS. Způsob měření rychlosti v dopravním provozu a nedestruktivní systém pro provádění tohoto způsobu. 306992, Patent. Uděleno: 20.9.2017.
[8] VASINEK, V., J. NEDOMA, J. FAJKUS, M. a R. MARTINEK. Optovláknový měřicí systém pro monitorování vitálních funkcí lidského těla. 306857, Patent. Uděleno: 28.6.2017.
[9] VASINEK, V., J. NEDOMA, J. ZBORIL, O. a T. KAJNAR. Optovláknový a dotykový senzor pro zabezpečení vybraných prostor. 305969, Patent. Uděleno: 13.4.2016.
Členové řešitelského týmuIng. Marcel Fajkus, Ph.D.
doc. RNDr. Eva Hrubešová, Ph.D.
Ing. Pavel Mec
Ing. Jan Nedoma, Ph.D.
Ing. David Pytlík
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)2 Specifikace výstupů
Projekt je orientován na výzkum, návrh a realizaci finálních metod uložení a implementaci optovláknových technologií na příhradové nosníky a do betonového ostění pro potřeby monitorování zatížení a teplotních polí v reálných podmínkách stavby železničního tunelu Milochov a propojení měřicího, komunikačního a vyhodnocovacího systému. Velmi významných bodem bude návrh vhodného zapouzdření mřížkových senzorů pro dosažení jejich ochrany a určení vhodných typů optických vláken pro dosažení potřebné citlivosti distribuovaného monitorování tunelů. Současně budou získané výsledky průběžně využívány při instalaci optických vláken při výstavbě tunelu Milochov, kde bude současně probíhat opakované měření s implementovanými optovláknovými technologiemi. Kromě uvedených cílů bude projekt tvořit základní výzkum využití optovláknových technologií ve stavebnictví pro monitorování tunelů, což je tématem dizertační práce hlavního řešitele projektu Ing. Marcel Fajkuse a spoluřešitele Ing. Jana Nedomy.


2.1 Jednotlivé body projektu
- Návrh a realizace mřížkových senzorů pro implementaci do a na povrch betonových konstrukcí.
- Volba vhodné implementace distribuovaných snímacích vláken do betonových konstrukcí.
- Návrh implementace distribuovaných snímacích vláken do kroužků pro realizaci senzorického rastru pro zjištění prostorového zatížení betonových konstrukcí.
- Kalibrace optovláknových jednobodových a distribuovaných systémů.
- Spolupráce s firmou Subterra, a.s. v podobě implementace optovláknových technologií při výstavbě železničního tunelu Milochov a opakované měření zatížení a teplotních polí v průběhu projektu SGS a pokud možno i po jeho skončení.
- Získání praktických zkušeností a návrh funkčních optovláknových senzorů pro plánovanou projektovou spolupráci.
- Realizace základního výzkumu v oblasti monitorování tunelů s optovláknových technologiemi, jež je součástí tématu dizertační práce hlavního řešitele Ing. Marcela Fajkus a spoluřešitele projektu Ing. Jana Nedomy.


2.2 Minimální očekávané výstupy za požadovanou finanční podporu
- 1×D: Standard optical cables for the distributed load monitoring of concrete structures using BOTDR (přijatý abstrakt na konferenci 12th fib International PhD-Symposium in Civil Engineering, která se koná k datu 29-31.8.2018).
- 1×D: Use analysis of fiber-optic sensors for the monitoring of vibration response of railway rolling stock for the needs of civil engineering (přijatý abstrakt na konferenci 12th fib International PhD-Symposium in Civil Engineering, která se koná k datu 29-31.8.2018).
- 1×D: FBG strain sensor mounted on plastic carrier (přijatý abstrakt na konferenci SPIE - the international society for optics and photonics, která se koná k datu 15-19.4.2018).
- 1×Jimp: Kombinace distribuovaných systému a mřížkových senzorů pro monitorování zatížení tunelu (předpokládaný časopis Advances in Electrical and Electronic Engineering (Q3) indexovaný na Scopus a WoS nebo Journal of Electrical Engineering).


2.3 Zdůvodnění prostředků rozpočtu
Odměny
- Ing. Pavel Mec (akademický pracovník) – odměna za obsluhu zařízení v laboratoři (5 000 Kč + 1700 Kč odvody)
Stipendium
- Ing. Marcel Fajkus (student) - stipendium 20 000 Kč
- Ing. Jan Nedoma (student) - stipendium 20 000 Kč
- Ing. David Pytlík (student) - stipendium 40 000 Kč

Vložné na konferenci
- 12th fib International PhD-Symposium in Civil Engineering (http://phdsymp2018.eu/). Jedná se o 2 publikace typu D, vložné 2x230 € (11 860 Kč přepočet dle kurzu k datu 18.12.2017).
- SPIE - the international society for optics and photonics (http://www.spie.org/conferences-and-exhibitions/defense--commercial-sensing/defense--security). Jedná se o 1 publikaci typu D, vložné cca 220 $ (4 820 Kč přepočet dle kurzu k datu 18.12.2017).

Cestovní náhrady
Cesta na konferenci do Prahy a ubytování na jednu noc pro dvě osoby. Dále cesty ohledně nákupů a cesty na Slovensko z důvodu konzultace, implementace senzorů a měření v tunelu Milochov. Očekává se 6 až 8 cest.

Spotřební materiál
Nákupy Braggovských mřížek (9000 Kč), optických kabelů (8000 Kč) a tenzometrů (5000 Kč) jsou nutné pro měření a vývoj prototypů senzorů. V rámci spotřebního materiálu (5300 Kč) se jedná o hliníkové nebo mosazné profily a další sortiment pro realizaci zapouzdření FBG senzorů. Alokovaná částka na stavební hmoty (3000 Kč) bude využita pro realizaci trámců a kostek pro měření zatížení s optovláknovými senzory.

Služby
Částka 1000 Kč je určena pro kalibraci zařízení v laboratoři.

Režijní náklady
18850 Kč (10 % poskytnuté podpory)


2.4 Přílohy
V příloze tištěné formy přihlášky SGS jsou uvedeny dva následující dokumenty:
- Svolení prof. RNDr. Vladimíra Vašinka, CSc. k využívání měřicího přístroje v rámci SGS projektu na Fakultě stavební.
- Svolení Ing. Libora Žídka k využívání laboratoře stavebních hmot pro provádění zkoušek v rámci SGS projektu na Fakultě stavební.

Rozpočet projektu - uznané náklady

NávrhSkutečnost
1. Osobní náklady
Z toho
6700,-6750,-
1.1. Mzdy (včetně pohyblivých složek)5000,-5000,-
1.2. Odvody pojistného na veřejné zdravotně pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti1700,-1750,-
2. Stipendia80000,-80000,-
3. Materiálové náklady30300,-13990,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek0,-0,-
5. Služby17650,-15080,-
6. Cestovní náhrady35000,-53830,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory18850,-18850,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady188500,-
Uznané náklady188500,-
Celkem běžné finanční prostředky188500,-188500,-